实验报告:分光计的调节与使用
张贺 PB07210001
一、实验题目:
分光计的调节与使用
二、实验目的:
着重训练分光计的调整技术和技巧,并用它来测量三棱镜的偏向角。
三、实验仪器:
分光计、双面平面镜、三棱镜、低压汞灯
四、实验原理:
1.分光计的结构
分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。外形如图7.1.2-1所示。
2.分光计的调整原理和方法
调整分光计,最后要达到下列要求:
① 平行光管发出平行光;
② 望远镜对平行光聚焦(即接收平行光);
③ 望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。
分光计调整的关键是调好望远镜,其他的调整可以以望远镜为标准。
⑴调整望远镜
1)目镜调焦
这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到图7.1.2-3所示分划板上的刻线。调焦方法是把目镜调焦手轮请轻轻旋出,或旋进,从目镜中观看,直到分划板刻线清晰为止。
2) 调望远镜对平行光聚焦
这是要将分划板调到物镜焦平面上,调整方法是:
(a) 把目镜照明,将双平面镜放到载物台上。为了便于调节,平面镜与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图7.1.2-4。
(b)粗调望远镜光轴与镜面垂直——用眼睛估测一下,把望远镜调成水平,再调载物台螺钉,使镜面大致与望远镜垂直。
(c)观察与调节镜面反射像——固定望远镜,双手转动游标盘,于是载物台跟着一起转动。转到平面镜正好对着望远镜时,在目镜中应看到一个绿色亮十字随着镜面转动而动,这就是镜面反射像。如果像有些模糊,只要沿轴向移动目镜筒,直到像清晰,再旋紧螺钉,则望远镜已对平行光聚焦。
3)调整望远镜光轴垂直仪器主轴
当镜面与望远镜光轴垂直时,它的反射像应落在目镜分划板上与下方十字窗对称的上十字线中心,见图7.1.2-3。平面镜绕轴转后,如果另一镜面的反射像也落在此处,这表明镜面平行仪器主轴。当然,此时与镜面垂直的望远镜光轴也垂直仪器主轴。
(a) 载物台倾角没调整好的表现及调整
假设望远镜光轴已垂直仪器主轴,但载物台倾角没调好,见图7.1.2-5。平面镜A面反射光偏上,载物台转后,B反射光偏下。在目镜中看到的现象是A面反射像在B面反射像的上方。显然,调整方法是把B面像(或A面像)向上(向下)调到两像点距离的一半,使镜面A和B的像落在分划板上同一高度。
(b) 望远镜光轴没调好的表现及调整
假设载物台已调好,但望远镜光轴不垂直仪器主轴,见图7.1.2-6。在图(a)中,无论平面镜A面还是B面,反射光都偏上,反射像落在分划板上十字线的上方。在图(b)中,镜面反射光都偏下,反射像都落在十字线的下方。显然,调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉(12),把像调到上十字线上即可,见图(c)。
(c)载物台和望远镜光轴都没调好的表现和调整方法
表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉,使两镜面反射像像点等高(但像点没落在上十字线上),再把像调到上十字线上,见图7.1.2-6(c)。
(2) 调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴
将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上,物镜将出射平行光。
调整方法是:取下平面镜和目镜照明光源,狭缝对准前方水银灯光源,使望远镜转向平行光管方向,在目镜中观察狭缝像,沿轴向移动狭缝筒,直到像清晰。这表明光管已发出平行光。
再将狭缝转向横向,调螺钉(25),将像调到中心横线上,见图7.1.2-7(a)。这表明平行光管轴已与望远镜光轴共线,所以也垂直仪器主轴。螺钉(25)不能再动。
再将狭缝调成垂直,锁紧螺钉,见图7.1.2-7(b)。
