《实验十二分光计的调节和三棱镜折射率的测定[指南].pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验十二分光计的调节和三棱镜折射率的测定[指南].pdf（13页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、实验十二分光计的调节和三棱镜折射率的测定指南 实验十二分光计的调节和三棱镜折射率的测定【实验目的】1(了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法。2(了解测定棱镜顶角的方法。3(用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。【实验器材】分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜。【实验原理】分光计是一种常用的光学仪器，实际上就是一种精密的测角仪，在几何光学实验中，主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等，而在物理光学实验中，加上分光元件(棱镜、光栅)即可作为分光仪器，用来观察、测量光谱线的波长等。下面以学生型分光计(JJY 型)为例，说明它的结构、工作原理和调节方法。一、分光计的结构 分光计主要由底座、望远镜、平行光
2、管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成，图 5-11-1 分光计 1-狭缝装置 2-狭缝装置锁紧螺钉 3-平行光管 4-制动架(一)5-载物台 6-载物台调节螺钉(3 只)7-载物台锁紧螺钉 8-望远镜 9-目镜锁紧螺钉 10-分划板 11-目镜调节手轮 12-望远镜仰角调节螺钉 13-望远镜水平调节螺钉 14-望远镜微调螺钉 15-转座与刻度盘制动螺钉 16-望远镜制动螺钉 17-制动架(二)18-底座 19-转座 20-刻度盘 21-游标盘 22-游标盘微调螺钉 23-游标盘制动螺钉 24-平行光管水平调节螺钉 25-平行光管仰角调节螺钉 26-狭缝宽度调节手轮 每部分均有特定的调节螺钉，图
3、5-11-1 为 JJY 型分光计的结构外型图。1(分光计的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，望远镜、刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。2(平行光管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。其一端装有消色差的汇聚透镜，另一端装有狭缝的圆筒，狭缝的宽度根据需要可在0.02,2,范围内调节。3(望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目标和确定光线的传播方向。望远镜由目镜系统和物镜组成，为了调节和测 图 5-11-2 望远镜结构 图 5-11-3 分划板 1-物镜 2-外管 3-分划板 4-中管 5-目镜系统 6-内管 7-小灯 1-镜面反射
4、像 2-上十 字线 3-十字窗口 量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼此可以相对移动，也可以用螺钉固定，如图 5-11-2 所示，在中管的分划板下方紧 0 贴一块 45 全反射小棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留一个绿色的小 0 十字窗口，照明小灯发出的光线从小棱镜的另一直角边入射，从 45 反射面反射到分划板上，透光部分在分划板上便形成一个明亮的十字窗。4(分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套结构，正确运用它们对于测量很重要，具体如下:(1)望远镜制动和微动机构，图 5-11-1 中的 16、14;(2)分光计游标盘制动和微动控制机构，图 5-1
5、1-1 中的 23、22;(3)望远镜和刻度盘的离合控制机构，图 5-11-1 中的 15。转动望远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的制动螺钉;微调望远镜及游标位置时要先拧紧制动螺钉。要改变刻度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整 图 5-11-4 分光计的观测系统 00 一般是将刻度盘的 0 线置于望远镜下，可以避免在测角度时，0 线通后再拧紧。过游标引起的计算上的不方便。5(载物平台是一个用以放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套在游标内盘上，可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘(刻度内盘)一起转动时，控制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和
