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1、北京航空航天大学物理争论性试验报告分光仪的调整及其应用第一 其次 所在院系：所在院系：就读专业：就读专业：目 录名目一.报告简介错误!未定义书签。二.试验原理1试验一.分光仪的调整1试验二.三棱镜顶角的测量3试验三.最小偏向角法测棱镜折射率1二试验仪器1三.试验主要步骤2试验1.分光仪的调整21. 调整方法22. 要求4试验2.三棱镜顶角的测量41. 调整要求42. 试验操作5试验 3.棱镜折射率的测定最小偏向角法6四.试验数据记录6五.数据处理6试验 2.反射法测三棱镜顶角6试验 3.最小偏向角法测棱镜折射率7六.误差分析8七.分析总结8八.试验改进9九.试验感想9十.参考文献及图片附件：1
2、1一.报告简介本报告以分光仪的调整、三棱镜顶角和其折射率的测量为主要内容，先介绍了试验的根本原理与过程，而后进展了数据处理与不确定度计算。并以试验数据对误差的来源进展了分析。同时还给出了调整分光仪的阅历总结与方法，并对现有试验仪器和试验方法提出了改进的意见。二.试验原理试验一.分光仪的调整分光仪的构造因型号不同各有差异，但根本原理是一样的，一般都由底座、刻度读数盘、自准直望远镜、平行光管、载物平台 5 局部组成。1-狭缝套筒；2-狭缝套筒紧固螺钉； 3-平行光管；4-制动架；5-载物台；6-载物台调平螺钉； 7-载物台锁紧螺钉； 8-望远镜； 9-望远镜锁紧螺钉； 10-阿贝式自准直目镜；11
3、-目镜； 12-仰角螺钉； 13-望远镜光轴水平螺钉； 14-支臂； 15-望远镜转角微调螺钉；16-读数刻度盘止动螺钉；17-制动架；18-望远镜止动螺钉；19 底座；20-转座；21-读数刻度盘； 22-游标盘； 23-立柱； 24-游标盘微调螺钉； 25-游标盘止动螺钉；26-平行光管光轴水平螺钉；27-仰角螺钉；28-狭缝宽度调整螺钉；1. 三角底座在三角底座中心，装有一个垂直的固定轴，望远镜、主刻度圆盘、游标刻度盘都可绕它旋转。这一固定轴称为分光仪的主轴。2. 刻度圆盘圆盘上刻有角度数值的称主刻度盘，在其内侧有一游标盘，在游标盘上相对 180处刻有两个游标。主刻度盘和游标刻度盘都垂直
4、于仪器主轴，并可绕主轴转动。读数系统由主刻度盘和游标盘组成，沿度盘一周刻有 360 个大格，每格 1，每大格又分成两小格，所以每小格为 30。刻度盘内侧有一游标盘。主刻度盘可以和望远镜一起转动，游标盘可以和载物台一起转动。游标盘在它的对径方向有两个游标刻度， 游标刻度的 30 个小格对应主刻度盘刻度的 29 个小格，所以这一读数系统的准确度为1。它的读数原理 与游标卡尺全一样。游标刻度圆盘与分光仪的中心转轴垂直分光仪出厂时已调整好。由于刻度圆盘的中心与中心转轴的中心制作时不能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。3. 载物平台载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉7 相互锁
