实验目的:
a.了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法;
b.用分光计测定棱镜顶角及棱镜玻璃的折射率。
实验仪器:
分光计
实验原理和方法:
光学介质的折射率n可以通过很多方法来测量。本实验采用的是最小偏向角法。
如下图所示,入射光束由空气中三棱镜的两个棱面AB,AC折射后,传播方向将发生改变。出射光束传播方向和入射光束方向之间的夹角称为偏向角。偏向角的大小随入射光束在AB面上的入射角的变化而变化。可以证明,当入射角和AC面上的出射角相等,即当入射光束和出射光束对称与棱镜顶角的平分面时,偏向角有极小值并有
式中:n是棱镜材料的折射率;是棱镜主截面内的顶角;是最小偏向角。只要把待测的光学玻璃制成三棱镜,测出棱角和最小偏向角,便可算出折射率n。
介质折射率n是波长的函数。现在,入射于棱面AB的是水银灯所发出的复色光,各个波长的光虽然都有相同的入射角,但是他们的出射角各不相同,也就是说,棱镜只能对于某一波长处于最小偏向位置。测出此波长光束的最小偏向角,就可算出介质对此波长的折射率。续而,我们改变入射角,使得棱镜对另一波长处于最小偏向位置,从而求出对另一波长的折射率。照此下去,分别测出各个波长的最小偏向角,并经计算得出相应的折射率,便可画出折射率n对于波长的关系曲线,即棱镜材料的色散曲线。
下图为望远镜物镜后焦面上的水银光谱图。每条谱线对应着一个波长,它们都是狭缝对于某一波长的像。
实验内容和步骤:
a. 按调节分光计的要求调好分光计。
b. 测三棱镜顶角。
在分光计已调好,三棱镜主截面垂直于仪器转轴的情况下,可用以下两种方法测量棱镜顶角。
自准法:如下图a所示点亮旁测小灯,转动刻度盘,先使由棱面AB反射回来的绿“十”字像在分划板准线上部的交叉点,记下两边游标读数、;保持望远镜不动,转动刻度盘连同载物台,使AC面反射绿“十”字像也落在分划板准线上部的交叉点上,记下两游标的读数为和。则顶角
这里,已经消除了偏心差。
反射法:如上图b所示,自平行光管射出的平行光同时照射在三棱镜的两个棱面AB,AC上,转动望远镜,测定两反射线的传播方向,两个方向之间的夹角是,则
我们必须测量棱镜主截面内的最小偏向角,这要求棱角A的棱边与仪器转轴平行,即与已调好的望远镜光轴垂直,这样才能保证棱镜的主截面和刻度盘平行,为了便于调节,先使三棱镜的一个棱面AB垂直平台下面两个调节螺丝和的连线,如下图所示。转动刻度盘连同平台使AB面正对望远镜。调节和螺丝,使在望远镜中看到的由AB面反射回来的叉丝像与叉丝重合,也就是使AB面和望远镜光轴垂直。然后使AC面正对望远镜,单调节螺丝。使AC面反射的叉丝像也和叉丝重合。反复对AB面和AC面校验几次,直至两个面反射的叉丝像都与叉丝重合,这时,三棱镜的主截面已和仪器转轴垂直。在以后的操作中,就不要改变三棱镜的位置了。
为了测量某一波长的最小偏向角,用水银灯照亮平行光管狭缝,转动刻度盘和载物台,谱线是往偏向角大的方向移动还是往减小的方向移动,并且还要慢慢地转动望远镜,以保证某一波长的谱线不要移出视场。当棱镜转到某一位置时,某一谱线会达到一个转折位置,即棱镜不论向哪个方向转动,该谱线均往偏向角增大的方向移动,这一位置就是偏谱线的最小偏向角位置。将望远镜的叉丝交点定在这一最小偏向角位置上,并借助载物台微调螺旋使棱镜作微小转动以检查叉丝中心是否定在最小偏向角位置上。然后,从两个游标上分别读出描述望远镜位置的刻度,它们标志光束经棱镜偏转后的传播方向。这时,刻度盘不能再出现任何转动了。然后,转动望远镜使它对着直接由平行光管射出的光束,并让望远镜的叉丝中心对准复色广的狭缝像,读出两个游标所指示的刻度,它们标志着入射光束的传播方向。同一个游标上前后两刻度之差就是最小偏向角。从两游标上得到两个最小偏向角值。为消除偏心差,该谱线的最小偏向角应是这两个值的算术平均值。
依照上述方法,相续测出5条指定谱线的最小偏向角。
思考题:
1.分光计由哪几部分组成?
