分光計主要部件

1.平行光管

如圖3所示，平行光管的作用是產(chǎn)生平行光。在其圓柱形筒的一端裝有一個可伸縮的套筒，套筒末端有一狹縫，筒的另一端裝有消色差透鏡組。伸縮狹縫裝置，使其恰位于透鏡的焦平面上時，平行光管就出射平行光?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)平行光管光軸水平調(diào)整螺絲?28?和平行光管光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲?29?改變平行光管光軸的方向，通過調(diào)節(jié)狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲?1?改變狹縫寬度，改變?nèi)肷涔馐鴮挾取?/p>

2.望遠鏡

望遠鏡用于觀察及定位被測光線。它是由物鏡、自準目鏡和測量用十字刻度線所組成的一個圓筒，本實驗所使用的分光計帶有阿貝式自準目鏡，其結構如圖4?所示。照明小燈泡的光自筒側進入，經(jīng)小三棱鏡反射后照亮分劃板上的下半部十字刻度線。十字刻度線方向、目鏡及物鏡間的距離皆可調(diào)，當叉絲位于物鏡焦平面上時，叉絲發(fā)出的光經(jīng)物鏡后成為平行光。該平行光經(jīng)雙面反射鏡反射后，再經(jīng)物鏡聚焦在分劃板平面上，形成十字叉絲的像(綠色)。

望遠鏡調(diào)好后，從目鏡中可同時看清十字刻度線和叉絲的"十"字像，且兩者間無視差。另外，可通過調(diào)節(jié)望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13和望遠鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲14改變望遠鏡光軸的方向。

3.刻度圓盤

分光計出廠時，已經(jīng)將刻度盤平面調(diào)到與儀器轉(zhuǎn)軸垂直并加以固定?？潭葓A盤被分成360度，最小分度值是半度(30¢)。小于半度的數(shù)值可在游標上讀出，兩個游標在黑色內(nèi)盤邊緣對徑方向，游標分成30小格。游標盤一般與載物臺固連，可繞儀器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，有螺釘可以止動游標盤。

刻度圓盤讀數(shù)方法與游標卡尺的讀數(shù)方法相似，如圖5所示讀數(shù)為116012¢。為了消除刻度盤與分光計中心軸線之間的偏心差，在刻度盤同一直徑的兩端各裝有一個游標。測量時，兩個游標都應讀數(shù)，然后算出每個游標兩次讀數(shù)的差，再取平均值。這個平均值可作為望遠鏡(或載物臺)轉(zhuǎn)過的角度，并且消除了偏心差。

另外，在計算望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度時，要注意游標是否經(jīng)過了刻度盤的零點。例如:望遠鏡(或載物臺)由位置Ⅰ轉(zhuǎn)到位置Ⅱ時，對應的游標讀數(shù)分別為 、 、 、 ，游標?1?未跨過零點，望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度 ，游標?2?跨過了零點，這時望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度應按下式計算 。如果從游標讀出的角度 、 ，而游標又未經(jīng)過零點，則計算結果應取絕對值。

分光計是測量角度的儀器，大致構造如圖1。

如圖2所示，分光計主要由五個部件組成:三角底座，平行光管、望遠鏡、刻度圓盤和載物臺。圖中各調(diào)節(jié)裝置的名稱及作用如下:

1--狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲。調(diào)節(jié)狹縫寬度，改變?nèi)肷涔鈱挾?/p>

