北航基礎物理實驗研究性實驗報告_分光儀的調整及應用

1、.北京航空航天大學物理研究性實驗報告分光儀的調整及其應用精品.第一作者： 所在院系： 就讀專業(yè)： 第二作者： 所在院系： 就讀專業(yè)： 精品.目 錄目錄一.報告簡介1二.實驗原理1實驗一.分光儀的調整1實驗二.三棱鏡頂角的測量3實驗三.最小偏向角法測棱鏡折射率1二實驗儀器1三.實驗主要步驟2實驗 1.分光儀的調整21.調整方法22.要求4實驗 2.三棱鏡頂角的測量41.調整要求42.實驗操作5實驗3.棱鏡折射率的測定（最小偏向角法）6四.實驗數(shù)據(jù)記錄6五.數(shù)據(jù)處理7實驗2.反射法測三棱鏡頂角7實驗3.最小偏向角法測棱鏡折射率7六.誤差分析8七.分析總結8八.實驗改進9九.實驗感想10十.參考文獻

2、及圖片附件：11精品.一.報告簡介本報告以分光儀的調整、三棱鏡頂角和其折射率的測量為主要內容，先介紹了實驗的基本原理與過程，而后進行了數(shù)據(jù)處理與不確定度計算。并以實驗數(shù)據(jù)對誤差的來源進行了分析。同時還給出了調節(jié)分光儀的經(jīng)驗總結與方法，并對現(xiàn)有實驗儀器和試驗方法提出了改進的意見。二.實驗原理實驗一.分光儀的調整 分光儀的結構因型號不同各有差別，但基本原理是相同的，一般都由底座、刻度讀數(shù)盤、自準直望遠鏡、平行光管、載物平臺5部分組成。1-狹縫套筒；2-狹縫套筒緊固螺釘；3-平行光管；4-制動架；5-載物臺；6-載物臺調平螺釘；7-載物臺鎖緊螺釘；8-望遠鏡；9-望遠鏡鎖緊螺釘；10-阿貝式自準直目

3、鏡；11-目鏡；12-仰角螺釘；13-望遠鏡光軸水平螺釘；14-支臂；15-望遠鏡轉角微調螺釘；16-讀數(shù)刻度盤止動螺釘；17-制動架；18-望遠鏡止動螺釘；19底座；20-轉座；21-讀數(shù)刻度盤；22-游標盤；23-立柱；24-游標盤微調螺釘；25-游標盤止動螺釘精品.；26-平行光管光軸水平螺釘；27-仰角螺釘；28-狹縫寬度調節(jié)螺釘； 1.三角底座在三角底座中心，裝有一個垂直的固定軸，望遠鏡、主刻度圓盤、游標刻度盤都可繞它旋轉。這一固定軸稱為分光儀的主軸。2.刻度圓盤圓盤上刻有角度數(shù)值的稱主刻度盤，在其內側有一游標盤，在游標盤上相對 180處刻有兩個游標。主刻度盤和游標刻度盤都垂直于儀器

4、主軸，并可繞主軸轉動。讀數(shù)系統(tǒng)由主刻度盤和游標盤組成，沿度盤一周刻有360個大格，每格 1，每大格又分成兩小格，所以每小格為 30?？潭缺P內側有一游標盤。主刻度盤可以和望遠鏡一起轉動，游標盤可以和載物臺一起轉動。游標盤在它的對徑方向有兩個游標刻度，游標刻度的30個小格對應主刻度盤刻度的 29個小格，所以這一讀數(shù)系統(tǒng)的準確度為 1。它的讀數(shù)原理 與游標卡尺全相同。游標刻度圓盤與分光儀的中心轉軸垂直（分光儀出廠時已調整好）。由于刻度圓盤的中心與中心轉軸的中心制作時不能完全重合，因此在讀數(shù)時會產(chǎn)生偏心差。3.載物平臺載物臺是用來放置平面鏡、棱鏡等光學元件的，它與游標盤通過螺釘 7相互鎖定，擰緊螺絲

