棱镜偏向角特性和色光折射率的测量

棱镜偏向角特性和色光折射率的测量

实验提要

实验课题及任务

《棱镜偏向角特性和色光折射率的测量》实验课题任务是：根据玻璃对不同波长的光有不同折射率的特性，设计出利用分光仪为主要仪器，测定玻璃对不同波长的折射率，并测绘出棱镜偏向角特性曲线。

学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出《棱镜偏向角特性和色光折射率的测量》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤)，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。

设计要求

⑴ 通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实验原理。

⑵ 选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

⑶ 选三种波长的光测量，分别测量的次数要求为10组数据（最小偏角要测5次），求出折射率并描绘出特性曲线。

⑷ 应该用什么方法处理数据，说明原因。

⑸ 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验仪器

分光仪、汞光灯与三棱镜，

实验所用公式及物理量符号提示

折射率的计算公式：

式中：为棱镜的顶角，为最小偏向角。

实验提示

⑴ 设计如何测定入射角，描绘出光路图，供指导教师检查。

⑵ 最小偏向角的结果表示时不确定度值用4倍标准差表达

《棱镜偏向角特性和色光折射率的测量》

一、实验目的

1、进一步了解分光仪的调节与使用。

2、进一步掌握测量棱镜顶角的方法

3、学会用反射法测定棱镜玻璃的折射率

二、实验仪器与用具

分光仪、钠灯、三棱镜、平面镜。

三、实验原理

（1）由单色光的最小偏向角测量玻璃三棱镜折射率

如图（1）所示，PO为入射光线，经棱镜的两次折射后沿着O＇Ｐ＇方向射出。入射光线与出射光线之间的夹角δ叫做偏向角，从图中可见：δ＝（i_１－ｉ_１＇）＋（ｉ_２＇－ｉ_２）

因为顶角Ａ＝ｉ_１＇＋ｉ_２，所以：δ＝（ｉ_１＋ｉ_２＇）－Ａ（22-1）

对于给定的棱镜，其顶角A和相对于空气的折射率n都是一定值，因而偏向角δ只随入射角i₁而改变。可以证明，在入射光线和出射光线处于光路对称的情况下，即i₁=i₂＇时，偏向角有极小值δ_min ，称为棱镜对某单色光的最小偏向角。将i₁=i_２＇代入式（22-1），得：

δ_min=2i₁-A 或 i₁=(δ_min+A)/2

而A=i₁＇+ｉ_２，而i₁＇=A/2，由折射定理可得：

第二篇：分光计的调节及棱镜折射率的测定

红河学院物理实验报告

实验代码及名称分光计的调节及棱镜折射率的测量

实验目的：

1．了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法；

2．掌握测定棱镜角的方法；

3．用偏向角法测定棱镜玻璃的折射率（不用最小偏向角测量）

实验仪器：

分光计，双面镜，钠灯，三棱镜。

实验原理、主要步骤、实验数据、数据处理及讨论：

1.实验原理

三棱镜如图-1 所示，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。

图-1

1.1棱脊分束法测三棱镜顶角

如图-2 所示，一束平行光入射于三棱镜，经过AB面和AC面反射的光线分别沿和方位射出，和方向的视数分别为和，由几何学关系可知：

图-2 图-3

1.2棱镜折射率的测量，

由于我们实验室用的三棱镜的切面为正三角形所以根据原理图可得入射角角我们利用分光计可以测出

如图-3所示。角即为偏向角。射棱镜的折射率为，空气的折射率为1.则

由上面的方程组可得棱镜的折射率为

2实验的主要步骤

2.1分光计的调节

在进行调整前，应先熟悉所使用的分光计中各螺丝的位置：

①目镜调焦(看清分划板准线)手轮； ②望远镜调焦(看清物体)调节手轮(或螺丝)；③调节望远镜高低倾斜度的螺丝；④控制望远镜(连同刻度盘)转动的制动螺丝；⑤调整载物台水平状态的螺丝；⑥控制载物台转动的制动螺丝；⑦调整平行光管上狭缝宽度的螺丝；⑧调整平行光管高低倾斜度的螺丝；⑨平行光管调焦的狭缝套筒制动螺丝。

