大學物理實驗分光計實驗報告.doc

分光計法測光柵常數(shù)3.7 分光計的調(diào)節(jié)及光柵常數(shù)的測定分光計又稱光學測角儀，是一種分光測角光學實驗儀器。它常用來測量折射率、色散率、光波波長、光柵常數(shù)和觀測光譜等。分光計是一種具有代表性的基本光學儀器，學好分光計的調(diào)整和使用，可為今后使用其他精密光學儀器打下良好基礎。3.7.1 分光計的調(diào)節(jié)【實驗目的】了解分光計的結(jié)構(gòu)和基本原理，學習調(diào)整和使用方法。【分光計的結(jié)構(gòu)和原理】分光計主要由五個部分構(gòu)成：底座、平行光管、自準直望遠鏡、載物臺和讀數(shù)裝置。不同型號分光計的光學原理基本相同。JJY型分光計如圖3-7-1所示。12357648916101218(back)17111514131920212223圖3-7-1 JJY型分光計1狹縫裝置 2狹縫裝置鎖緊螺釘 3平行光管 4元件夾 5望遠鏡 6目鏡鎖緊螺釘 7阿貝式自準直目鏡 8狹縫寬度調(diào)節(jié)旋鈕 9平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺釘 10平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘 11游標盤止動螺釘 12游標盤微調(diào)螺釘 13載物臺調(diào)平螺釘（3只） 14度盤 15游標盤 16度盤止動螺釘 17底座 18望遠鏡止動螺釘 19載物臺止動螺釘 20望遠鏡微調(diào)螺釘 21望遠鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺釘 22望遠鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘 23目鏡視度調(diào)節(jié)手輪1底座分光計底座（17）中心固定有一中心軸，望遠鏡、度盤和游標盤套在中心軸上，可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。2平行光管平行光管安裝在固定立柱上，它的作用是產(chǎn)生平行光。平行光管由狹縫和透鏡組成，如圖3-7-2。狹縫寬度可調(diào)（范圍0.022mm），透鏡與狹縫間距可以通過伸縮狹縫筒進行調(diào)節(jié)。當狹縫位于透鏡焦平面上時，由狹縫經(jīng)過透鏡出射的光為平行光。圖3-7-2 平行光管3自準直望遠鏡阿貝式自準直望遠鏡安裝在支臂上，支臂與轉(zhuǎn)座固定在一起并套裝在度盤上。它用來觀察和確定光線行進方向。自準直望遠鏡由物鏡、目鏡、分劃板等組成（如圖3-7-3），三者間距可調(diào)。其中，分劃板上刻有“”形叉絲；分劃板下方與一塊45全反射小棱鏡的直角面相貼，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上劃有一個“十”形透光的窗口，當小電珠光從管側(cè)經(jīng)另一直角面入射到棱鏡上，即照亮“十”字窗口。調(diào)節(jié)目鏡，使目鏡視場中出現(xiàn)清晰的“”形叉絲。在物鏡前方放置一平面鏡，然后調(diào)節(jié)物鏡，使分劃板位于物境焦平面上，那么從棱鏡“十”字口發(fā)出的綠光經(jīng)物鏡后成為平行光射向前方平面境，其反射光又經(jīng)物鏡成像于分劃板上。這時，從目鏡中可以看到清晰的“”形叉絲和綠色“十”字像。此時望遠鏡已調(diào)焦至無窮遠，適合觀察平行光了。如果平面境的法線與望遠鏡光軸方向一致，則綠色“十”字像位于分劃板“”形叉絲的上橫線上，如圖3-7-3中的視場。圖3-7-3 阿貝式自準直望遠鏡的構(gòu)造1平面鏡 2物鏡 3分化板 4小電珠 5小棱鏡 6目鏡7目鏡視場 8綠十字反射鏡 4載物臺載物臺套裝在游標盤上，可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，它用來放置光學元件。載物臺的高低、水平狀態(tài)可調(diào)。