5、7后，載物臺可和游標盤一起繞分光計的轉軸轉動。螺絲 25是游標盤的止動螺釘，擰緊時不能再強制轉動游標盤，否則亦會損壞儀器。螺絲 24是游標盤的微調螺絲。當螺絲擰緊后，游標盤不能繞軸轉動，用它可以使游標盤繞軸作微小轉動。載物臺下有三只調節(jié)螺絲6?？烧{節(jié)臺面的傾斜度。4.自準直望遠鏡精品.自準直望遠鏡由目鏡、全反射棱鏡、叉絲分劃板及物鏡組成。目鏡裝在a筒中，全反射棱鏡和叉絲分劃板裝在 b筒內，物鏡裝在 c筒頂部，a 筒通過手輪可在 b筒內前后移動，b 筒可在 c 筒內移動。叉絲分劃板上刻有雙十字形叉絲和透光小十字刻線，并且上叉絲與小十字刻線對稱于中心叉絲，全反射棱鏡緊貼其上。開啟光源 s 時，光線

6、經(jīng)全反射棱鏡照亮小十字刻線。當小十字刻線平面處在物鏡的焦平面上時，從刻線發(fā)出的光線經(jīng)物鏡成平行光。 如果有一平面鏡將這個平行光反射回來，再經(jīng)物鏡，必成像與焦平面上，于是從目鏡中可以同時看到叉絲和小十字刻線的反射像，并且無視差。如果望遠鏡光軸垂直于平面反射鏡，反射像將與上叉絲重合。這種調望遠鏡使之適于觀察平行光的方法稱為自準直法，這種望遠鏡稱為自準直望遠鏡。5.平行光管平行光管與底座固連，靠近儀器主軸的一端裝有平行光管的物鏡，另一端裝有可調狹縫套管，前后移動套管，使狹縫處在物鏡的焦平面上，于是由狹縫產(chǎn)生的光通過物鏡后成平行光。實驗二.三棱鏡頂角的測量 反射法測頂角須使入射光經(jīng) ab、ac 面反射

7、后能通過望遠鏡，而望遠鏡是繞主 軸旋轉的，所以ab 和 ac 面的反射平行光 必須經(jīng)過主軸才能進入望遠鏡。只有頂角 a 處于主軸中心 o 附近時，ab、ac 面的反 射光才能進入望遠鏡，所以測量頂角時，應盡量將頂角 a 平移靠近主軸中心處。測量原理：旋轉載物臺至三棱鏡頂角a對準平行光管，使部分平光由 ab 面反射；另一部分平行光由ac 面反射。當望遠鏡在 i 位置觀察到ab 面反射的狹縫像，在 ii位置觀察到 ac面反射的狹縫像時，望遠鏡轉過了角度所以由圖得精品. = a + 1 + 2又因為a = 1 + 2故有a=/2精品.實驗三.最小偏向角法測棱鏡折射率將待測的光學玻璃制成三棱鏡，可用最

8、小偏向角法測其折射率n測量原理見圖，光線代表一束單色平行光，以入射角i1投射到棱鏡的ab面上，經(jīng)棱鏡兩次折射后以i4角從另一面ac射出來，成為光線t.經(jīng)棱鏡兩次折射，光線傳播方向總的變化可用入射光線和出射光線t延長線的夾角來表示，稱為偏向角由圖1可知(i1i2)(i4i3)i1i4-a.此式表明，對于給定棱鏡，其頂角a和折射率n已定，則偏向角隨入射角i1而變，是i1的函數(shù).用微商計算可以證明，當i1=i4或i2=i3時，即入射光線a和出射光線t對稱地“站在”棱鏡兩旁時，偏向角有最小值，稱為最小偏向角，用m表示.此時，有i2a/2，i1(am)/2，故用分光計測出棱鏡的頂角a和最小偏向角m，可求

9、得棱鏡的折射率n。二實驗儀器分光儀、平面反射鏡、三棱鏡、鈉燈、電源。精品.三.實驗主要步驟實驗 1.分光儀的調整1.調整方法分光儀常用于測量入射光與出射光之間的角度，為了能夠準確測量此角度，必須滿足兩個條件：1.入射光與出射光均為平行光；2.入射光與出射光都與刻度盤平面平行。為此必須對分光儀進行調整：使平行光管發(fā)出平行光，其光軸垂直于儀器主軸；使望遠鏡接受平行光，其光軸垂直于儀器主軸；須調節(jié)載物平臺，使其上旋轉的分光云件的光學平面平行于儀器主軸。下面介紹調整方法。a.粗調調節(jié)水平調節(jié)螺釘，使望遠鏡居支架中央，并目測調節(jié)望遠鏡俯仰螺釘，使光軸大致與主軸垂直，調節(jié)載物平臺下方 3 只螺釘外伸部分等

