实验十二分光计的调整与使用

2011-10-11 17:15阅读：

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光束入射到平面镜、三棱镜、光栅等光学元件上会发生反射、折射或衍射。分光计是专门用来准确测量入射光和反射光之间偏转角度的一种仪器，故有时也称光学测角仪。利用分光计可以测量光波波长、光栅常数、折射率等物理量。分光计是光学实验中的基本仪器之一，熟悉分光计的基本结构并掌握他的调整技术，为以后光学实验中调整和使用其它光学仪器打下良好的基础。
【实验目的】
1．了解分光计的结构和各部分的作用，学会分光计的调整与使用方法。
2．通过测定三棱镜的顶角，掌握用分光计测量角度的方法。

图4.3-1 JJY型分光计结构

【实验原理】 1．分光计的结构
分光计由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四大部分组成。下面以图4.3-1所示的JJY型分光计为例介绍分光计的结构及原理。

（1）平行光管3是提供平行入射光的部件，安装在固定立柱20上。平行光管的一端装有平行光管准直透镜4，另一端装有一个可伸缩的套筒，套筒末端有一宽度可调的狭缝1，当狭缝恰好位于准直透镜的焦平面上时，用任何光源照亮狭缝，平行光管会出射平行光束。狭缝的宽度由狭缝调节螺钉25调节，平行光管的倾斜度可由螺钉24调节。

图4.3-2 自准直望远镜

（2）望远镜9用来观察和确定光束的行进方向，其结构如图4.3-2所示。它由物镜、目镜、分划板和照明灯泡等组成。常用的目镜有高斯目镜和阿贝目镜两种，都属于自准目镜，本仪器使用的是阿贝式自准目镜，目镜装在A筒中，全反射棱镜和分划板装在B筒中，物镜装在C筒中，并处于C筒端部。A筒可在B筒内前后移动，B筒（连A筒）可在C筒内移动。分划板上刻有“ ”形叉丝和透光“+”字刻线，全反射镜紧贴其上，开启光源S时，光线经全反射镜照亮小“+”字刻线。当分划板平面位于物镜的焦平面上时，从小“+”字刻线发出的光经物镜后则变为平行光；如果在载物台6上放一平面镜将这平行光反射回来，再经物镜，必成像于焦平面上，于是从目镜中看到的“+”字像与分划板上“ ”形叉丝并无视差。这种调节望远镜使之适于观察平行光的方法称为自准法。如果望远镜光轴与平面镜镜面垂直，则在目镜里看到的小“+” 字像应与分划板上“ ” 形叉丝的上方十字重合。如图4.3-2所示。望远镜筒下面的俯仰调节螺钉13用来调节望远镜的倾斜度。松开望远镜与主轴止动螺钉16（在图背面，与螺钉17相对），并松开望远镜与刻度盘联动螺钉17，可使望远镜9和刻度盘18各自绕主轴转动；若旋紧螺钉17，松开螺钉16，则刻度盘与望远镜一同绕主轴转动；若同时旋紧螺钉16和17，这时调节望远镜微调螺钉15，可使望远镜缓慢绕主轴转动。
（3）载物台6用来放置光学元件，如棱镜、光栅等，台上附有夹持光学元件的簧片5，平台下方有三个调平螺钉7，可调节载物台台面的倾斜度。松开螺钉8可使载物台单独绕分光计主轴转动或升降，以适应不同高度的光学元件。
（4）读数装置由刻度盘18和游标盘19组成。游标盘止动螺钉22用来锁定游标盘，锁定后可用游标盘微调螺钉21进行微调游标盘转动。

图4.3-3 刻度盘与角游标

该读数装置的读数方法与游标卡尺相似。刻度盘的分度值为0.5º，0.5º以下则需用游标盘上的角游标来读数。角游标上的30格与刻度盘上的29格相等，故角游标的最小分度值为1?。读数时应先看角游标零刻线所指的位置，例如图4.3-3所示情形读数为334º30?+17?=334º47?。由于分光计的刻度盘中心与仪器中心轴不可能完全同心，因此将不可避免地产生偏差，称之为偏心误差。偏心误差是仪器本身的系统误差，为消除偏心误差，在分光计的游标盘上某一直径的两端各设一个读数角游标，测量时分别从两个角游标上读出数据，分别计算出望远镜的角位移，再取二者的平均值作为待测角位移的值。这样就消除了刻度盘的偏心误差。多次测量时，每次测量后松开螺钉17使刻度盘相对于望远镜转动任一角度，再旋紧螺钉17，进行下一次测量。这样可消除因刻度盘刻度不均匀而带来的系统误差。
2．用自准法测量三棱镜的顶角