6、微调两种。平台下有三个调节螺钉，可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。06(望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻度盘上有 0,00,30360 的圆刻度，分度值为。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔 180设有,1 两个游标，游标上有 30 个分格，它和主刻度盘上 29 个分格相当，因此分度值为。读数方法与游标卡尺的游标原理相同(该处称为角游标)。记录测量数据时，为了消除刻度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差，必须同时读取两个游标的读数。安置游标位置要考虑具体实验情况，主要注意读数方便，且尽可能在测量中刻 0 度盘 0 线不通过游标。记录与计算角度时，左右游标分别进行，防止混
7、淆算错角度。二、分光计的调节 分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此应达到以下三个要求:平行光管发出平行光;望远镜能接受平行光;望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。用分光计进行观测时，其观测系统基本上应由以下三个平面构成，如图 5-11-4所示。读值平面:这是读取数据的平面，由主刻度盘和游标盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体的分光计，读值平面都是固定的，且和中心主轴垂直。观察平面:由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。只有当望远镜光轴与转轴垂直时，观察面才是一个平面，否则，将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面。待测光路平面:由平行光管的光轴和经过待测光学元件(棱镜、光栅等)作用
8、后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物平台下方的三个调节螺钉，可以将待测光路平面调节到所需方位。按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否则，测得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。1(调节望远镜和载物平台 (1)目镜调焦 这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到图 5-11-3 所示分划板上的刻线。调接方法是把目镜调焦手轮轻轻旋出，或旋进，从目镜中观看，直到分划板刻线清晰为止。)调节望远镜对平行光聚焦(2 实质是将分划板调到物镜焦平面上，调整 方法如下:1)把目镜照明，将双面平面镜放到载物台 上，为了调节方便，平面境与载物台下三个调 节螺钉的相对位置如图 5-11-5 所示。2
9、)粗调望远镜光轴与镜面垂直 目测将望 远镜调成水平、载物台水平，使镜面大致与望 远镜垂直。图 5-11-5 载物台上双面镜放置的俯视 3)观察与调节镜面反射像 固定望远镜，图 转动游标盘，于是载物台跟着一起转动。转动平面镜使其正好对着望远镜时，在目镜中应看到一个绿色十字随着镜面转动而动，这就是亮十字的反射像。如果像有些模糊，只要沿轴向移动目镜筒，直到像清晰、无视差，再旋紧螺钉，此时望远镜已聚焦平行光。(3)调整望远镜光轴与仪器主轴垂直 当镜面与望远镜光轴垂直时，它的反射像应落在目镜分划板上与下方十字窗对 称的十字线中心，如图 5-11-3 所示。平面镜绕轴转 0180 后，如果另一镜面的反射像
10、也落在此处，这表明镜面平行仪器主轴。当然，此时与镜面垂直的望远镜光轴也与仪器主轴垂直。在调整过程中出现的某些现象是何原因,调整什么,应如何调整，这是要分析清楚的。例如，是调载物台,还是调望远镜,调到什么程度,下面简述之。1)载物台倾角没调好的 图 5-11-6 载物台倾角没调好的表现及调整原理 表现及调整 假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，如图 5-11-6 所示。0 平面镜 A 面反射光偏上，载物台转 180 后，B 面反射光偏下，在目镜中看到的现象 是 A 面反射像在 B 面反射像的上方。显然，调整方法是把 B 面像(或 A 面像)向上(或向下)调到两像点距离的一半，这一步
11、要反复进行，最后使镜面 A 和 B 的像落在分划板上同一高度。2)望远镜光轴没调好的表现及调整 假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，如图 5-11-7 所示。在图(a)中，图 5-11-7 望远镜光轴没调好的表现及调整原理 无论平面镜 A 面还是 B 面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十字线的上方。在图(b)中，镜面反射光都偏下，反射像都落在分划板上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉(12)，把像调到上十字线上即可，如图(c)。3)载物台和望远镜光轴都没调好的表现及调整 表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高(但像点没落在上十字线上