10、長，使平臺平面大致與主軸垂直。這些粗 調對于望遠鏡光軸的順利調整至關重要。b.調整望遠鏡望遠鏡調焦于無窮遠調節(jié)要求：根據(jù)自準直原理，當叉絲位于物鏡焦平面時，叉絲與小十字刻線的反射像共面，即綠十字與叉絲無視差，此時望遠鏡只接受平行光，或稱望遠鏡調焦于無窮遠。調節(jié)方法：在載物平臺上放置平面反射鏡，構成如圖所示自準直光路。開啟內藏照明光泡，照明透光小十字形刻線。調節(jié)目鏡 a（轉動目鏡筒手輪 a，筒壁螺紋結構使 a筒在 b筒內前后移動），改變目鏡與叉絲分劃板間的距離，直至看清分劃板上的 雙十字形叉絲。旋轉載物臺，改變平面反射鏡沿水平方向的方位，若平面反射鏡大的鏡面在俯仰方向上已大致垂直于望遠鏡光軸，則

11、在選擇載物臺的過程中，總可以在某一位置，通過目鏡看到一個綠色十字，如看不到則應視情況調節(jié)望遠鏡下方的俯仰螺釘或載物臺下方的 b（或 c）螺釘，再一次粗調望遠鏡光軸大致與平面反射鏡的鏡面垂直。前后伸縮叉絲分劃板套筒 b，改變叉絲與物精品.鏡之間的距離，直到在目鏡中清晰無視差地看到一個明亮的綠色小十字為止。調整望遠鏡光軸與儀器主軸垂直 調整原理：若望遠鏡光軸垂直于平面反射鏡鏡面，且平面鏡鏡面平行于儀器主軸，則望遠鏡光軸必垂直于儀器主軸。此時若將載物臺繞儀器主軸轉 180，使平面鏡的另一面對準望遠鏡，望遠鏡仍將垂直于平面鏡。若望遠鏡光軸開始時垂直于平面鏡，但不垂直于主軸，亦即平面鏡鏡面不平行于主軸，

12、則將平面鏡 反轉 180后，望遠鏡光軸不再垂直于平面鏡鏡面。由光路成像原理可知，當望遠鏡光軸垂直于平面鏡鏡面時，反射像綠十字與上叉絲重合。若同時有平面鏡鏡面平行于儀器主軸，則平面鏡反轉 180后，仍有望遠鏡光軸與平面鏡垂 直，綠十字仍與上叉絲重合。此時必有望遠鏡光軸垂直于主軸。若平面鏡鏡面不平行于儀器 主軸，則平面鏡反轉 180后，綠十字與上叉絲將不再重合。 調整方法：在望遠鏡調焦于無窮遠的基礎上，觀察綠色小十字，一般它會偏離上叉絲，調節(jié) 載物臺調平螺釘 b 或 c，使綠色小十字向上叉絲移近 1/2 的偏離距離，再調節(jié)望遠鏡俯仰調 節(jié)螺釘，使綠色小十字與上叉絲重合，這時，望遠鏡光軸與平面鏡鏡面

13、垂直。將平面鏡反轉180，重復調節(jié)載物臺調平螺釘 b 或 c，并調節(jié)望遠鏡俯仰調節(jié)螺釘，使綠色小十字各自消除 1/2 與上叉絲的偏離量，再次使望遠鏡光軸與平面鏡鏡面垂直。如此重復幾次，直至平面鏡繞主軸旋轉 180，綠色小十字始終都落在上叉絲中心為止。這種方法被稱為半調法。調整叉絲分劃板的縱絲與主軸平行 分劃板的上叉絲與縱絲是相互垂直的。當縱絲與主軸不平行時，繞主軸轉動望遠精品.鏡，在望遠鏡視場中，會看到綠色小十字的運動軌跡與上叉絲相交。只要微微轉動鏡筒 b，達到綠色小十字的運動軌跡與上叉絲重合，叉絲方向就調好了。c.平行光管的調整使平行光管產(chǎn)生平行光當被光所照明的狹縫剛好位于透鏡的焦平面上時，