图4.3-4 自准法测棱镜顶角远镜

自准法测三棱角的顶角的原理如图4.3-4所示，三棱镜顶角A正对观测者，固定载物台，固定游标盘。利用望远镜自身的平行光，先使望远镜光轴垂直于三棱镜AB面，记下两个角游标的读数和，然后，再转动望远镜使望远镜光轴垂直于三棱镜AC面，记下两个角标读数和（注意它们的对应关系），两次读数相减即得的补角，故
三棱镜顶角为

注意：若（或）大于180°，则所测量的角度应记为（或）
【实验仪器】
JJY型分光计，汞灯，三棱镜，双面镜。
【实验内容】
分光计的待测状态是：望远镜适合接收平行光，且其光轴垂直于仪器中心轴；平行光管能发出平行光，且其光轴垂直于仪器中心轴；载物台的台面垂直于仪器中心轴。
1．调节望远镜聚焦无穷远

图4.3-5 双面镜在载物台上的位置

(1)点亮小灯，可从目镜视场看到分划板上黑色叉丝线“ ”和其下方的透光“+”字刻线。转动目镜调焦手轮12,调节目镜与叉丝分划板间的距离，使黑色叉丝“ ”清晰。 (2)如图4.3-5（a）所示将双面镜放在载物台上，使双面镜的镜面与载物台下螺钉b、c连线垂直，并过a螺钉。
(3)粗调望远镜倾角螺钉13，使望远镜光轴大致与分光计主轴垂直；粗调载物台下3个螺钉外伸部分等长，约1mm，转动游标盘连同双面镜，使双面镜两面反射的“+”字像都进入镜筒内。
(4)若呈现在分划板上的“+”字像不清晰，说明分划板没有位于物镜的焦平面上，可松开目镜紧锁螺钉10，前后伸缩叉丝分划板套筒，使“+”字像清晰并做到当眼睛左右移动时，“+”字像与叉丝分划板无相对移动，则望远镜已适合接收平行光。
(5)当载物台连同双面镜相对于望远镜转动时，如果叉丝“ ”的水平线与“+”字像的移动方向不平行，说明叉丝“ ”的竖线与仪器中心轴不平行，可松开目镜紧锁螺钉10，微微转动分划板镜筒，使“+”字像运动与叉丝“ ”的水平线平行,然后锁紧螺钉10。
2．用各半法调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴

图4.3-6 绿色十字像分划板上的位置

如图4.3-5（a）所示放置双面镜，若从双面镜反射的“+”字像与“ ”形叉丝的上十字不重合，如图4.3-6（a）所示，可调节载物台螺钉b或c使距离减少一半，如图4.3-6（b）；再调节螺钉13，使距离再减少一半，即“+”字像与“ ”形叉丝的上十字重合，如图4.3-6（c）所示。然后转动游标盘带动双面镜转动180°，重复上述各半调节方法，直至双面镜两面反射的“+”字像都与“ ”形叉丝的上十字重合为止。 3．调节载物台面垂直于仪器中心轴
将双面镜相对于载物台旋转90°，如图4.3-5（b）所示，此时螺钉b、c及螺钉13均不能再动，仅调节螺钉a使镜面反射的“+”字像与“ ”形叉丝的上十字重合。
4．调节平行光管出射平行光
当被光所照亮的狭缝刚好位于准直透镜的焦平面上时，则平行光管出射平行光。松开狭缝紧锁螺钉2，前后伸缩狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中清晰地看到边缘锐利的狭缝像时，即平行光管已出射平行光。然后调节狭缝宽度调节螺钉25，使目镜内狭缝像宽度约1mm即可。
5．调节平行光管光轴垂直于仪器中心轴
转动望远镜，使狭缝像与分划板“ ”形叉丝的竖线重合；调节螺钉24，使狭缝像的中点与分划板圆心重合，说明平行光管与望远镜共轴。
6．调节三棱镜两个光学面平行于分光计主轴