5、定，拧紧螺丝 7 后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝 25 是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺丝 24 是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调整螺丝 6。可调整台面的倾斜度。4. 自准直望远镜自准直望远镜由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板及物镜组成。目镜装在 A 筒中，全反射棱镜和叉丝分划板装在 B 筒内，物镜装在 C 筒顶部，A 筒通过手轮可在 B 筒内前后移动，B 筒可在 C 筒内移动。叉丝分划板上刻有双十字形叉丝和透光小十字刻线， 并且上叉丝与小十字刻线对称于中心叉丝，全反射棱镜紧
6、贴其上。开启光源 S 时，光线经全反射棱镜照亮小十字刻线。当小十字刻线平面处在物镜的焦平面上时，从刻线发出的光线经物镜成平行光。 假设有一平面镜将这个平行光反射回来，再经物镜，必成像与焦平面上，于是从目镜中可以同时看到叉丝和小十字刻线的反射像，并且无视差。假设望远镜光轴垂直于平面反射镜，反射像将与上叉丝重合。这种调望远镜使之适于观看平行光的方法称为自准直法，这种望远镜称为自准直望远镜。5. 平行光管平行光管与底座固连，靠近仪器主轴的一端装有平行光管的物镜，另一端装有可调狭缝套管，前后移动套管，使狭缝处在物镜的焦平面上，于是由狭缝产生的光通过物镜后成平行光。试验二 . 三棱镜顶角的测量反射法测顶
7、角须使入射光经 AB、AC 面反射后能通过望远镜，而望远镜是绕主 轴旋转的，所以AB 和 AC 面的反射平行光 必需经过主轴才能进入望远镜。只有顶角 A 处于主轴中心 O 四周时，AB、AC 面的反 射光才能进入望远镜，所以测量顶角时，应尽量将顶角 A 平移靠近主轴中心处。测量原理：旋转载物台至三棱镜顶角 A 对准平行光管，使局部平光由 AB 面反射；另一局部平行光由 AC 面反射。当望远镜在 I 位置观看到AB 面反射的狭缝像，在 II 位置观看到 AC 面反射的狭缝像时，望远镜转过了角度所以由图得 = A +12又由于A =+12故有A=/2试验三.最小偏向角法测棱镜折射率将待测的光学玻璃
8、制成三棱镜，可用最小偏向角法测其折射率 n测量原理见图，光线 代表一束单色平行光，以入射角 i1 投射到棱镜的 AB 面上，经棱镜两次折射后以 i4 角从另一面 AC 射出来，成为光线 t.经棱镜两次折射，光线传播方向总的变化可用入射光线 和出射光线 t 延长线的夹角 来表示， 称为偏向角由图 1 可知 (i1i2)(i4i3)i1i4-A.此式说明， 对于给定棱镜，其顶角 A 和折射率 n 已定，则偏向角随入射角 i1 而变， 是i1 的函数.用微商计算可以证明，当 i1=i4 或 i2=i3 时，即入射光线 a 和出射光线 t 对称地“站在”棱镜两旁时，偏向角有最小值，称为最小偏向角，用m
9、 表示.此时，有 i2A/2，i1(Am)/2，故用分光计测出棱镜的顶角 A 和最小偏向角 m，可求得棱镜的折射率 n。二试验仪器分光仪、平面反射镜、三棱镜、钠灯、电源。三.试验主要步骤试验 1.分光仪的调整1.调整方法分光仪常用于测量入射光与出射光之间的角度， 为了能够准确测量此角度，必需满足两个条件：1.入射光与出射光均为平行光；2.入射光与出射光都与刻度盘平面平行。为此必需对分光仪进展调整：使平行光管发出平行光， 其光轴垂直于仪器主轴；使望远镜承受平行光，其光轴垂直于仪器主轴；须调整载物平台，使其上旋转的分光云件的光学平面平行于仪器主轴。下面介绍调整方法。a. 粗调调整水平调整螺钉，使望