14、平行光管出射平行光。調整方法：將已調節(jié)好的望遠鏡對準平行光管，擰動狹縫寬度調節(jié)手輪，打開狹縫，松開狹縫套筒鎖緊螺釘，前后移動狹縫套筒，當在已調焦無窮遠的望遠鏡目鏡中無視差地看到邊緣清晰的狹縫像時，平行光管即發(fā)出平行光。調平行光管光軸與儀器主軸垂直 望遠鏡光軸已垂直主軸，若平行光管與其共軸，則平行光管光軸同樣垂直主軸。調整方法：旋轉玩觀景至觀察到狹縫像，調整平行光管俯仰調節(jié)螺釘，使狹縫像的中點與中心叉絲重合（中心叉絲與狹縫中點都可視為望遠鏡與平行光管光軸所垂直通過的地方） ;或將狹縫橫放，調平行光管俯仰調節(jié)螺釘至狹縫的固定邊與中心叉絲重合。2.要求1.平面鏡反射回來的綠十字與叉絲無視差。2.平面

15、鏡正、反兩面反射回來的綠十字均與上叉絲重合，且轉動平臺過程中綠十字沿上叉絲移動。3.狹縫像與叉絲無視差，且中點與中心叉絲等高。實驗 2.三棱鏡頂角的測量1.調整要求如圖所示，欲測三棱鏡頂角，必須使望遠鏡的光軸旋 轉平面垂直于待測頂角 a 的兩光學平面 精品.ab 面和 ac 面，即望遠鏡分別對準 ab 面和 ac面時均應有綠色十字與上叉絲重合。如圖所示，逆時針方向稱三棱鏡的三個頂角為 a、b、c，ab、ac 構成待測頂角 a的光學面，bc 為磨砂面。放置時，令三棱鏡的 ab(bc，ac)邊平行于載物臺上的經(jīng)線 oa（ob、oc）。這樣一來，在調節(jié) oa（oc）線下的調平螺釘 a(c)時，整個棱

16、鏡將以 bc（ba）為軸轉動， 由于 ab(ac)面與 bc(ba)垂直，故不會影響 ab(ac)面與儀器主軸的相對關系。調三棱鏡的 ab 面和 ac 面與望遠鏡光軸垂直先用自準直法調 ab 面與望遠鏡光軸垂直，如不垂直，可調節(jié)調平螺釘 b 或 c；再轉動 載物臺將 ac 面轉向望遠鏡，此時可且只可調節(jié)調平螺釘 a，使 ac 面與望遠鏡光軸垂直，因 為調 a 不會破環(huán)已調好的 ab 面與望遠鏡光軸的垂直關系。最后將三棱鏡放置于載物臺上，使待測頂角 a 靠近中心，并使其一個光學面與載物臺上的某根經(jīng)線平行，用壓桿固定好棱 鏡。將望遠鏡對準三棱鏡某光學平面，調節(jié)與另一光學平面平行的載物臺經(jīng)線螺釘，使

17、綠色 十字與上叉重合。同理再調整另一光學平面。調節(jié)過程中應注意，三棱鏡的放置與調平螺釘?shù)恼{節(jié)，要遵循調整第二面的方位時不致改變第一面的方位的原則。2.實驗操作1.調整三棱鏡將三棱鏡放置于載物臺上，使帶測頂角 a 靠近中心，并使其一個光學面與載物臺上的某根徑線平行，用壓桿固定好棱鏡。將望遠鏡對準三棱鏡某光學平面，調節(jié)與另一光學平面 平行的載物臺徑線下螺釘，使綠色十字與上叉絲重合。同理再調整另一光學平面。注：不需使用半調法，因為望遠鏡已垂直于分光儀軸線。2.用反射法或自準直法則測棱鏡頂角 為了準確測量三棱鏡頂角，除了嚴格調整分光儀和三棱鏡之外，尚須準確讀取數(shù)據(jù)和掌握正確的讀數(shù)測量方法。精品.實驗3

