用分光計(jì)測(cè)定三棱鏡玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)

1、.實(shí)驗(yàn)三 分光計(jì)調(diào)節(jié)及棱鏡玻璃折射率的測(cè)定光線在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射，光線將改變傳播的方向，結(jié)果在入射光與反射光或折射光之間就存在一定的夾角。通過對(duì)某些角度的測(cè)量，可以測(cè)定折射率、光柵常數(shù)、光波波長、色散率等許多物理量。因而精確測(cè)量這些角度，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中顯得十分重要。 分光計(jì)是一種能精確測(cè)量上述要求角度的典型光學(xué)儀器，經(jīng)常用來測(cè)量材料的折射率、色散率、光波波長和進(jìn)行光譜觀測(cè)等。由于該裝置比較精密，控制部件較多而且操作復(fù)雜，所以使用時(shí)必須嚴(yán)格按照一定的規(guī)則和程序進(jìn)行調(diào)整，方能獲得較高精度的測(cè)量結(jié)果。分光計(jì)的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)會(huì)對(duì)它

2、的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復(fù)雜的光學(xué)儀器。對(duì)于初次使用者來說，往往會(huì)遇到一些困難。但只要在實(shí)驗(yàn)調(diào)整觀察中，弄清調(diào)整要求，注意觀察出現(xiàn)的現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論知識(shí)去分析、指導(dǎo)操作，在反復(fù)練習(xí)之后才開始正式實(shí)驗(yàn)，一般也能掌握分光計(jì)的使用方法，并順利地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，掌握調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的方法；2掌握測(cè)定棱鏡角的方法；3用最小偏向角法測(cè)定棱鏡玻璃的折射率?！緦?shí)驗(yàn)儀器】：分光計(jì)（JJY型1），雙面鏡，鈉燈，三棱鏡?！緦?shí)驗(yàn)原理】： 三棱鏡如圖1 所示，AB和AC是透光的光學(xué)表面，又稱折射面，其夾角稱為三棱鏡的頂角；BC為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。圖1三棱鏡

3、示意圖 1反射法測(cè)三棱鏡頂角 如圖2 所示，一束平行光入射于三棱鏡，經(jīng)過AB面和AC面反射的光線分別沿和方位射出，和方向的夾角記為，由幾何學(xué)關(guān)系可知： 圖2反射法測(cè)頂角2最小偏向角法測(cè)三棱鏡玻璃的折射率假設(shè)有一束單色平行光LD入射到棱鏡上，經(jīng)過兩次折射后沿ER方向射出，則入射光線LD與出射光線ER間的夾角稱為偏向角，如圖3所示。 圖3最小偏向角的測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，改變?nèi)肷涔鈱?duì)光學(xué)面AC的入射角，出射光線的方向ER也隨之改變，即偏向角發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，使偏向角逐漸減?。划?dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，若再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動(dòng)，偏向角又將逐漸增大，此位置時(shí)偏向角達(dá)到最小值，測(cè)出最小偏向角

4、?？梢宰C明棱鏡材料的折射率與頂角及最小偏向角的關(guān)系式為實(shí)驗(yàn)中，利用分光鏡測(cè)出三棱鏡的頂角及最小偏向角，即可由上式算出棱鏡材料的折射率?！緦?shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容】：1分光計(jì)的調(diào)整（分光計(jì)結(jié)構(gòu)如右圖所示） 在進(jìn)行調(diào)整前，應(yīng)先熟悉所使用的分光計(jì)中下列螺絲的位置： 目鏡調(diào)焦(看清分劃板準(zhǔn)線)手輪； 望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦(看清物體)調(diào)節(jié)手輪(或螺絲)；調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡高低傾斜度的螺絲；控制望遠(yuǎn)鏡(連同刻度盤)轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；調(diào)整載物臺(tái)水平狀態(tài)的螺絲；控制載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；調(diào)整平行光管上狹縫寬度的螺絲；調(diào)整平行光管高低傾斜度的螺絲；平行光管調(diào)焦的狹縫套筒制動(dòng)螺絲。(1)目測(cè)粗調(diào)。將望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、平行光管用目測(cè)粗調(diào)成水平，并