10、远镜居支架中心，并目测调整望远镜俯仰螺钉， 使光轴大致与主轴垂直，调整载物平台下方 3 只螺钉外伸局部等长，使平台平面大致与主轴垂直。这些粗 调对于望远镜光轴的顺当调整至关重要。b. 调整望远镜望远镜调焦于无穷远调整要求：依据自准直原理，当叉丝位于物镜焦平面时，叉丝与小十字刻线的反射像共面， 即绿十字与叉丝无视差，此时望远镜只承受平行光，或称望远镜调焦于无穷远。调整方法：在载物平台上放置平面反射镜，构成如下图自准直光路。开启内藏照明光泡，照明透光小十字形刻线。调整目镜A转动目镜筒手轮 A，筒壁螺纹构造使 A 筒在 B 筒内前后移动，转变目镜与叉丝分划板间的距离，直至看清分划板上的 双十字形叉丝
11、。旋转载物台，转变平面反射镜沿水平方向的方位，假设平面反射镜大的镜面在俯仰方向上已大致垂直于望远镜光轴，则在选择载物台的过程中，总可以在某一位置，通过目镜看到一个绿色十字，如看不到则应视状况调整望远镜下方的俯仰螺钉或载物台下方的b或 c螺钉，再一次粗调望远镜光轴大致与平面反射镜的镜面垂直。前后伸缩叉丝分划板套筒 B，改变叉丝与物镜之间的距离，直到在目镜中清楚无视差地看到一个光明的绿色小十字为止。调整望远镜光轴与仪器主轴垂直调整原理：假设望远镜光轴垂直于平面反射镜镜面，且平面镜镜面平行于仪器主轴，则望远镜光轴必垂直于仪器主轴。此时假设将载物台绕仪器主轴转 180， 使平面镜的另一面对准望远镜，望
12、远镜仍将垂直于平面镜。假设望远镜光轴开头时垂直于平面镜，但不垂直于主轴，亦即平面镜镜面不平行于主轴，则将平面镜 反转 180后，望远镜光轴不再垂直于平面镜镜面。 由光路成像原理可知，当望远镜光轴垂直于平面镜镜面时，反射像绿十字与上叉丝重合。假设同时有平面镜镜面平行于仪器主轴，则平面镜反转 180后，仍有望远镜光轴与平面镜垂直，绿十字仍与上叉丝重合。此时必有望远镜光轴垂直于主轴。假设平面镜镜面不平行于仪器 主轴，则平面镜反转 180后，绿十字与上叉丝将不再重合。调整方法：在望远镜调焦于无穷远的根底上，观看绿色小十字，一般它会偏离上叉丝，调整 载物台调平螺钉 b 或 c，使绿色小十字向上叉丝移近
13、1/2 的偏离距离，再调整望远镜俯仰调 节螺钉，使绿色小十字与上叉丝重合，这时，望远镜光轴与平面镜镜面垂直。将平面镜反转 180，重复调整载物台调平螺钉 b 或c，并调整望远镜俯仰调整螺钉，使绿色小十字各自消退 1/2 与上叉丝的偏离量，再次使望远镜光轴与平面镜镜面垂直。如此重复几次，直至平面镜绕主轴旋转 180，绿色小十字始终都落在上叉丝中心为止。这种方法被称为半调法。调整叉丝分划板的纵丝与主轴平行分划板的上叉丝与纵丝是相互垂直的。当纵丝与主轴不平行时，绕主轴转动望远镜，在望远镜视场中，会看到绿色小十字的运动轨迹与上叉丝相交。只要微微转动镜筒 B，到达绿色小十字的运动轨迹与上叉丝重合，叉丝方
14、向就调好了。c. 平行光管的调整使平行光管产生平行光当被光所照明的狭缝刚好位于透镜的焦平面上时，平行光管出射平行光。调整方法：将已调整好的望远镜对准平行光管，拧动狭缝宽度调整手轮，翻开狭缝，松开狭缝套筒锁紧螺钉，前后移动狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中无视差地看到边缘清楚的狭缝像时，平行光管即发出平行光。调平行光管光轴与仪器主轴垂直望远镜光轴已垂直主轴，假设平行光管与其共轴，则平行光管光轴同样垂直主 轴。调整方法：旋转玩观景至观看到狭缝像， 调整平行光管俯仰调整螺钉，使狭缝像的中点与中心叉丝重合中心叉丝与狭缝中点都可视为望远镜与平行光管光轴所垂直通过的地方 的固定边与中心叉丝重合。2.