答:分光计由三角底座、望远镜、平行光管、载物台、读数盘五部分组成。
2.分光计调整的要求是什么?
答:使光管发出平行光,望远镜聚焦于无穷远,同时使平行光管和望远镜的光轴与转轴垂直。
3.若刻度盘中心与载物台中心不重合,即存在着偏心差,假定载物台从转到,实际转过的角度为,而刻度盘上的读数是,,,,试证明:
证明:
设:;
则由几何关系可知:……(1)
……(2)
因;
故有(1)-(2)得:
用分光计测定三棱镜的顶角和折射率
1、实验目的
(1)了解分光计的构造和原理,学会调节分光计
(2)利用已知波长的单色光测量光栅常数
(3)利用光栅和已知光的波长,测量未知光的波长
2.实验原理
普通光栅的平面是由许多间距相等的明暗相间的狭缝元a+b(a一般不等于b)相互平行排列而成。
用单色平面光照射光栅,通过每个狭缝的光都发生衍射,各狭缝之间存在干涉,通过透镜汇聚,在透镜的焦平面形成一组亮线,称为光的衍射光谱线。
=0,,,···
上式为光栅方程,其中(a+b)是光栅常数,为入射波长,为明条纹衍射级,为对应明条纹的衍射角。
3. 实验仪器
JJY分光计,全息光栅,钠光灯(橙色)手持照明放大镜和变压器。
4.实验内容和步骤
(1)粗调。接通变压器开关,转动目镜,看清刻线和劈晶,可先应当水平和垂直,否则松开目镜锁定螺钉,转动阿贝式自准直目镜;检查望远镜俯仰调节螺钉和平行光管俯仰调节螺钉上升幅度适当,使望远镜和平行光管水平,狭缝装置伸出平行光管的幅度和阿贝式自准直目镜伸出望远镜幅度应当在1cm左右;松开望远镜制动螺钉,转动支架,目测望远镜和平行光管在同一条直线上。
(2)调节光栅与望远镜垂直。用光栅代替望远镜放在载物台中心,光栅光面朝向望远镜,胶面朝向平行光管。因平面反光,阿贝式自准直目镜下方内部灯泡点亮,仔细转动光栅的左右方向,用载物台调节螺钉调节俯仰,找到绿色十字像。然后微调载物台调节螺钉和游标盘微调螺钉,使绿色十字像和分划板十字重合,整个过程不能调节望远镜和平行光管的俯仰。
(3)测量。松开,望远镜制动螺钉,用平行光管发出的光垂直照射光栅,转动望远镜,观察中央明条纹和,,···级衍射条纹。将望远镜对准中央明条纹左边第一级k=+1条纹,当分划板上的竖线与衍射条纹基本重合,锁定望远镜制动螺钉,微调望远镜微调螺钉,记录k=+1级条纹的角坐标,有左游标读数和右游标读数两个数据。然后依次测量k=+2,-1,-2级的角坐标。共做两次。
1-狭缝装置;2-狭缝装置锁紧螺丝;3-平行光管;4-止动架(二);5-载物台;6-载物台调节螺丝(共3只);7-载物台和游标盘间锁紧螺丝;8-望远镜;9-目镜筒锁紧螺丝;10-阿贝式自准目镜;11-目镜调焦手轮;12-望远镜光轴倾斜调节螺丝;13-望远镜光轴左右偏斜度调节螺丝;14-望远镜微动螺丝;15-望远镜和度盘间锁紧螺丝;16-望远镜止动螺丝(另侧);17-止动架(一);18-底座;19-转座;20-刻度盘;21-游标盘;22-游标盘微动螺丝;23-游标盘止动螺丝;24-平行光管光轴左右偏斜度调节螺丝;25-平行光管光轴倾斜调节螺丝;26-狭缝宽度调节螺丝
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