5、與中心軸垂直(粗調(diào)是后面進(jìn)行細(xì)調(diào)的前提和細(xì)調(diào)成功的保證)。(2)用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡，使其聚焦于無窮遠(yuǎn)。調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪,直到能夠清楚地看到分劃板準(zhǔn)線為止。 接上照明小燈電源，打開開關(guān)，可在目鏡視場(chǎng)中看到如圖4所示的“準(zhǔn)線”和帶有綠色小十字的窗口。 圖4目鏡視場(chǎng) 將雙面鏡按圖5所示方位放置在載物臺(tái)上。這樣放置是出于這樣的考慮：若要調(diào)節(jié)平面鏡的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺絲a1或a2即可，而螺絲a3的調(diào)節(jié)與平面鏡的俯仰無關(guān)。圖5平面鏡的放置 沿望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察可看到平面鏡內(nèi)有一亮十字，輕緩地轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，亮十字也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。但若用望遠(yuǎn)鏡對(duì)著平面鏡看，往往看不到此亮十字，這說明從望遠(yuǎn)鏡射出的光沒有被平面鏡

6、反射到望遠(yuǎn)鏡中。我們?nèi)詫⑼h(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)載物臺(tái)上的平面鏡，調(diào)節(jié)鏡面的俯仰，并轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)讓反射光返回望遠(yuǎn)鏡中，使由透明十字發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后（此時(shí)從物鏡出來的光還不一定是平行光），再經(jīng)平面鏡反射，由物鏡再次聚焦，于是在分劃板上形成模糊的像斑（注意：調(diào)節(jié)是否順利，以上步驟是關(guān)鍵）。然后先調(diào)物鏡與分劃板間的距離，再調(diào)分劃板與目鏡的距離使從目鏡中既能看清準(zhǔn)線，又能看清亮十字的反射像。注意使準(zhǔn)線與亮十字的反射像之間無視差，如有視差，則需反復(fù)調(diào)節(jié)，予以消除。如果沒有視差，說明望遠(yuǎn)鏡已聚焦于無窮遠(yuǎn)。 (3)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸，使之與分光計(jì)的中心軸垂直。 平行光管與望遠(yuǎn)鏡的光軸各代表入射光和出射光的方向。為了測(cè)準(zhǔn)角度，

7、必須分別使它們的光軸與刻度盤平行?？潭缺P在制造時(shí)已垂直于分光計(jì)的中心軸。因此，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡與分光計(jì)的中心軸垂直時(shí)，就達(dá)到了與刻度盤平行的要求。具體調(diào)整方法為：平面鏡仍豎直置于載物臺(tái)上，使望遠(yuǎn)鏡分別對(duì)準(zhǔn)平面鏡前后兩鏡面，利用自準(zhǔn)法可以分別觀察到兩個(gè)亮十字的反射像。如果望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的中心軸相垂直，而且平面鏡反射面又與中心軸平行，則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中可以兩次觀察到由平面鏡前后兩個(gè)面反射回來的亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線完全重合，如圖6（c）所示。若望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸不垂直，平面鏡反射面也不與中心軸相平行，則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中觀察到的兩個(gè)亮十字反射像必然不會(huì)同時(shí)與分劃板準(zhǔn)線的

8、上部十字線重合，而是一個(gè)偏低，一個(gè)偏高，甚至只能看到一個(gè)。這時(shí)需要認(rèn)真分析，確定調(diào)節(jié)措施，切不可盲目亂調(diào)。重要的是必須先粗調(diào)：即先從望遠(yuǎn)鏡外面目測(cè)，調(diào)節(jié)到從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)能觀察到兩個(gè)亮十字像；然后再細(xì)調(diào)：從望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中觀察，當(dāng)無論以平面鏡的哪一個(gè)反射面對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，均能觀察到亮十字時(shí)，如從望遠(yuǎn)鏡中看到準(zhǔn)線與亮十字像不重合，它們的交點(diǎn)在高低方面相差一段距離如圖6(a)所示。此時(shí)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡高低傾斜螺絲使差距減小為h/2，如圖6(b)所示。再調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的水平調(diào)節(jié)螺絲，消除另一半距離，使準(zhǔn)線的上部十字線與亮十字線重合，如圖6(c)所示。之后，再將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o ，使望遠(yuǎn)鏡對(duì)著平面鏡的另一面，采用同樣的