15、要求;或将狭缝横放，调平行光管俯仰调整螺钉至狭缝1. 平面镜反射回来的绿十字与叉丝无视差。2. 平面镜正、反两面反射回来的绿十字均与上叉丝重合， 且转动平台过程中绿十字沿上叉丝移动。3. 狭缝像与叉丝无视差，且中点与中心叉丝等高。试验 2.三棱镜顶角的测量1.调整要求如下图，欲测三棱镜顶角，必需使望远镜的光轴旋 转平面垂直于待测顶角 A 的两光学平面 AB 面和 AC 面，即望远镜分别对准 AB 面和AC 面时均应有绿色十字与上叉丝重合。如图所示，逆时针方向称三棱镜的三个顶角为 A、B、C，AB、AC 构成待测顶角 A 的光学面， BC 为磨砂面。放置时，令三棱镜的 AB(BC，AC)边平行于
16、载物台上的经线 OaOb、Oc。这样一来，在调整 OaOc线下的调平螺钉 a(c)时，整个棱镜将以 bcba为轴转动， 由于 AB(AC)面与 bc(ba)垂直，故不会影响 AB(AC)面与仪器主轴的相对关系。调三棱镜的AB 面和AC 面与望远镜光轴垂直先用自准直法调 AB 面与望远镜光轴垂直，如不垂直，可调整调平螺钉 b 或c；再转动 载物台将 AC 面转向望远镜，此时可且只可调整调平螺钉 a，使 AC 面与望远镜光轴垂直，因 为调 a 不会破环已调好的 AB 面与望远镜光轴的垂直关系。最终将三棱镜放置于载物台上，使待测顶角 A 靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根经线平行，用压杆固定
17、好棱 镜。将望远镜对准三棱镜某光学平面，调整与另一光学平面平行的载物台经线螺钉，使绿色 十字与上叉重合。同理再调整另一光学平面。调整过程中应留意，三棱镜的放置与调平螺钉的调整，要遵循调整其次面的方位时不致转变第一面的方位的原则。2.试验操作1. 调整三棱镜将三棱镜放置于载物台上，使带测顶角 A 靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根径线平行，用压杆固定好棱镜。将望远镜对准三棱镜某光学平面，调整与另一光学平面 平行的载物台径线下螺钉，使绿色十字与上叉丝重合。同理再调整另一光学平面。注：不需使用半调法，由于望远镜已垂直于分光仪轴线。2. 用反射法或自准直法则测棱镜顶角 为了准确测量三棱镜顶角，
18、除了严风格整分光仪和三棱镜之外，尚须准确读取数据和把握正确的读数测量方法。试验 3.棱镜折射率的测定最小偏向角法试验操作旋转载物台，使平行光入射三棱镜的AB 面，用望远镜在 AC 面观看折射光线，之后沿某方向缓慢转动平台，可看到谱线随平台转动向同一个方向移动， 当移到某个位置时突然向 反方向折回，这一转折位置即该谱线的最小偏向位置。测量此位置处谱线与入射光线的夹角，此即最小偏向角 min。四.试验数据记录试验 2.反射法测三棱镜顶角11221803026029200302031+360216605346052860510606+36032543474361435+360194354100019
19、0011295831000531641136397635+36025641试验 3.最小偏向角法测棱镜折射率1122136232162488232682128546265481374631746315717337172091529174226274623278229826529333113273453016530五.数据处理试验 2.反射法测三棱镜顶角由=1/2(1+2)=1/2(2-1)+( 2-1)A=1/2可得：A1A2A3A4A5A60.00860.00460.00059.98759.98359.996计算不确定度：Ua(A)=(Ai A) 2=0.00487k(k1)1 1Ub(A)