(1)目测粗调。将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。

(2)用自准法调整望远镜，使其聚焦于无穷远。

①调节目镜调焦手轮,直到能够清楚地看到分划板"准线"为止。

②接上照明小灯电源，打开开关，可在目镜视场中看到如图-4所示的“准线”和带有绿色小十字的窗口。

图-4目镜视场

③将双面镜按图-5所示方位放置在载物台上。这样放置是出于这样的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝a1或a2即可，而螺丝a3的调节与平面镜的俯仰无关。

图-5平面镜的放置

④沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。但若用望远镜对着平面镜看，往往看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射到望远镜中。

我们仍将望远镜对准载物台上的平面镜，调节镜面的俯仰，并转动载物台让反射光返回望远镜中，使由透明十字发出的光经过物镜后（此时从物镜出来的光还不一定是平行光），再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，于是在分划板上形成模糊的像斑（注意：调节是否顺利，以上步骤是关键）。然后先调物镜与分划板间的距离，再调分划板与目镜的距离使从目镜中既能看清准线，又能看清亮十字的反射像。注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，则需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。

(3)调整望远镜光轴，使之与分光计的中心轴垂直。

平行光管与望远镜的光轴各代表入射光和出射光的方向。为了测准角度，必须分别使它们的光轴与刻度盘平行。刻度盘在制造时已垂直于分光计的中心轴。因此，当望远镜与分光计的中心轴垂直时，就达到了与刻度盘平行的要求。

具体调整方法为：平面镜仍竖直置于载物台上，使望远镜分别对准平面镜前后两镜面，利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射像。如果望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直，而且平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字像与分划板准线的上部十字线完全重合，如图-6（c）所示。若望远镜光轴与分光计中心轴不垂直，平面镜反射面也不与中心轴相平行，则转动载物台时，从望远镜中观察到的两个亮十字反射像必然不会同时与分划板准线的上部十字线重合，而是一个偏低，一个偏高，甚至只能看到一个。这时需要认真分析，确定调节措施，切不可盲目乱调。重要的是必须先粗调：即先从望远镜外面目测，调节到从望远镜外侧能观察到两个亮十字像；然后再细调：从望远镜视场中观察，当无论以平面镜的哪一个反射面对准望远镜，均能观察到亮十字时，如从望远镜中看到准线与亮十字像不重合，它们的交点在高低方面相差一段距离如图-6(a)所示。此时调整望远镜高低倾斜螺丝使差距减小为h/2，如图-6(b)所示。再调节载物台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使准线的上部十字线与亮十字线重合，如图-6(c)所示。之后，再将载物台旋转180o ，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节。如此反复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两表面反射回来的亮十字像都能与分划板准线的上部十字线重合为止。这时望远镜光轴和分光计的中心轴相垂直，常称这种方法为逐次逼近各半调整法。

图-6 亮十字像与分划板准线的位置关系

（4）调整平行光管

用前面已经调整好的望远镜调节平行光管。当平行光管射出平行光时，则狭缝成像于望远镜物镜的焦平面上，在望远镜中就能清楚地看到狭缝像，并与准线无视差。

①调整平行光管产生平行光。取下载物台上的平面镜，关掉望远镜中的照明小灯，用钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，同时调节平行光管狭缝与透镜间的距离，直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像为止，然后调节缝宽使望远镜视场中的缝宽约为1mm。

②调节平行光管的光轴与分光计中心轴相垂直。望远镜中看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划板的中央十字线上、下平分，如图-7(a)所示。这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差，位置如图-7(b)所示。

图-7狭缝像与分划板位置

至此分光计已全部调整好，使用时必须注意分光计上除刻度圆盘制动螺丝及其微调螺丝外，其它螺丝不能任意转动，否则将破坏分光计的工作条件，需要重新调节。

2.2棱镜角的测量

调节好分光计以后把棱镜放置于载物台上，注意要把棱镜角和准直管相对，然后转动望眼镜在棱镜的两个光学面侧转动如图-2使望眼镜在和位置看到反射光。在和两个位置处的视数分别为和则棱镜角为

2.3折射率的测量

折射率的测量实质为偏向角的测量分划板准线和准直管出来的钠光条重合（保证望眼镜载物台中心和准直管在同一条线上），记录下此时的视数为，然后把棱镜放置在载物台上让其一个光学面和望远镜垂直如图-8所示（光学面具有反光性应用反光时绿色十字交叉丝和分划板准线重合时判断为垂直），转动一个角度使之望眼镜能看到钠光条并和分划板准线重合此时的视数为。这个角度就是偏向角 利用公式可得折射率。