2--狹縫裝置。

3--狹縫裝置鎖緊螺絲。松開時，前后拉動狹縫裝置，調(diào)節(jié)平行光。調(diào)好后鎖緊，用來固定狹縫裝置。

4--平行光管，產(chǎn)生平行光。

5--載物臺。放置光學元件。臺面下方裝有三個細牙螺絲7，用來調(diào)整臺面的傾斜度。松開螺絲8可升降、轉(zhuǎn)動載物臺。

6--夾持待測物簧片。夾持載物臺上的光學元件。

7--載物臺調(diào)節(jié)螺絲(3只)。調(diào)節(jié)載物臺臺面水平。

8--載物臺鎖緊螺絲。松開時，載物臺可單獨轉(zhuǎn)動和升降;鎖緊后，可使載物臺與讀數(shù)游標盤同步轉(zhuǎn)動

9--望遠鏡。觀測經(jīng)光學元件作用后的光線。

10--目鏡裝置鎖緊螺絲。松開時，目鏡裝置可伸縮和轉(zhuǎn)動(望遠鏡調(diào)焦);鎖緊后，固定目鏡裝置。

11--阿貝式自準目鏡裝置?？缮炜s和轉(zhuǎn)動(望遠鏡調(diào)焦)。

12--目鏡調(diào)焦手輪。調(diào)節(jié)目鏡焦距，使分劃板、叉絲清晰。

13--望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲。調(diào)節(jié)望遠鏡的俯仰角度。

14--望遠鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲。調(diào)節(jié)該螺絲，可使望遠鏡在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。

15--望遠鏡支架。

16--游標盤。盤上對稱設置兩游標。

17--游標。分成30小格，每一小格對應角度?1'

18--望遠鏡微調(diào)螺絲。該螺絲位于圖14-1的反面。鎖緊望遠鏡支架制動螺絲?21?后，調(diào)節(jié)螺絲18，使望遠鏡支架作小幅度轉(zhuǎn)動。

19--刻度盤。分為360°，最小刻度為半度(30′)，小于半度則利用游標讀數(shù)。

20--目鏡照明電源。打開該電源20，從目鏡中可看到一綠斑及黑十字。

21--望遠鏡支架制動螺絲。該螺絲位于圖14-1的反面。鎖緊后，只能用望遠鏡微調(diào)螺絲18使望遠鏡支架作小幅度轉(zhuǎn)動。

22--望遠鏡支架與刻度盤鎖緊螺絲。鎖緊后，望遠鏡與刻度盤同步轉(zhuǎn)動。

23--分光計電源插座。

24--分光計三角底座。它是整個分光計的底座。底座中心有沿鉛直方向的轉(zhuǎn)軸套，望遠鏡部件整體、刻度圓盤和游標盤可分別獨立繞該中心軸轉(zhuǎn)動。平行光管固定在三角底座的一只腳上。

25--平行光管支架。

26--游標盤微調(diào)螺絲。鎖緊游標盤制動螺絲27后，調(diào)節(jié)螺絲26可使游標盤作小幅度轉(zhuǎn)動。

27--游標盤制動螺絲。鎖緊后，只能用游標盤微調(diào)螺絲26使游標盤作小幅度轉(zhuǎn)動。

28--平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲。調(diào)節(jié)該螺絲，可使平行光管在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。

29--平行光管光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲。調(diào)節(jié)平行光管的俯仰角。

【實驗目的】

1. 了解分光計的結構，學習分光計的調(diào)節(jié)和使用方法;

2. 利用分光計測定三棱鏡的頂角;

【實驗儀器】

分光計，雙面平面反射鏡，玻璃三棱鏡。

【實驗原理】

如圖6所示，設要測三棱鏡AB面和AC面所夾的頂角a，只需求出j即可，則a=180°-j。

圖6 測三棱鏡頂角

【實驗內(nèi)容與步驟】

一、分光計的調(diào)整

(一)調(diào)整要求:

1.望遠鏡聚焦平行光，且其光軸與分光計中心軸垂直。

2.載物臺平面與分光計中心軸垂直。

(二)望遠鏡調(diào)節(jié)

1.目鏡調(diào)焦

目鏡調(diào)焦的目的是使眼睛通過目鏡能很清楚地看到目鏡中分劃板上的刻線和叉絲，調(diào)焦辦法:接通儀器電源，把目鏡調(diào)焦手輪12旋出，然后一邊旋進一邊從目鏡中觀察，直到分劃板刻線成像清晰，再慢慢地旋出手輪，至目鏡中刻線的清晰度將被破壞而未被破壞時為止。旋轉(zhuǎn)目鏡裝置11，使分劃板刻線水平或垂直。

