分光计的调整与使用.ppt
分光计的调整与使用,实验目的 预习重点 实验仪器 实验原理 实验内容 数据处理 注意事项 思考题,实验目的,了解分光计的结构,熟悉分光计的调整和使用；使用分光计测定三棱镜的顶角和最小偏向角,计算棱镜玻璃的折射率；观察光栅衍射光谱,测量汞灯谱线的波长。,预习重点,熟练掌握分光计的调整技巧；学会用分光计测角的方法；如何调节三棱镜的主截面与分光计的旋转主轴垂直；如何用光栅调整分光计，使其达到测量要求？如何测量三棱镜的顶角和最小偏向角；如何测光栅常数和光波波长。,实验仪器,本次实验用到的仪器有分光计、平行平面镜、三棱镜、透射光栅和汞灯。,实验原理,一、分光计测定玻璃折射率 如图1所示的三角形表示三棱镜的主截面。主截面与折射面垂直。折射面AB、 AC是透光的光学表面，其夹角称为三棱镜的顶角。 设一束单色光平行光入射到三棱镜的AB面上，和分别表示入射角和出射角，称为偏向角。 由图中的几何关系有： =+ - 对于给定的棱镜，顶角是固定的。 当为极小值时,有= ,代入上式得 min=2- 即=1/2(min+ )当= 时,由图知，有1=（1/2）, 所以,玻璃三棱镜对单色光的折射率为 n = sin/sin 1 = sin（1/2）(min+ )/sin（1/2 ） 图1 最小偏向角时棱镜的折射这样,只要用分光计测出三棱镜的顶角和最小偏向角min，即可求得三棱镜对单色光的折射率。,i,i,1,2,3,4,二、用光栅测量光波波长 衍射光栅是由一组数目很多,排列紧密而均匀的平行狭缝组成，通常分为透射光栅和反射光栅。本实验所用为平面透射光栅。设光栅刻痕宽度为a，透明狭缝宽度为b，相邻两缝的距离d=a+b，称为光栅常数，它是光栅的基本参数之一。 当平行光束与光栅法线成角度i入射到光栅平面时，光栅后面的衍射光束通 过透镜会聚在焦平面上，就会形成一组亮暗相间的衍射条纹。设某一方向的衍射 光线的衍射角为，则光栅衍射明条纹的条件为 d(sin +sini )=k k=0，±1， ±2 式中为单色光波长，k是亮条纹级数。 此式称为光栅方程。 当平行光束垂直入射到光栅平面时， i=0，光栅方程为 dsin =k k=0，±1， ±2 由上式可知，若光栅常数d已知，用 分光计测出各级谱线的衍射角，就可 以求出各谱线对应的光波波长。光栅衍 射光谱如图2所示。 图2 汞灯的光栅衍射光谱,实验内容 一、分光计的调整 1.分光计的结构：如下图3所示。图3,2.分光计的调节 （1）目测粗调：通过调节望远镜和平行光管的倾斜度调节螺钉，载物台下的三个调节螺钉，目视观察，使它们大致垂直于旋转主轴。 （2）用自准直法调整望远镜聚焦于无穷远处。如下图4所示。 图4,如上图4所示： 点亮小灯，缓慢旋转目镜调焦轮，即调节目镜与分划板的 距离，直到从目镜中观察分划板上的十字线最清楚为止，这时分划板已处于目 镜的焦平面上。将平行平面镜放于载物台的中央，使镜面正对一个螺钉。转动 载物台或望远镜，使望远镜光轴与平面镜镜面垂直，即可在目镜中观察到绿十 字像，若像不清晰，调节物镜与分划板之间的距离，使亮十字像清晰，直到无 视差为止。这时分划板也位于物镜的焦平面上。拧紧目镜筒紧固螺钉。 （3）调整望远镜光轴与旋转主轴严格垂直。,调节载物盘水平调节螺钉或望远镜,用“各减一半”调节法使亮十字与分划板上方的十字重合，即根据亮十字与 分划板上方十字的距离，调节a螺钉使亮十字像靠近分划板上方十字移近一半距 离，再调6螺钉使亮十字像与分划板上方十字重合；将载物台或游标盘转1800， 使平面镜另一面对准望远镜，仍用“减半”法调节使亮十字像与分划板上方十 字重合；如此反复调节，直到平面镜两面反射的亮十字像都与分划板上方十字重合。如下图5所示。,（4）调分划板十字线成水平、垂直状态。 左右微微旋转载物台，观察亮十字像的水平线与分划板上方十字的水平 线是否始终重合，若不始终重合，说明分划板方位不正。松开目镜筒紧固钉， 稍微旋转目镜筒，直到左右旋转载物台时，亮十字像的水平线与分划板上方 十字的水平线是否始终重合为止。拧紧目镜筒紧固钉。 （5）调整平行光管。 打开汞灯，使望远镜对准平行光管，松开狭缝紧固螺钉，前后移动狭缝 装置，使狭缝像最清晰，此时狭缝已处于平行光管透镜组的焦平面上。 .转动狭缝成水平状态，调平行光管倾斜调节螺钉，使狭缝的中心线与分 划板中间十字的水平线重合，在转动狭缝为竖直方向，调平行光管水平调节螺 钉或转动望远镜，使狭缝的中心线与分划板垂直线重合。 调狭缝宽度为1mm左右，拧紧狭缝装置紧固螺钉。 至此，分光计已调整到正常使用状态。 如下页图6所示。,图6,松开狭缝锁紧螺钉前后移动狭缝,转动狭缝调节狭缝垂直调节平行光管俯仰调节螺钉,调节狭缝宽度并锁住锁紧螺钉,二、用三棱镜测玻璃的折射率 1.测三棱镜的顶角 顶角的测量方法有反射法和自准法，本实验用反射法，其光路如下图7所示。 将三棱镜置于载物台上，顶角对准平行光管。调游标盘左（A)、右(B) 游标位于平行光管左右两侧。拧紧游标盘、载物台及刻度环紧固螺钉，松开望 远镜紧固螺钉。点亮汞灯，由平行光管出射的平行光照在三棱镜的两光学表面 上，分别测出两反射光的角位置A+、 B+； A-、 B-，则有 A= A+- A-， B= B+- B- =（ A +B）/2 由图中的几何关系，可以证明 = 2 故 = /2 = （ A +B）/4 2.测最小偏向角min 汞灯发出的谱线在可见光范围有紫、蓝、绿、黄等数条，因三棱镜对不同波长的光折射率不同，所以最小偏向角也不同。如图8所示，将三棱镜放于载物台上，使AC面的法线与平行光光轴约成60°角，1.平行光管 2.载物台 3.三棱镜 4.望远镜即 60°，旋转望远镜 图7 反射法测量棱镜的顶角,至图示位置附近就可以观察到一条条单色的谱线，这就是棱镜光谱。这里只测 量棱镜对绿光的折射率。 测量方法如下：松开载物台紧固螺钉,如图示箭头方向缓慢转动载物台,使减小，偏向角也随之减小，这时谱线向左移动，用望远镜跟踪绿谱线移动， 继续顺时针旋转载物台，可看到谱线移至某一位置后将反向移动，谱线移动方 向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角。测出谱线移动方向发生逆转时的角位 置A和 B。然后从载物台上取下三棱镜，转动望远镜，对准平行光管，使分 划板上黑十字的垂直线与狭缝像的中心线重合，测出角位置A0和 B0，则 Am= A0- A， B m= B0- B min =（ Am+ B m）/2 三、用衍射光栅测光波波长 1.光栅的调整 在测量之前，按教材要求调整光栅， 使平行光管产生的平行光垂直照射于光 栅平面，且光栅的刻痕与分光计旋转主1.平行光管 2.载物台 3.三棱镜 4.望远镜 轴平行。 图8 最小偏向角的测量,2.测量谱线的衍射角 调节狭逢宽度适中，使汞光谱中的两条黄谱线能分开。先将望远镜转至右 侧，测量 k=+1级各谱线的角位置A+1和 B +1，然后将望远镜转至左侧，测量 k=-1级各谱线的角位置A-1和 B -1。则各谱线的衍射角为 =（ A-1-A+1 +B +1 -B -1 ）/4 测量时，从最右端的黄2光开始，依次测黄1光、绿光，直到最左端的黄 光。绿光 重复测量三次。数据处理 一、用三棱镜测玻璃的折射率 1.实验数据记录到教材所列数据表格 2.计算三棱镜的顶角 3.计算三棱镜对绿光的最小偏向角min和折射率n 二、用衍射光栅测光波波长 实验数据记录到教材所列数据表格并按表格要求进行数据处理.其中谱线级 数K=±1，光栅常数d=1/3000cm。 若已知分光计的仪器额定误差为1=2.91×10-4弧度，d值的相对误差为 0.1，根据d sin=k推导相对误差E=/ 的表示式，并求出测量绿光 波长的相对误差，说明误差的性质。,注意事项 1.不要用手触摸光学元件的光学表面。 2.分光计上的各个螺钉在未搞清其作用前，不要随意扭动。 3.不要用小灯管转动望远镜。 4.汞灯的紫外光较强，不可直视，以免损伤眼睛。 5.光栅是较精密的光学元，必须轻拿轻放. 6.测量衍射角时，为使望远镜中十字叉丝竖线瞄准各谱线，必须使用望远镜微调螺钉。测量时，要防止其它光源干扰。思考题 一、用三棱镜测玻璃的折射率 1.在调整望远镜时,为什么要消除视差？ 2.试画出自准法测量三棱镜顶角的光路图，说明其测量方法。 二、用衍射光栅测光波波长 为什么要调整光栅平面与平行光管光轴相垂直?如果不垂直,能够测定谱线的波长吗?说明理由。,
