三棱镜的角和色散测量高等教育理学_高等教育-科普读物.pdf

实验 2 三棱镜的角度与色散测量 报告人_ 同组实验者 _ 时间 _ 实验目的：1.了解分光仪的构造原理，学会正确使用分光仪 2.掌握棱镜角度测试的原理和方法 3.了解光的折射与棱镜色散现象 一、实验仪器：分光仪、汞灯、三棱镜、LED（红、绿、黄）二、实验原理：1.分光仪的结构 可用来测量各种光之间的角度。其基本原理是，让光形成一束平行 光线，经光学元件反射或折射后，通过目镜观察和测量各光线的偏向角度。2.分光仪的调整 1）调望远镜对向无穷远，此时反射镜应正直地放在物台上。放反射镜 时应使反射面压住一只支撑螺钉，且与另两只支撑螺钉的连线垂直；2）调望远镜光轴垂直于仪器转轴 3.角度测量原理：用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法（见下图）：图 1 顶角测量方法 用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面（要转动望远镜不要转动载物台），使得返回的十字像在分划板上重合（说明自准直望远镜已经垂直于被测的面），记录下望远镜的两个角度读书，望远镜转过的角度与顶角互补。使待测顶角对向平行光管，望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像，记录下 望远镜的两个角度读书，望远镜转过的角度为顶 角的两倍。4.最小偏向角法原理：如图所示三棱镜的截面，P顶点，两边是透 光的光学表面，又称折射面，夹角a称为三棱镜 的顶角。假设某一波长的光线AB入射到棱镜中，经过两次折射后沿DE方向射出，则入射线AB与 出射线S称为偏向角。由图中几何关系，偏向角S=/FBD+/FDB=li-l2-a因为顶 角a满足0=li-l2，对于给定的三棱镜来说，角a是固定的，S随li和I2 而变化。其 中12与a,n（棱镜折射率），li依次相关，当li变化时，偏向角S有一极小值，称为 最小偏向角图2-3最小僞向角法丙理 镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶、实验步骤及现象 1.调整分光仪：调望远镜对像无穷远，此时反射镜应正直地放在载物台上。放反射镜时 应使反射面压住一只支撑螺钉，且与另两只连线垂直；（1）目测粗调，用眼睛从仪器侧面观察，使望远镜光轴、平行光管光轴 与载物台面均大致垂直于仪器主轴；（2）旋转目镜筒，使目镜看到清晰的分划板；（3）在载物台上放上反射平面镜，开启照明灯，缓慢转动小平台，找到 反射像（“+”字）后，伸缩目镜套筒使之最清晰；（4）调节望远镜光轴垂直于分光计主轴，将小平台旋转 180 度，仍能看 到反射像，若两反射像位于目标位置同一侧，则先调望远镜的高低，把离 目标较近的那个“+”字像先调整好，若两反射像位于目标位置异侧，则采用 各半调节法，先调节小平台前后螺丝，是像与目标位置距离缩小一半，在 调节望远镜使之与目标位置重合；（需要进行多次调节）（5）将反射镜转过 90 度后重复步骤（4）；（6）对平行光管进行调焦，打开汞灯，伸缩平行光管套筒使在望远镜中 能看到清晰地狭缝像；（7）调整平行光管的光轴垂直于旋转主轴，将望远镜对准狭缝的像，使 狭缝转过 90 度调节平行光管下的倾度调节螺丝，使狭缝像位于分划板中心 线上，然后将平行光管狭缝调回垂直状态；（8）视差的调节，从目镜进行观察，左右晃动眼睛，观察“+”字像与分 划板是否存在相对移动，若存在则调节高斯目镜。镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶2.放置三棱镜：使棱镜待测角A的一个边与载物台水平调整脚（Z1、Z3）的连线垂直，这样在调 Z2 时，棱面 AB 的状态可以保持不变。分光仪的载物台上有刻线标志，可以帮助正确安置棱镜。3.调整载物台：使棱镜待测角的棱线与转轴平行。注意调整AC面的俯仰时，只要调整Z2脚，以保证先调好的 AB 面不变。4.按原理中两种方法测量棱镜顶角，计算数据。5.观察偏向角的变化 将三棱镜置于载物台上，并使三棱镜折射面的法线与平行光管轴线的夹角约 为 60 度。用光源照亮狭缝，根据折射定理判定折射光的出射方向。先用眼睛（不 在望远镜）在此方向上观察，如果使用汞灯的话可以看到几条平行的彩色谱线，然后慢慢转动载物台，同时注意谱线的移动情况，观察偏向角的变化。顺着偏向 角减小的方向，缓慢转动载物台，使偏向角继续减小，直至看到谱线移至某一位 置后将反向移动。