2.望遠鏡調(diào)焦

望遠鏡調(diào)焦的目的是將分劃板上十字叉絲調(diào)整到焦平面上，也就是望遠鏡對無窮遠聚焦。其方法如下:將雙面反射鏡緊貼望遠鏡鏡筒，從目鏡中觀察，找到從雙面反射鏡反射回來的光斑，前后移動目鏡裝置11，對望遠鏡調(diào)焦，使綠十字叉絲成像清晰。往復移動目鏡裝置，使綠十字叉絲像與分劃板上十字刻度線無視差，最后鎖緊目鏡裝置鎖緊螺絲?10 .

(三)調(diào)節(jié)望遠鏡光軸垂直于分光計中心軸(各調(diào)一半法)

調(diào)節(jié)如圖7?所示的載物臺調(diào)平螺絲?b?和?c?以及望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13，使分別從雙面反射鏡的兩個面反射的綠十字叉絲像皆與分劃板上方的十字刻度線重合，如圖8(a)所示。此時望遠鏡光軸就垂直于分光計中心軸了。具體調(diào)節(jié)方法如下:

(1)將雙面反射鏡放在載物臺上，使鏡面處于任意兩個載物臺調(diào)平螺絲間連線的中垂面，如圖7所示。

圖7 用平面鏡調(diào)整分光計

(2)目測粗調(diào)。用目測法調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺絲7及望遠鏡、平行光管光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13、29，使載物臺平面及望遠鏡、平行光管光軸與分光計中心軸大致垂直。

由于望遠鏡視野很小，觀察的范圍有限，要從望遠鏡中觀察到由雙面反射鏡反射的光線，應首先保證該反射光線能進入望遠鏡。因此，應先在望遠鏡外找到該反射光線。轉(zhuǎn)動載物臺，使望遠鏡光軸與雙面反射鏡的法線成一小角度，眼睛在望遠鏡外側旁觀察雙面反射鏡，找到由雙面反射鏡反射的綠十字叉絲像，并調(diào)節(jié)望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲?13?及載物臺調(diào)平螺絲?b?和?c?，使得從雙面反射鏡的兩個鏡面反射的綠十字叉絲像的位置應與望遠鏡處于同一水平狀態(tài)。

(3)從望遠鏡中觀察。轉(zhuǎn)動載物臺，使雙面反射鏡反射的光線進入望遠鏡內(nèi)。此時在望遠鏡內(nèi)出現(xiàn)清晰的綠十字叉絲像，但該像一般不在圖8(a)所示的準確位置，而與分劃板上方的十字刻度線有一定的高度差，如圖8(b)所示。調(diào)節(jié)望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13，使高度差?h?減小一半，如圖8(c)所示;再調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺絲b?或c，使高度差全部消除，如圖8(d)所示。再細微旋轉(zhuǎn)載物臺使綠十字叉絲像和分劃板上方的十字刻度線完全重合，如圖8(a)所示。

圖(8) 各調(diào)一半法

(4)旋轉(zhuǎn)載物臺，使雙面反射鏡轉(zhuǎn)過180°，則望遠鏡中所看到的綠十字叉絲像可能又不在準確位置，重復(3)所述的各調(diào)一半法，使綠十字叉絲像位于望遠鏡分劃板上方的十字刻度線的水平橫線上。

(5)重復上述步驟(3)(4)，使經(jīng)雙面反射鏡兩個面反射的的綠十字叉絲像均位于望遠鏡分劃板上方的十字刻度線的水平橫線上。

至此，望遠鏡的光軸完全與分光計中心軸垂直。此后，望遠鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13不能再任意調(diào)節(jié)!