3.用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率
见图7.1.2-8,一束单色光以i角入射到AB面上,经棱镜两次折射后,从AC面折射出来,出射角为i。入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。当棱镜顶角A一定时,偏向角δ的大小随入射角i的变化而变化。当i=i时,δ为最小。这时的偏向角称为最小偏向角,记作δmin。
由图7.1.2-8中可以看出,这时
(1)
设棱镜材料折射率为n,则
故
(2)
由此可知,要求得棱镜材料折射率n,必须测出其顶角A和最小偏向角。
五、实验内容:
1.调整分光计(要求与调整方法见原理部分)
2.使三棱镜光学侧面垂直望远镜光轴
(1)调载物台的上下台面大致平行,将棱镜放到平台上,使棱镜三边与台下三螺钉的连线所成三边相互垂直,见图7.1.2-9。试分析这样放置的好处。
(2)接通目镜照明光源,遮住从平行光管来的光。转动载物台,在望远镜中观察从侧面AC和AB反射回来的十字像,只调台下三螺钉,使其反射像都落到上十字线处,见图7.1.2-10。调节时,切莫动螺钉(12)(为什么?)。
3.测棱镜顶角A
对两游标作一适当标记,分别称游标1和游标2,切记勿颠倒。旋紧度盘下螺钉(16)、(17),望远镜和刻度盘固定不动。转动游标盘,使棱镜AC面正对望远镜,见图7.1.2-10。记下游标1的读数和游标2的读数。再转动游标盘,再使AB面正对望远镜,记下游标1的读数和游标2的读数。同一游标两次读数误差或,即是载物台转过的角度,而是A角的补角,
A=
4.测三棱镜的最小偏向角
(1)平行光管狭缝对准前方水银灯光源。
(2)旋松望远镜止动螺钉(16)和游标盘止动螺钉(23),把载物台及望远镜转至如图7.1.2-11中所示的位置(1)处,再左右微微转动望远镜,找出棱镜出射的各种颜色的水银灯光谱线(各种波长的狭缝像)。
(3)轻轻转动载物台(改变入射角i),在望远镜中将看到谱线跟着动。改变i,应使谱线往减小的方向移动(向顶角A方向移动)。望远镜要跟踪光谱线转动,直到棱镜继续转动,而谱线开始要反向移动(即偏向角反而变大)为止。这个反向移动的转折位置,就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台(锁紧23),再使望远镜微动,使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线(546.1nm)。
(4)测量
记下此时两游标处的读数和。取下三棱镜(载物台保持不动),转动望远镜对准平行发光管,即图7.1.2-11中(2)的位置,以确定入射光的方向,再记下两游标处的读数和。此时绿谱线的最小偏向角
将值和测得的棱镜A角平均值代入式(2)计算n。
六、数据处理:
1.实验内容2(2)中只调节载物台下三螺钉,不能再动望远镜仰角调节螺钉的原因分析如下:
因为望远镜光轴已与仪器主轴垂直,不能再动望远镜仰角调节螺钉。此时是由于载物台没有调好,需要调节载物台下三螺钉即可。
2.测量棱镜顶角A:
测量次数n=6
原始数据如下:
则有
3.测三棱镜的最小偏向角:
测量次数n=6
原始数据如下:
则有
4.计算三棱镜材料的折射率n:
两边取对数
求微分
合并同类项
系数取绝对值
最后写成标准差公式
结果的最终表达式为
七、注意事项:
1.转动载物台,都是指转动游标盘带动载物台一起转动.
2.狭缝宽度1mm左右为宜,宽了测量误差大,窄了光通量小。狭缝易损坏,尽量少调,调节时要边看边调,动作要轻,切忌两缝太近。
3.光学仪器螺钉的调节动作要轻柔,锁紧螺钉也是指锁住即可,不可用力过大,以免损坏器件。
八、思考题:
1.已调好望远镜光轴垂直主轴,若将平面镜取下后,又放到载物台上(放的位置与拿下前的位置不同),发现两镜面又不垂直望远镜光轴了,这是为什么?是否说明望远镜光轴还没调好?
答:这是由于载物台倾角没有调好,导致平面镜再次放到载物台上后凉镜面又不垂直望远镜光轴了,不说明望远镜光轴没有调好。
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