这说明偏向角存在一个最小值（逆转点）。谱线移动方向发生 逆转时的偏向角就是最小偏向角。用望远镜观察谱线。再细心转动载物台时，使望远镜一直跟踪谱线，并注意 观察某一波长谱线移动的情况（各波长谱线的逆转点不一样）。在该谱线逆转移 动时，拧紧游标盘制动螺丝，调节游标盘微调螺丝，准确找到最小偏向角的位置。镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶6.测量最小偏向角位置 转动望远镜，使谱线位于分划板中央，旋紧连杆固定销固定望远镜，调节 望远镜微调螺丝，使望远镜的分划板十字刻度线的中央竖线对准该谱线的中央,从两个游标上读出该谱线折射光线的角度。分别读出四个光谱的角度。7.发光二极管谱线测定 固定载物台，关闭汞灯，分别换成红、黄、绿色发光二极管，转动望远镜,观察谱线对应角度测量读出示数。四、实验数据处理：4.1 60度顶角的测量 顶角测量 第一次 第二次 第三次 顶角角度测量结果 A 盘左 106 1 1 106 39 106 2 平 62 37 面 盘右 286 3 286 1 1 286 0 均 平均值 196 2 196 40 196 1 值 B 盘左 224 1 224 224 标 0.024 面 盘右 44 44 1 44 准 平均值 134 134 134 差 顶角角度 62 9 62 6 62 36 镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶4.2 Hg灯谱线的标定（在最小偏向角附近即可）谱线序号 1（黄）2（绿）3（蓝紫）4（紫）名义波长（nm）579 546.1 435.8 404.7 1 46 9 46 5 478 47 58 读数 2 46 3 461 47 4 47 58 3 46 9 46 5 473 47 59 值 4 46 0 46 4 478 47 59 平均值 46 015 46345 47545 47 58 30 4.3发光二极管谱线测量 二极管颜色 红 黄 绿 读数 1 45 2 30 46 461 值 2 45 1 46 9 461 镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶 3 45 1 46 3 46 22 4 45 2 30 46 3 469 平均值 45 1 30 46 35 40 025 名义波长(nm)683 568 533 插值计算公式：Y、Z、X、丫，求厶 Z 的值(X-Z)/(X-Z)=(Z-Y)/(Z-Y)五、自问自答 1.为什么要调整棱镜的棱线与转台轴平行？答：保证棱镜转动过程中入射面保持不变。因为在实验过程中，需要旋物台,如果棱镜的棱线不与载物台轴平行，在转动载物台后，所成的相会上下移动。2.怎样才能快速调整好棱镜的位置？答：使棱镜待测角A的一个边与载物台水平调整脚(Z1、Z3)的连线垂直,这样在调Z2时，棱面AB的状态可以保持不变。分光仪的载物台上有刻线标志，可以帮助正确安置棱镜。3.光的色散是如何引起的，你所测量的材料是正色散还是负色散？答：对于同一种介质，不同波长的入射光的折射率是不同的，非单色光经过 介质发生折射后，不同波长的光将分离，形成色散。正色散 镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶1.你认为这次测量的精度如何？误差大致在什么围?答：光学仪器比较精密，计算方法也很科学，所以本次测量的精度较高 镜角度测试的原理和方法了解光的折射与棱镜色散现象一实验仪器分光仪汞灯三棱镜红绿黄二实验原理分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度其基本原理是让光形成一束平行光线经光学元件反射或折射后通过目镜观察和测量各只支撑螺钉且与另两只支撑螺钉的连线垂直调望远镜光轴垂直于仪器转轴角度测量原理用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方法见下图顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面要转动望远镜不要转动载物台使得返回的十字互补使待测顶角对向平行光管望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像记录下望远镜的两个角度读书望远镜转过的角度为顶角的两倍最小偏向角法原理如图所示三棱镜的截面顶点两边是透光的光学表面又称折射面夹角称为三棱镜的顶