二、三棱鏡頂角的測定

1.待測件三棱鏡的調(diào)整

如圖9(a)放置三棱鏡于載物臺上。轉(zhuǎn)動載物臺，調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺絲(此時不能調(diào)望遠鏡)，使從棱鏡的二個光學面反射的綠十字叉絲像均位于分劃板上方的十字刻度線的水平橫線上，達到自準。此時三棱鏡兩個光學表面的法線均與分光計中心軸相垂直。

圖9 三棱鏡的調(diào)整

2.自準法測定三棱鏡頂角

將三棱鏡置于載物臺中央，鎖緊望遠鏡支架與刻度盤聯(lián)結螺絲?22?及載物臺鎖緊螺絲?8?，轉(zhuǎn)動望遠鏡支架?15?，或轉(zhuǎn)動內(nèi)游標盤?16?，使望遠鏡對準?AB?面，在自準情況(綠十字叉絲像和分劃板上方的十字刻度線完全重合)下，從兩游標讀出角度 ?和 ?;同理轉(zhuǎn)動望遠鏡對準?AC?面，自準時讀角度? ?和? ，將結果填入表2中。由圖9(b)中的光路和幾何關系可知，三棱鏡的頂角

(2)

【數(shù)據(jù)記錄及處理】

表2 自準法(或反射法)測頂角數(shù)據(jù)表格

次數(shù) 游標1 游標2

1

2

3

【注意事項】

不要用手拿三棱鏡兩個拋光面,如有不清潔,要用鏡頭紙擦凈。

【實驗目的】

利用分光計測定玻璃三棱鏡的折射率;

【實驗儀器】

分光計，玻璃三棱鏡，鈉光燈。

【實驗原理】

最小偏向角法是測定三棱鏡折射率的基本方法之一，如圖10所示，三角形?ABC?表示玻璃三棱鏡的橫截面，AB和 AC是透光的光學表面，又稱折射面，其夾角a稱為三棱鏡的頂角;BC?為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。假設某一波長的光線?LD?入射到棱鏡的?AB?面上，經(jīng)過兩次折射后沿?ER?方向射出，則入射線?LD?與出射線?ER?的夾角? ?稱為偏向角。

圖10 三棱鏡的折射

由圖10中的幾何關系，可得偏向角

(3)

因為頂角a滿足 ，則

(4)

對于給定的三棱鏡來說，角a是固定的， 隨 和 而變化。其中 與 、 、 依次相關，因此 實際上是 的函數(shù)，偏向角 也就僅隨 而變化。在實驗中可觀察到，當 變化時，偏向角 有一極小值，稱為最小偏向角。理論上可以證明，當 時， 具有最小值。顯然這時入射光和出射光的方向相對于三棱鏡是對稱的，如圖11所示。

圖11 最小偏向角

若用 表示最小偏向角，將 代入(4)式 得

(5)

或

(6)

因為? ，所以? ，又因為? ，則

(7)

根據(jù)折射定律 得，

(8)

將式(6)、(7)代入式(8)得:

(9)

由式(9)可知，只要測出入射光線的最小偏向角 及三棱鏡的頂角 ，即可求出該三棱鏡對該波長入射光的折射率n .

【實驗內(nèi)容與步驟】

1.調(diào)節(jié)分光計

按實驗24一1中的要求與步驟調(diào)整好分光計。

2.調(diào)整平行光管

(1)去掉雙面反射鏡，打開鈉光燈光源。

(2)打開狹縫，松開狹縫鎖緊螺絲3。從望遠鏡中觀察，同時前后移動狹縫裝置2，直至狹縫成像清晰為止。然后調(diào)整狹縫寬度為1毫米左右(用狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪?1?調(diào)節(jié))。

(3)調(diào)節(jié)平行光管的傾斜度。將狹縫轉(zhuǎn)至水平，調(diào)節(jié)平行光管光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲29，使狹縫像與望遠鏡分劃板的中心橫線重合。然后將狹縫轉(zhuǎn)至豎直方向，使之與分劃板十字刻度線的豎線重合，并無視差。最后鎖緊狹縫裝置鎖緊螺絲3。此時平行光管出射平行光，并且平行光管光軸與望遠鏡光軸重合。至此分光計調(diào)整完畢。