18、.棱鏡折射率的測定（最小偏向角法）實驗操作旋轉載物臺，使平行光入射三棱鏡的 ab 面，用望遠鏡在 ac 面觀察折射光線，之后沿某方向緩慢轉動平臺，可看到譜線隨平臺轉動向同一個方向移動，當移到某個位置時突然向 反方向折回，這一轉折位置即該譜線的最小偏向位置。測量此位置處譜線與入射光線的夾角，此即最小偏向角min。四.實驗數(shù)據(jù)記錄實驗2.反射法測三棱鏡頂角11221803026029200302031+360216605346052860510606+36032543474361435+3601943541000190011295831000531641136397635+36025641實驗3.

19、最小偏向角法測棱鏡折射率1122136232162488232682128546265481374631746315717337172091529174226274623278229826529333113273453016530精品.五.數(shù)據(jù)處理實驗2.反射法測三棱鏡頂角由=1/2(1+2)=1/2(2-1)+( 2-1)a=1/2可得： a1a2a3a4a5a60.00860.00460.00059.98759.98359.996計算不確定度：ua(a)=(ai-a )2k(k-1)=0.00487ub(a)=11603=0.009622所以有：u(a)=ua(a)2+ub(a)2=0.0

20、1所以最后結果： au(a)=60.000.01u(a)a=0.0160.00100%=0.02%實驗3.最小偏向角法測棱鏡折射率min=12(2-1)+( 2-1)min1min2min3min4min5min51.97551.98351.98351.98352.00051.985n1=sinmini+a2sina2=sin51.985+602sin302=1.6579ua(min)=(mini-min)2k(k-1)=0.0041精品.ub(min)= ub(a)=11603=0.009622所以u（min）=ua(min)2+ub(min)2=0.01un1=（n1min）2u(min)

21、2+(n1a)2ua2 =12cos12min+asina22u(min)2+12cos12min+asina2-12cosa2sinmin+a2(sina2)22ua2=0.5620.000172+(-0.88)20.000172=0.0002最后結果為：n1+un1=1.65790.0002un1n1=0.00021.6579100=0.012六.誤差分析1.要求望遠鏡與刻度盤在轉動過程中不能出現(xiàn)任何偏差，但微小滑動是不可避免的。2.為了能看清縱絲，則狹縫寬度不能太小，這樣在測量時不能確?？v絲恰好與狹縫重合。3.由于游標盤的測量原理，讀數(shù)時判斷主尺與游標刻度的重合也會產(chǎn)生誤差。4.在找最小

22、偏向角時，不能準確找出譜線剛好折回的一刻。七.分析總結在選做1071實驗之前，就聽同學說過，分光儀很難調而且預約實驗又沒有選上，所以在做實驗之前一直都是忐忑的。為了提前了解本次試驗，我首先閱讀了基礎物理實驗課本上面有關分光儀的調整及其應用的部分，之后仔細的將預習報告寫下來。在寫預習報告過程中，因為是自己手寫，所以對實驗的過程有了更深刻的認識。最后我在優(yōu)酷網(wǎng)上找到了分光儀的調整的視頻，精品.并看了很多次。我個人覺得看視頻的作用特別的大，因為不但有對調整過程詳細的講解，還能真實的看到調節(jié)過程以及望遠鏡中的現(xiàn)象，彌補了沒有提前做預約實驗的過失。在做本次實驗過程中，覺得測三棱鏡的頂角和折射率比較簡單，

23、困難的反而是分光儀的調整部分。而在分光儀的調整中，最難以掌握的就是望遠鏡光軸與分光儀主軸垂直的調節(jié)。在實驗過程中，出現(xiàn)最多的問題就是很多同學一開始就在望遠鏡中尋找綠色十字，歷經(jīng)千辛萬苦終于找到之后，轉過 180o 后卻發(fā)現(xiàn)綠色十字又不見了。甚至有的同學在實驗結束時還是沒有找到綠十字。造成這個困難的原因是，本實驗采用了半調法來調整望遠鏡光軸與儀器主軸垂直。由于儀器構造方面的限制，分光計中望遠鏡的視域很小，若平板玻璃與分光儀主軸之間的夾角稍微大一點，就不能在旋轉 180o后從望遠鏡視場中再次看到自準像，從而無法判斷該怎樣調節(jié)，相應也就無法順利完成望遠鏡光軸與分光儀主軸垂直的調節(jié)。結合視頻所講以及我