5讀數(shù)裝置讀數(shù)裝置由度盤和游標盤組成。度盤圓周被分為720份，分度值為30，30以下需用游標來讀數(shù)。游標盤采用相隔180的雙窗口讀數(shù)；游標上的30格與度盤上的29格角度相等，故游標的最小分度值為1，圖3-7-4所示的位置應讀作113 45。圖3-7-4 角游標的讀法采用雙游標讀數(shù)，是為了消除度盤中心與儀器中心軸不重合而引起的偏心差。測量時記錄下兩個窗口讀數(shù)然后取平均值即可。如圖3-7-5所示，當度盤中心O與分光計中心軸O不重合時，轉(zhuǎn)過角度所對應游標數(shù)和PQ均不等于OO重合時轉(zhuǎn)過角所對應正確讀數(shù)和，但根據(jù)平面幾何知識很容易證明：，采用雙游標可使偏心差得以消除。圖3-7-5 偏心差圖示【實驗步驟】在進行分光計的調(diào)節(jié)前，首先應明確對分光計的調(diào)節(jié)要求：望遠鏡適合觀察平行光，或稱望遠鏡聚焦于無窮遠；平行光管能發(fā)射平行光；望遠鏡和平行光管的光軸均與分光計中心軸正交。然后對照儀器熟悉結(jié)構(gòu)和各調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔谩Ｒ?、目測粗調(diào)用眼睛直接觀察，調(diào)節(jié)望遠鏡和平行光管的光軸高低調(diào)節(jié)螺釘（22和9），使兩者的光軸盡量呈水平狀態(tài)；調(diào)節(jié)載物臺下三只調(diào)平螺釘13，使載物臺呈水平狀態(tài)。粗調(diào)完成得好，可以減少后面細調(diào)的盲目性，使實驗順利進行。二、細調(diào)1調(diào)節(jié)望遠鏡合適觀察平行光（1）目鏡的調(diào)焦。調(diào)節(jié)目鏡視度調(diào)節(jié)手輪23，使視場中能看到分劃板上清晰的“”形叉絲像。（2）接通望遠鏡燈源，把平面鏡按圖3-7-6所示位置放在載物臺上，緩慢轉(zhuǎn)動載物臺，從望遠鏡中可見一光斑，若找不到說明粗調(diào)未調(diào)好，這時可用眼睛觀察平面鏡，找到反射光束，調(diào)節(jié)載物臺和望遠鏡光軸位置，使望遠鏡能接收到反射光束，從目鏡視場中看到光斑。圖3-7-6 平臺鏡在載物臺上的位置（3）望遠鏡的調(diào)焦。松開目鏡鎖緊螺釘6，前后移動目鏡筒，當光斑變?yōu)榍逦木G“十”字像，并且與分劃板“”形叉絲無視差時，望遠鏡已調(diào)焦至無窮遠，適合觀察平行光了。2調(diào)節(jié)望遠鏡光軸垂直于分光計中心軸轉(zhuǎn)動載物臺180，觀察視場中有無綠“十”字像，若沒有則應適當調(diào)節(jié)載物臺水平和望遠鏡光軸的高低，直至任意轉(zhuǎn)動載物臺180均能在望遠鏡中看到經(jīng)平面鏡正、反兩面反射的綠“十”字像。從前面分光計的調(diào)節(jié)原理知道，當望遠鏡光軸垂直于分光計中心軸時，經(jīng)平面鏡正、反兩面反射的“十”字像均應重合在分劃板“”叉絲的上的橫絲上（如圖3-7-7所示）。在一般情況下，視場中看到兩面綠“十”字像并不重合，需要繼續(xù)仔細配合調(diào)節(jié)載物臺和望遠鏡?？上日{(diào)載物臺調(diào)平螺釘（a2或a3）使綠“十”字像到“”形叉絲上橫絲距離減少一半；再調(diào)望遠鏡光軸的俯仰調(diào)節(jié)螺釘使綠“十”字像與上橫絲重合。然后轉(zhuǎn)動載物臺180，重復上面調(diào)節(jié)步驟，反復幾次即可調(diào)好。此后望遠鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘不可再動。圖3-7-73調(diào)節(jié)載物平臺法線與分光計中心軸平行將平面鏡相對載物臺轉(zhuǎn)動90，然后轉(zhuǎn)動載物臺90，調(diào)平臺調(diào)平螺釘a1使平面鏡反射的綠“十”字像與“”形叉絲上橫形重合。4調(diào)節(jié)平行光管能發(fā)射平行光關(guān)閉望遠鏡燈源，點燃光源使光照亮平行光管狹縫。