3.測三棱鏡的折射率

(1)將三棱鏡置于載物臺上，并使玻璃三棱鏡折射面的法線與平行光管軸線夾角約為?60度。

(2)觀察偏向角的變化。用光源照亮狹縫，根據(jù)折射定律判斷折射光的出射方向。先用眼睛(不在望遠鏡內(nèi))在此方向觀察，可看到幾條平行的彩色譜線，然后慢慢轉(zhuǎn)動載物臺，同時注意譜線的移動情況，觀察偏向角的變化。順著偏向角減小的方向，緩慢轉(zhuǎn)動載物臺，使偏向角繼續(xù)減小，直至看到譜線移至某一位置后將反向移動。這說明偏向角存在一個最小值(逆轉(zhuǎn)點)。譜線移動方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)時的偏向角就是最小偏向角。

1 用望遠鏡觀察譜線。在細心轉(zhuǎn)動載物臺時，使望遠鏡一直跟蹤譜線，并注意觀察某一波長譜線的移動情況(各波長譜線的逆轉(zhuǎn)點不同)。在該譜線逆轉(zhuǎn)移動時，擰緊游標盤制動螺絲?27，調(diào)節(jié)游標盤微調(diào)螺絲?26，準確找到最小偏向角的位置。

2 測量最小偏向角位置。轉(zhuǎn)動望遠鏡支架?15?，使譜線位于分劃板的中央，旋緊望遠鏡支架制動螺絲?21，調(diào)節(jié)望遠鏡微調(diào)螺絲?18，使望遠鏡內(nèi)的分劃板十字刻度線的中央豎線對準該譜線中央，從游標?1?和游標?2?讀出該譜線折射光線的角度? ?和? 。

3 測定入射光方向。移去三棱鏡，松開望遠鏡制動螺絲?21?，移動望遠鏡支架?15?，將望遠鏡對準平行光管，微調(diào)望遠鏡，將狹縫像準確地位于分劃板的中央豎直刻度線上，從兩游標分別讀出入射光線的角度 ??和 ?。

4 按 計算最小偏向角 (取絕對值)。

5 重復步驟?1~6，可分別測出汞燈光譜中各譜線的最小偏向角 。

6 按式(9)計算出三棱鏡對各波長譜線的折射率。計算折射率?n?的數(shù)據(jù)表格3。

【數(shù)據(jù)記錄及處理】

表3 測量最小偏向角 ?

鈉光波長(Å)

次數(shù)

游標1

游標2

n

5893

1

2

3

【注意事項】

各條譜線不會同時出現(xiàn)最小偏向位置，因此，當測完一條譜線后，對另一條譜線進行最小偏向角測量時，均應再轉(zhuǎn)動小平臺，嚴格確定它的最小偏向角方位。

【實驗目的】

觀察光柵的衍射光譜，掌握用分光計和透射光柵測光波波長的方法。

【實驗儀器】

分光計，透射光柵，鈉光燈，白熾燈。

【實驗原理】

光柵是一種非常好的分光元件，它可以把不同波長的光分開并形成明亮細窄的譜線。

光柵分透射光柵和反射光柵兩類，本實驗采用透射光柵，它是在一塊透明的屏板上刻上大量相互平行等寬而又等間距刻痕的元件，刻痕處不透光，未刻處透光，于是在屏板上就形成了大量等寬而又等間距的狹縫。刻痕和狹縫的寬度之和稱為光柵常數(shù)，用d 表示。

由光柵衍射的理論可知，當一束平行光垂直地投射到光柵平面上時，透過每一狹縫的光都會發(fā)生單縫衍射，同時透過所有狹縫的光又會彼此產(chǎn)生干涉，光柵衍射光譜的強度由單縫衍射和縫間干涉兩因素共同決定。用會聚透鏡可將光柵的衍射光譜會聚于透鏡的焦平面上。凡衍射角滿足以下條件

k = 0， ±1， ±2， … (10)