24、自己和隊友做實驗時的收獲，總結了調整分光儀的小技巧：首先，第一步的目測粗調很重要，找不到綠十字往往是由于這步?jīng)]有做好的緣故。在調節(jié)儀器前，要目測望遠鏡是否水平。若載物臺傾角過大，則旋轉180后綠色十字偏轉就會過多，導致在目鏡視場中找不到綠十字的像。這時，可將望遠鏡的傾角調大，使望遠鏡光軸明顯傾斜，接著旋進一圈俯仰螺釘，微微轉動一下載物平臺，使平面鏡的反射面掃過望遠鏡，如果沒有觀察到綠十字再旋進一圈俯仰螺釘，微轉一下平臺，如此反復由下向上掃描，目鏡視場中必然會出現(xiàn)綠十字，之后即可用半調法繼續(xù)調節(jié)。八.實驗改進在調整望遠鏡光軸與儀器主軸垂直時看不見綠十字的主要原因就是粗調垂直沒有做好。目測也并不能

25、確保載物臺和望遠鏡水平。因此可以借助一些工具來幫助我們更準確更簡便的調節(jié)載物臺和望遠鏡水平。我們可以利用水平儀來幫助我們完成這一工作。比如在載物臺精品.和望遠鏡上加裝一個水平儀，使同學們可以通過水平儀來快速的調整載物臺和望遠鏡水平，節(jié)省時間，更快更好地做接下來的實驗。九.實驗感想在寫這篇研究性報告時，我已經(jīng)做了六次實驗，積分也只差一分就達到要求。這六次實驗遇到了不同的老師，也面對了不同的問題。感覺這學期的物理實驗是一次美好的經(jīng)歷，對我的學習生活有很大的幫助。物理實驗是物理學習的基礎，雖然在很多物理實驗中我們只是復現(xiàn)課堂上所學理論知識的原理與結果，但這一過程與物理家進行研究分子和物質變化的科學研

26、究中的物理實驗是一致的。在物理實驗中，影響物理實驗現(xiàn)象的因素很多，產(chǎn)生的物理實驗現(xiàn)象也錯綜復雜。老師們通過精心設計實驗方案，嚴格控制實驗條件等多種途徑，以最佳的實驗方式呈現(xiàn)物理問題，使我們通過努力能夠順利地解決物理實驗呈現(xiàn)的問題，考驗了我們的實際動手能力和分析解決問題的綜合能力，加深了我們對有關物理知識的理解。做大學物理實驗時，為了在規(guī)定的時間內快速高效率地完成實驗，達到良好的實驗效果，需要課前認真地預習，首先是根據(jù)實驗題目復習所學習的相關理論知識，并根據(jù)實驗教材的相關內容，弄清楚所要進行的實驗的總體過程，弄懂實驗的目的，基本原理，了解實驗所采用的方法的關鍵與成功之處；思考實驗可能用到的相關實

27、驗儀器，對照教材所列的實驗儀器，了解儀器的工作原理，性能，正確操作步驟，特別是要注意那些可能對儀器造成損壞的事項。然后還要寫預習報告，預習報告能夠幫助我們順利完成實驗中的各項操作。在寫預習報告的時候，我們一般包括實驗目的，基本原理，實驗儀器，操作步驟，測量內容，數(shù)據(jù)表，預習思考題等。數(shù)據(jù)表與操作步驟密切相關，數(shù)據(jù)表中的欄目排列順序應與操作步驟的順序合理配合。這樣就可以隨時將數(shù)據(jù)按順序填入表中，也可以隨時觀察和分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性。剛開始時我們不注意預習報告里的數(shù)據(jù)表格，將數(shù)據(jù)隨便的記錄在一張紙上，結果發(fā)現(xiàn)整理數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)很多混亂和錯誤，尤其是數(shù)據(jù)比較多的時候，比如在做拉伸法測彈性模量實驗時，由于實驗前未提前設計好表格，數(shù)據(jù)記錄得很隨便，很亂。在實驗過程中不僅要做實驗，還要一遍遍的修改記錄方式，浪費