20、=60=0.0096223所以有：U(A)=Ua(A)2 + Ub(A)2=0.01所以最终结果：AU(A)=60.000.01U(A) =0.01 100% = 0.02%A60.00试验 3.最小偏向角法测棱镜折射率min151.975min251.983min351.983min451.983min552.000min51.98521min =(21) + ( 21)sin𝑚𝑖𝑛𝑖+𝐴sin51.985+60n =2=1sin𝐴 22sin302=1.6579U (min)=(𝑚
21、;𝑖𝑛𝑖 𝑚𝑖𝑛)2=0.0041a𝑘(𝑘1)1 1U (min)= U (A)= 60=0.009622bb3所以 Umin=Ua(min)2 + Ub(min)2=0.01U =𝜕𝑛12U(min)2 + (𝜕𝑛1)2𝑈 2n1𝜕𝑚𝑖𝑛1 cos1(𝑚𝑖𝑛+𝐴
22、) 2𝜕𝐴𝐴1 cos1(𝑚𝑖𝑛+𝐴)sin𝐴 1 cos𝐴sin𝑚𝑖𝑛+𝐴 2 =22 U(min)2 + 222222 𝑈 2sin𝐴2(sin𝐴)2𝐴2=0.562 0.000172 + (0.88)2 0.000172 = 0.0002最终结果为：n +U1=1.65790.0002n1Un1=0.0002 100 =
23、0.012n11.6579六.误差分析1. 要求望远镜与刻度盘在转动过程中不能消灭任何偏差，但微小滑动是不行避开的。2. 为了能看清纵丝，则狭缝宽度不能太小，这样在测量时不能确保纵丝恰好与狭缝重合。3. 由于游标盘的测量原理，读数时推断主尺与游标刻度的重合也会产生误差。4. 在找最小偏向角时，不能准确找出谱线刚好折回的一刻。七.分析总结在选做 1071 试验之前，就听同学说过，分光仪很难调而且预约试验又没有选上，所以在做试验之前始终都是忐忑的。为了提前了解本次试验，我首先阅读了根底物理试验课本上面有关分光仪的调整及其应用的局部，之后认真的将预习报告写下来。在写预习报告过程中，由于是自己手写，所
24、以对试验的过程有了更深刻的生疏。最终我在优酷网上找到了分光仪的调整的视频，并看了很屡次。我个人觉得看视频的作用特别的大，由于不但有对调整过程具体的讲解，还能真实的看到调整过程以及望远镜中的现象，弥补了没有提前做预约试验的过失。在做本次试验过程中，觉得测三棱镜的顶角和折射率比较简洁，困难的反而是分光仪的调整局部。而在分光仪的调整中，最难以把握的就是望远镜光轴与分光仪主轴垂直的调整。在试验过程中，消灭最多的问题就是很多同学一开头就在望远镜中查找绿色十字，历经千辛万苦最终找到之后，转过180o 后却觉察绿色十字又不见了。甚至有的同学在试验完毕时还是没有找到绿十字。造成这个困难的缘由是，本试验承受了半
25、调法来调整望远镜光轴与仪器主轴垂直。由于仪器构造方面的限制，分光计中望远镜的视域很小， 假设平板玻璃与分光仪主轴之间的夹角略微大一点，就不能在旋转 180o 后从望远镜视场中再次看到自准像，从而无法推断该怎样调整，相应也就无法顺当完成望远镜光轴与分光仪主轴垂直的调整。 结合视频所讲以及我自己和队友做试验时的收获，总结了调整分光仪的小技巧：首先，第一步的目测粗调很重要，找不到绿十字往往是由于这步没有做好的原因。在调整仪器前，要目测望远镜是否水平。假设载物台倾角过大，则旋转 180 后绿色十字偏转就会过多，导致在目镜视场中找不到绿十字的像。这时，可将望远镜的倾角调大， 使望远镜光轴明显倾斜，接着旋
26、进一圈俯仰螺钉，微微转动一下载物平台，使平面镜的反射面扫过望远镜，假设没有观看到绿十字再旋进一圈俯仰螺钉，微转一下平台，如此反复由下向上扫描，目镜视场中必定会消灭绿十字，之后即可用半调法连续调整。八.试验改进在调整望远镜光轴与仪器主轴垂直时看不见绿十字的主要缘由就是粗调垂直没有做好。目测也并不能确保载物台和望远镜水平。因此可以借助一些工具来帮助我们更准确更简便的调整载物台和望远镜水平。我们可以利用水平仪来帮助我们完成这一工作。比方在载物台和望远镜上加装一个水平仪，使同学们可以通过水平仪来快速的调整载物台和望远镜水平，节约时间，更快更好地做接下来的试验。九.试验感想在写这篇争论性报告时，我已经做