12、)，然后，调整望远镜仰角调节螺钉(12)，把像调到上十字线上。2(调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴 实质是将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。调整方法是:取下平面镜，关掉目镜照明光源，狭缝对准照明光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝的像，沿轴向移动狭缝套筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光。再将狭缝转向横向(水平)，调节螺钉(25)，将狭缝的像调到中心横线上，如-11-8(a)所示。这表明平行光管光轴已于望远镜光轴共线，所以也垂直仪器图5 主轴。螺钉(25)不能再动。最后，将狭缝调成竖直，锁紧螺钉(2)。如图 5-11-8(b)所示。三、用最小偏向角法测
13、定三棱镜的折射 率 如图 5-11-9，一束单色光以角入射到 i1 AB 面上，经棱镜两次折射后，从 AC 面折射,出来，出射角为。入射光和出射光的夹角 i2,称为偏向角。当棱镜顶角 A 一定时，偏向角图 5-11-8 平行光管光轴与望远镜光轴共线 ,的大小随入射角 i 的变化而变化。而当 i=i211,时，为最小(证明可参阅光学教材中的相关内容)。此时的偏向角称为最小偏向角，记为,。min A,i,由图 5-11-9 中可以看到，此时，有 12 ,Amin,i,i,i,(5-11-1)11122 得 图 5-11-9 三棱镜最小偏向角原理图 1，i,，A1min2 设棱镜折射率为，由折射定律
14、得 n A,sinsinsin i,ni,n112，A,minsinsini21(5-11-2)n,AAsinsin22 由此可知，要求得棱镜的折射率，必须测出其顶角 A 和最小偏向角。n,min【实验内容】1(调整分光计，使其处于工作状态。调整方法见以上所述。2(使三棱镜的光学表面垂直望远镜光轴 (1)调载物台的上下台面大致平行，将棱镜放到载物平台上，使棱镜三边与台下三个螺钉的连线所成三边互相垂直，如图 5-11-10 所示，这样，调节一个螺钉可以调节棱镜光学表面的倾斜度。图 5-11-10 三棱镜在载物台上的正确方法 图 5-11-11 测棱镜顶角 (2)接通目镜照明光源，遮住从平行光管射
15、来的光。转动载物平台，在望远镜中观察从三棱镜的两个光学表面 AC 和 AB 反射回来的十字像，只调台下三个螺钉，使其反射像都落到上十字线处，如图 5-11-11 所示。调节时，切莫动螺钉(12)。注意:每个螺钉调节的动作要轻，并同时观察它对各侧面反射像的影响。棱镜调好后，其位置不能再动。3(测棱镜顶角 对两游标作一适当标记，分别称左游标和右游标，在记录数据时，且勿颠倒。扭紧刻度盘下螺钉(15)、(16)，望远镜和刻度盘固定不动。转动游标盘，使棱镜,AC 面正对望远镜，如图 5-11-11 所示。分别记下左、右游标的读数和。再转12,动游标盘，再使棱镜 AB 面正对望远镜，再分别记下左、右游标的
16、读数和。同,12,一游标两次读数之差或，即是载物台转过的角度，所以,1122,，而是 A 角的补角，即,，,2,，1122 A,反复测量 3 次，数据填入表 5-11-1 中。4(测三棱镜的最小偏向角(1)使平行光管狭缝对准钠光灯 光源。(2)松开望远镜制动螺钉(16)和游标盘制动螺钉(23)，把载物台及 望远镜转至如图 5-11-12 中所示的位 置(1)处，再左右微微转动望远镜，找出棱镜折射出的光线。图 5-11-12 测量最小偏向角 (3)轻轻转动载物台(改变入射角)，望远镜中将看到光线跟着移动。改变 i1,，使光线往减小的方向移动(即向顶角 A 方向移动)。望远镜跟着光线移动，i1 直
17、到棱镜继续转动，而光线开始反向移动(即偏向角反而变大)为止。这个反向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台(锁紧螺钉23)，微动望远镜，使其分划板上的中心竖线对准谱线。(4)测量 记下此时两游标的读数和。取下三棱镜(载物台保持不动)，转动望远镜,12 对准平行光管，即图 5-11-12 中(2)的位置，以确定入射光的位置，再记下两游,标的读数,和,。此时该光线的最小偏向角为 12,，,1122,min2,反复进行三次，将数据填入表 5-11-2 中。将值和测得的棱镜 A 角平均 min n 值代入式(5-11-2)计算。并计算出折射率的不确定度。【数据表格及处理】实验结果计
18、算 0(1)三棱镜的顶角 A,60 0(,)最小偏向角,3849 min 11A000(,)棱镜玻璃的折射率,，,，,nAsin()/sinsin(384960)/sin30min222 n,1.5187(,)不确定度的计算 求 U A 0BA,60 三棱镜的顶角直接取，因此只要取的类不确定度分 A 量，所以 11 UUrad,0.00017ByiA33 U?求,min52 USrad,，,()/(54)0.450.00013,min,Ai,min()mini,1 1Urad,0.00017B 3 22UUUrad,，,0.000214 AB,min U?求 n1AAA,，minmin2222 UUU,，,csc(sincsc)cos0.00021A,nmin22222 结果表达式 nnU,1.51870.0003n【注意事项】1、分光计在调整好后，整个实验过程中望远镜和平行光管的水平调节螺钉不可再作调节。2、望远镜、平行光管及三棱镜的光学表面不可用手摸及用纸擦，手拿三棱镜应拿不透光面。