图4.3-7 三棱镜在载物台上的位置

在望远镜光轴已垂直仪器公共转轴的基础上，按图4.3-7放置三棱镜，三棱镜的光学平面AB垂直于载物台螺钉b、c的连线。转动望远镜使其指向光学平面AB，调节螺钉b或c使AB面垂直望远镜光轴；然后转动望远镜指向光学平面AC，调节螺钉a使AC面垂直望远镜光轴（调螺钉a并不影响AB面的倾斜度）。 7．测定三棱镜顶角
(1)锁定螺钉22固定游标盘连同三棱镜，锁定螺钉17使望远镜和刻度盘连动。
(2)先使望远镜指向三棱镜光学面AB，使三棱镜AB光学面反射的“+”字像与“ ”形叉丝的上十字重合，说明望远镜光轴垂直三棱镜AB光学面，记录读数盘两游标读数和。为避免望远镜的滑动，读数前应锁定螺钉16，固定望远镜。这时三棱镜AB光学面反射的“+”字像与“ ”形叉丝的上方十字左右有微小偏离，需调望远镜微调螺钉15使三棱镜AB光学面反射的“+”字像与“ ”形叉丝的上十字重合,即望远镜光轴垂直三棱镜AB光学平面。然后用同样的方法调节望远镜光轴垂直三棱镜AＣ光学面，记录相应的两游标读数和。
（3）松开望远镜和刻度盘连动螺钉17，使刻度盘相对于望远镜转动一角度，再旋紧望远镜和刻度盘连动螺钉17进行下一次测量。如此重复测量6次。
【数据处理】
1．列表记录所有测量数据，依次计算每次测量的值、和。
2．以值作为直接测量量，计算顶角的A类不确定度。
3．计算角游标准确度所引起的B类不确定度。
4．计算的合成不确定度，并正确表示测量结果（P=0.683）。
【注意事项】
1．望远镜、平行光管上的镜头，三棱镜的光学面，双面镜的镜面均不能用手触摸，要轻拿轻放，避免打碎。
2．分光计是较精密的仪器，要倍加爱护，禁止在止动螺钉锁紧时强行转动望远镜和游标盘，以免磨损仪器转轴。
【预习思考题】
1. 分光计由哪几部分组成，各部分的作用是什么？
答：分光计由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成。
（1）平行光管用来提供平行入射光。
(2) 望远镜用来观察和确定光束的行进方向。
(3) 载物台用来放置光学元件。
(4) 读数装置用来测量望远镜转动的角度。
2. 调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴的标志是什么？
答：通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“ ”形叉丝的上十字重合。
3. “+”字像、狭缝像不清晰分别如何调整？
答：（1）“+”字像不清晰说明分划板没有位于物镜的焦平面上，应松开目镜紧锁螺钉，前后伸缩叉丝分划板套筒，使“+”字像清晰并做到当眼睛左右移动时，“+”字像与叉丝分划板无相对移动，然后锁紧目镜紧锁螺钉。
（2）狭缝像不清晰说明狭缝没有位于平行光管准直透镜的焦平面上，应松开狭缝紧锁螺钉，前后伸缩狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中清晰地看到边缘锐利的狭缝像时，然后锁紧狭缝紧锁螺钉。
【分析讨论题】
1. 当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“ ”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？应怎样调节？
答：（1）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“ ”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明载物台没调好，望远镜已水平。应调载物台下调平螺钉b或c，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“ ”形叉丝的上十字重合。
（2）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜不水平，双面镜镜面法线已水平。应调节望远镜倾角螺钉，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“ ”形叉丝的上十字重合。
2. 如何用反射法（一束平行光由三棱镜的顶角入射，在两光学面上分成两束平行光）测三棱镜的顶角？
解：如图所示，由平行光管射出的平行光束照射在三棱镜顶角上，分别射向三棱镜的两个光学面AB和AC，并分别被反射。由反射

反射法光路图

定律和几何关系可证明反射光线1、2的夹角与棱镜顶角关系为先使望远镜接收光线1，记下两个角游标的读数和，然后，再转动望远镜使望远镜接收光线2，记下两个角标读数和，两次读数相减即得，故

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