27、了六次试验，积分也只差一分就到达要求。这六次试验遇到了不同的教师，也面对了不同的问题。感觉这学期的物理试验是一次奇特的经受，对我的学习生活有很大的帮助。物理试验是物理学习的根底，虽然在很多物理试验中我们只是复现课堂上所学理论学问的原理与结果，但这一过程与物理家进展争论分子和物质变化的科学争论中的物理试验是全都的。在物理试验中，影响物理试验现象的因素很多，产生的物理试验现象也错综简单。教师们通过细心设计试验方案，严格掌握试验条件等多种途径， 以最正确的试验方式呈现物理问题，使我们通过努力能够顺当地解决物理试验呈现的问题，考验了我们的实际动手力量和分析解决问题的综合力量，加深了我们对有关物理学问的
28、理解。做大学物理试验时，为了在规定的时间内快速高效率地完成试验，到达良好的试验效果，需要课前认真地预习，首先是依据试验题目复习所学习的相关理论学问，并依据试验教材的相关内容，弄清楚所要进展的试验的总体过程，弄懂试验的目的，根本原理，了解试验所承受的方法的关键与成功之处；思考试验可能用到的相关试验仪器，比照教材所列的试验仪器，了解仪器的工作原理，性能，正确操作步骤，特别是要留意那些可能对仪器造成损坏的事项。然后还要写预习报告，预习报告能够帮助我们顺当完成试验中的各项操作。在写预习报告的时候，我们一般包括试验目的，根本原理， 试验仪器，操作步骤，测量内容，数据表，预习思考题等。数据表与操作步骤亲热
29、相关，数据表中的栏目排列挨次应与操作步骤的挨次合理协作。这样就可以随时将数据按挨次填入表中，也可以随时观看和分析数据的规律性。刚开头时我们不留意预习报告里的数据表格，将数据任凭的记录在一张纸上，结果觉察整理数据时会消灭很多混乱和错误，尤其是数据比较多的时候，比方在做拉伸法测弹性模量试验时，由于试验前未提前设计好表格，数据记录得很任凭，很乱。在试验过程中不仅要做试验，还要一遍遍的修改记录方式，铺张了大量时间。后来吸取了教训，在试验前依据所要测的物理量和试验步骤设计好数据表格，在试验记录时和处理数据时轻松了不少。试验教会了我们要养成良好的科学的试验习惯。预习思考题，是加深试验内容或对关键问题的理解
30、， 开发视野的一些问题，在试验前认真地思考并答复这些问题，有助于提高试验质量。对于不明白的问题或试验原理中一些不明白的地方，可以跟自己的同学争论一下或查一下相关的资料，实在不明白的地方可以带到课堂上问教师，只有把试验中全部的地方都弄通弄透彻，才能到达试验应有的效果。预习是做试验前必需的工作，但是做试验的主要工作还是课堂操作。课堂操作需要我们严格的遵守试验的各项原则，要将仪器放置在合理的位置，以便利使用和确保安全，比方象高压电源的输出端钮应当远离操作者。常常需要操纵或调整的器 件，应当放在便于操纵的位置上。一些电学试验仪器部件较多，首先要把这些仪器部件一一放在适宜的位置上，然后再连线。试验过程中
31、要严格依据试验仪器的操作要求来操作，全部仪器要调整到正确的位置和稳定的状态，在安装和调整仪器时还不能使用书本这些本身就不稳定的物品做垫块，否则简洁造成测量数据的分散性，影响试验质量，并且简洁在成试验仪器的损坏。在的过程 中，常常会消灭一些故障或观看到的试验现象与理论上的现象不符，首先应认真思考并检查试验仪器使用以及线路连接是否正确，不正确的准时进展改正， 假设自己不能解决，应准时请教师来指导，切不行敷衍过关，草草了事。还有读数，需要有足够的急躁和细心，尤其是对一些精度比较高的仪器，读数肯定要依据正确的读数方法并且肯定要细心。对于数据的纪录，则要求我们要有原始的数据纪录，它是记载物理试验全部操作过程的根底性资料。而且在试验过程中必需认真地观看试验现象，并做照实的记录。假设觉察试验现象与试验理论不符合，或者测试结果消灭特别，就应当认真检查缘由，并细心重做试验。实验完成后，应把全部的试验仪器恢复到原位，并认真清理试验台。十.参考文献及图片附件：1 李朝荣等根底物理试验北京航空航天大学出版社2 张文辉分光计测三棱镜折射率的探讨福建农林大学机电学院