用已調(diào)好的望遠鏡對準平行光管觀察，松開狹縫裝置鎖緊螺釘2，前后移動狹縫套筒，使望遠鏡中看到清晰的狹縫像，并且與叉絲無視差，此時平行光管發(fā)出平行光；調(diào)節(jié)狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪8，從望遠鏡中觀察到縫寬約1mm左右。5調(diào)節(jié)平行光管光軸垂直于分光計中心軸松開狹縫裝置鎖緊螺釘2，轉(zhuǎn)動狹縫成水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺釘9，使望遠鏡中看到狹縫像的縫寬被分劃板中央橫絲上下平分（如圖3-7-8所示），再轉(zhuǎn)動狹縫90成豎直狀態(tài)，狹縫被中央橫絲上下平分。此時，平行光管光軸與分光計中心軸垂直。在調(diào)節(jié)過程中應始終保持狹縫像清晰。圖3-7-8 3.7.2 光柵常數(shù)的測定衍射光柵是由大量平行、等寬、等距的狹縫（或刻痕）構(gòu)成，常分為透射光柵和反射光柵，是一種精密的分光元件?！緦嶒災康摹浚?）觀察光柵衍射現(xiàn)象，理解光柵衍射基本規(guī)律。（2）學會用分光計測光柵常數(shù)?！緦嶒炘怼吭O透射光柵的縫寬為，不透光部分寬度為，稱為光柵常數(shù)。當單色平行光垂直入射到衍射光柵上，通過每個縫的光都將發(fā)生衍射，不同縫的光彼此干涉，當衍射角滿足光柵方程 （3-7 -1）時，光波加強，產(chǎn)生主極大。若在光柵后加一會聚透鏡，則在其焦平面上形成分隔開的對稱分布的細銳明條紋（見圖*-9）。（a） （b）1光柵 2透鏡 3光強分布圖 光柵衍射條紋圖3-7-9 光柵衍射原理圖在式（3-7-1）中，為單色光波長，是明條紋級數(shù)。如果光源是包含有不同波長光波的復色光，經(jīng)光柵衍射后，對不同波長的光，除零級外，由于同一級主極大有不同的衍射角，因此在零級主極大兩邊出現(xiàn)對稱分布、按波長次序排列的譜線，稱為光柵光譜。根據(jù)光柵方程，若以已知波長的單色平行光垂直入射，只要測出對應級次條紋的衍射角，即可求出光柵常數(shù)d。同樣，若d已知，即可求得入射光波長?！緦嶒瀮x器】分光計（JJY型），衍射光柵，光源（鈉光燈）【實驗內(nèi)容】（1）按練習一的要求調(diào)節(jié)好分光計。（2）將衍射光柵放在載物臺上（按圖3-7-6中平面鏡位置）。（3）調(diào)節(jié)光柵平面與望遠鏡光軸垂直。接通望遠鏡燈源，仔細觀察被光柵平面反射的“十”字像，調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘或，使“十”字像與分劃板“”形叉形上橫絲重合。（4）調(diào)節(jié)光柵的刻痕線平行于分光計中心軸。轉(zhuǎn)動望遠鏡，觀察衍射條紋，仔細調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘a1，使視場中見到的各級亮紋都被分化板中央橫絲上下等分。（5）測量衍射角（本實驗中測量左右級條紋的夾角即2），固定游標盤和載物臺，推動支臂使望遠鏡和度盤一起轉(zhuǎn)動，將望遠鏡分劃板豎直線移至左邊第三級條紋外，然后向右推動支臂使分劃板豎直線靠近第三級明紋的左邊緣（或右邊緣），利用望遠鏡微調(diào)螺釘（20）使條紋邊緣與分劃板豎線嚴格對準，記錄此時游標盤左、右窗讀數(shù)和，繼續(xù)向右移動望遠鏡依次記錄左邊第二級、第一級明紋讀數(shù)和以及右邊一、二、三級明紋讀數(shù)和，各級條紋都以對準左邊緣（或右邊緣）時讀數(shù)。【數(shù)據(jù)處理】（1）按下式計算第級衍射角：（2）按式（3-7-1）計算： （3）計算光柵常數(shù)d的標準不確定度：簡化處理，以時的近似表示。衍射角測量的儀器誤差限： 弧度， 忽略的不確定度d1的擴展不確定度（4）寫出結(jié)果表達式：譜線(內(nèi)測線=588.996nm（外側(cè)線）=589.593nm級K1212游標標記 左游標右游標左游標右游標左游標右游標左游標右游標右側(cè)明紋24412640021850384624