的衍射光在該衍射角方向上將會得到加強而產(chǎn)生明條紋，其它方向的光將全部或部分抵消。式(10)稱為光柵方程。式中d為光柵的光柵常數(shù)，θ為衍射角，λ為光波波長。當k=0時，θ= 0得到零級明紋。當k = ±1， ±2 …時，將得到對稱分立在零級條紋兩側的一級，二級 … 明紋。

實驗中若測出第k級明紋的衍射角θ，光柵常數(shù)d已知，就可用光柵方程計算出待測光波波長λ。

【實驗內(nèi)容與步驟】

1.分光計的調(diào)整

分光計的調(diào)整方法見實驗1。

2.用光柵衍射測光的波長

(1)要利用光柵方程(10)測光波波長，就必須調(diào)節(jié)光柵平面使其與平行光管和望遠鏡的光軸垂直。先用鈉光燈照亮平行光管的狹縫，使望遠鏡目鏡中的分劃板上的中心垂線對準狹縫的像，然后固定望遠鏡。將裝有光柵的光柵支架置于載物臺上，使其一端對準調(diào)平螺絲a ，一端置于另兩個調(diào)平螺絲b、c的中點，如圖12所示，旋轉(zhuǎn)游標盤并調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲b或c ，當從光柵平面反射回來的"十"字像與分劃板上方的十字線重合時，如圖13所示，固定游標盤。

圖12 光柵支架的位置 圖13 分劃板

(2)調(diào)節(jié)光柵刻痕與轉(zhuǎn)軸平行。用鈉光燈照亮狹縫，松開望遠鏡緊固螺絲，轉(zhuǎn)動望遠鏡可觀察到0級光譜兩側的±1、±2 級衍射光譜，調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲a (不得動b、c)使兩側的光譜線的中點與分劃板中央十字線的中心重合，即使兩側的光譜線等高。重復(1)、(2)的調(diào)節(jié)，直到兩個條件均滿足為止。

(3)測鈉黃光的波長

① 轉(zhuǎn)動望遠鏡，找到零級像并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ0和θ0/，并記入表4 中。

② 右轉(zhuǎn)望遠鏡，找到一級像，并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ右和θ右/，并記入表4中。

③ 左轉(zhuǎn)望遠鏡，找到另一側的一級像，并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ左和θ左/，并記入表4中。

3.觀察光柵的衍射光譜。

將光源換成復合光光源(白熾燈)通過望遠鏡觀察光柵的衍射光譜。

【注意事項】

1.分光計的調(diào)節(jié)十分費時，調(diào)節(jié)好后，實驗時不要隨意變動，以免重新調(diào)節(jié)而影響實驗的進行。

2.實驗用的光柵是由明膠制成的復制光柵，衍射光柵玻璃片上的明膠部位，不得用手觸摸或紙擦，以免損壞其表面刻痕。

3.轉(zhuǎn)動望遠鏡前，要松開固定它的螺絲;轉(zhuǎn)動望遠鏡時，手應持著其支架轉(zhuǎn)動，不能用手持著望遠鏡轉(zhuǎn)動。

【數(shù)據(jù)記錄及處理】

表4 一級譜線的衍射角

零級像位置

左傳一級像

位置

偏轉(zhuǎn)角

右轉(zhuǎn)一級像

位置

偏轉(zhuǎn)角

偏轉(zhuǎn)角平均值

光柵常數(shù)

鈉光的波長λ0 = 589·3 nm

根據(jù)式(10) K=1， λ= d sin 1=

相對誤差

【注意事項】

分光計應按操作規(guī)程正確使用,嚴禁用手觸摸光柵面。

不要用眼睛直接觀察點燃的汞燈,以免紫外線灼傷眼睛。