9、方法調(diào)節(jié)。如此反復(fù)調(diào)整，直至轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從平面鏡前后兩表面反射回來的亮十字像都能與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合為止。這時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計(jì)的中心軸相垂直，常稱這種方法為逐次逼近各半調(diào)整法。 圖6 亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的位置關(guān)系 （4）調(diào)整平行光管 用前面已經(jīng)調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)平行光管。當(dāng)平行光管射出平行光時(shí)，則狹縫成像于望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦平面上，在望遠(yuǎn)鏡中就能清楚地看到狹縫像，并與準(zhǔn)線無視差。 調(diào)整平行光管產(chǎn)生平行光。取下載物臺(tái)上的平面鏡，關(guān)掉望遠(yuǎn)鏡中的照明小燈，用鈉燈照亮狹縫，從望遠(yuǎn)鏡中觀察來自平行光管的狹縫像，同時(shí)調(diào)節(jié)平行光管狹縫與透鏡間的距離，直至能在望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像為止，然后調(diào)節(jié)縫

10、寬使望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的縫寬約為1mm。 調(diào)節(jié)平行光管的光軸與分光計(jì)中心軸相垂直。望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像后，轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫（但不能前后移動(dòng)）至水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫水平像被分劃板的中央十字線上、下平分，如圖7(a)所示。這時(shí)平行光管的光軸已與分光計(jì)中心軸相垂直。再把狹縫轉(zhuǎn)至鉛直位置，并需保持狹縫像最清晰而且無視差，位置如圖7(b)所示。圖7狹縫像與分劃板位置 至此分光計(jì)已全部調(diào)整好，使用時(shí)必須注意分光計(jì)上除刻度圓盤制動(dòng)螺絲及其微調(diào)螺絲外，其它螺絲不能任意轉(zhuǎn)動(dòng)，否則將破壞分光計(jì)的工作條件，需要重新調(diào)節(jié)。 2. 測(cè)量 在正式測(cè)量之前，請(qǐng)先弄清你所使用的分光計(jì)中下列各螺絲的位置：控制望遠(yuǎn)鏡（連

11、同刻度盤）轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；控制望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)的螺絲。(1)用反射法測(cè)三棱鏡的頂角 如圖2 所示，使三棱鏡的頂角對(duì)準(zhǔn)平行光管，開啟鈉光燈，使平行光照射在三棱鏡的AC、AB面上，旋緊游標(biāo)盤制動(dòng)螺絲，固定游標(biāo)盤位置，放松望遠(yuǎn)鏡制動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）尋找AB面反射的狹縫像，使分劃板上豎直線與狹縫像基本對(duì)準(zhǔn)后，旋緊望遠(yuǎn)鏡螺絲，用望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲使豎直線與狹縫完全重合，記下此時(shí)兩對(duì)稱游標(biāo)上指示的讀數(shù)、。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡至AC面進(jìn)行同樣的測(cè)量得、?？傻?三棱鏡的頂角為 重復(fù)測(cè)量三次取平均。(2) 棱鏡玻璃折射率的測(cè)定 分別放松游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡的制動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤（連同三棱鏡）使平行光射入三棱鏡的AC面，如圖

12、3 所示。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡在AB面處尋找平行光管中狹縫的像。然后向一個(gè)方向緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤（連同三棱鏡）在望遠(yuǎn)鏡中觀察狹縫像的移動(dòng)情況，當(dāng)隨著游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動(dòng)而向某個(gè)方向移動(dòng)的狹縫像，正要開始向相反方向移動(dòng)時(shí)，固定游標(biāo)盤。輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使分劃板上豎直線與狹縫像對(duì)準(zhǔn)，記下兩游標(biāo)指示的讀數(shù)，記為、；然后取下三棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使它直接對(duì)準(zhǔn)平行光管，并使分劃板上豎直線與狹縫像對(duì)準(zhǔn)，記下對(duì)稱的兩游標(biāo)指示的讀數(shù)，記為 、，可得重復(fù)測(cè)量三次求平均。用上式求出棱鏡的折射。列表記錄所有的數(shù)據(jù)，表格自擬?！咀⒁馐马?xiàng)】： 1望遠(yuǎn)鏡、平行光管上的鏡頭，三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、揩。如發(fā)現(xiàn)有塵埃時(shí)，應(yīng)該用鏡頭紙輕輕揩擦。三棱鏡、平面鏡不準(zhǔn)磕碰或跌落，以免損壞。 2分光計(jì)是較精密的光學(xué)儀器，要加倍愛護(hù)，不應(yīng)在制動(dòng)螺絲鎖緊時(shí)強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，也不要隨意擰動(dòng)狹縫。 3在測(cè)量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計(jì)的幾個(gè)制動(dòng)螺