分光計(jì)調(diào)節(jié)和使用光柵常量測(cè)定

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告（分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解分光計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和原理;2.掌握分光計(jì)的調(diào)整要求和調(diào)整方法;3.4.用調(diào)整好的分光計(jì)測(cè)三棱鏡的頂角;5.觀察光柵衍射現(xiàn)象，理解光柵衍射基本規(guī)律;調(diào)整分光計(jì)，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)，可進(jìn)行精密測(cè)量;學(xué)會(huì)用分光計(jì)測(cè)光柵常數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理：分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用3-7-1 所分光計(jì)主要由五個(gè)部分構(gòu)成：底座、平行光管、自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)和讀數(shù)裝置。不同型號(hào)分光計(jì)的光學(xué)原理基本相同。型分光計(jì)如圖示。1.代-二箕 2. 上垃式詛景口 L 3 ； 1 -九 L-;.二：, 6. |臺(tái),!三'；| P. ；1.；式出漉理口使8,挾穌或屯菱燈友M丸

2、平行it住先轉(zhuǎn)局低值牌仃10.夫?qū)⑤S水平調(diào)節(jié)像行11,未麻疝止動(dòng)每燈】L芾位筐。4同累物什峰/姓4門(mén)1!II. ITS 15.16. i-S盤(pán)it動(dòng)辟-17,底曜1上 型運(yùn)能UR的19,城立小止動(dòng)事燈 施.邊靜彼弟蛆打21,空運(yùn)二 光水中口陽(yáng)11舒22,里/就川軸濟(jì)怔舊廿卻打23.白盥，度明打手輪1 .底座分光計(jì)底座（17）中心固定有一中心軸，望遠(yuǎn)鏡、度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)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 o狹縫寬度可調(diào)（范圍 0.022）,透鏡與狹縫間距可以 通過(guò)伸縮狹縫筒進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)狹縫位于透鏡焦

3、平面上時(shí)，由狹縫經(jīng)過(guò)透鏡出射 的光為平行光。HI 3-T 平行先詈3 .自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡安裝在支臂上，支臂與轉(zhuǎn)座固定在一起弁套裝在度盤(pán) 上。它用來(lái)觀察和確定光線行進(jìn)方向。自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)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45o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(gè)“十”形透光的窗口，當(dāng)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(chǎng)中出現(xiàn)清晰的“ ?！毙尾?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)

4、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(shí)，從目鏡中可以看到清晰的“?！毙尾娼z和綠色“十”字像。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦至無(wú)窮遠(yuǎn)，適合觀察平行光了。如果平面境的法線與望遠(yuǎn)鏡光軸方向一致，則綠色“十”字像位于分劃板“ 牛”形叉絲的上橫線上，如圖3-7-3中的視場(chǎng)。4 .載物臺(tái)載物臺(tái)套裝在游標(biāo)盤(pán)上，可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它用來(lái)放置光學(xué)元件。載物臺(tái)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(pán)和游標(biāo)盤(pán)組成。度盤(pán)圓周被分為720份，分度值為30',30'以下需用游標(biāo)來(lái)讀數(shù)。游標(biāo)盤(pán)采用相隔1800的雙窗口讀數(shù)；游標(biāo)上的 30格與度盤(pán)上的29格角度相等，故游標(biāo)

5、的最小分度值為1',圖3-7-4所示的位置應(yīng)讀作113045'。采用雙游標(biāo)讀數(shù)，是為了消除度盤(pán)中心與儀器中心軸不重合而引起的偏心差。測(cè)量時(shí)記錄下兩個(gè)窗口讀數(shù)然后取平均值即可。如圖 3-7-5所示，當(dāng)度盤(pán)中心O'與分光計(jì)中心軸 O不重合時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)角度a所對(duì)應(yīng)游標(biāo)數(shù)P/ O和均不等于重合時(shí)轉(zhuǎn)過(guò) a角所對(duì)應(yīng)正確讀數(shù)，但根據(jù)平面幾何知識(shí)很容易證明:,采用雙游標(biāo)可使偏心差得以消除。光柵常數(shù)的測(cè)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。設(shè)透射光柵的縫寬為a,不透光部分寬度為b,稱為光柵常數(shù)。當(dāng)單色平行光垂直入射到衍射光柵上

6、，通過(guò)每個(gè)縫的光都將發(fā)生衍射， 不同縫的光彼此干涉，當(dāng)衍射角滿足光柵方程；時(shí)，光波加強(qiáng)，產(chǎn)生主極大。若在光柵后加一會(huì)聚透鏡， 則在其焦平面上形成分隔開(kāi)的對(duì)稱分布的細(xì)銳明條紋下圖。在式（3-7-1 ）中，入為單色光波長(zhǎng)，k是明條紋級(jí)數(shù)。如果光源是包含 有不同波長(zhǎng)光波的復(fù)色光，經(jīng)光柵衍射后，對(duì)不同波長(zhǎng)的光，除零級(jí)外，由于 同一級(jí)主極大有不同的衍射角，因此在零級(jí)主極大兩邊出現(xiàn)對(duì)稱分布、按波長(zhǎng)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(zhǎng)的單色平行 光垂直入射，只要測(cè)出對(duì)應(yīng)級(jí)次條紋的衍射角，即可求出光柵常數(shù)do同樣,若d已知，即可求得入射光波長(zhǎng)。三、實(shí)驗(yàn)儀器:分光計(jì)（型）、三棱鏡、準(zhǔn)直鏡、平

7、面透射光柵、汞燈、四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟：在進(jìn)行分光計(jì)的調(diào)節(jié)前，首先應(yīng)明確對(duì)分光計(jì)的調(diào)節(jié)要求：望遠(yuǎn)鏡適合觀 察平行光，或稱望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)；平行光管能發(fā)射平行光；望遠(yuǎn)鏡和 平行光管的光軸均與分光計(jì)中心軸正交。然后對(duì)照儀器熟悉結(jié)構(gòu)和各調(diào)節(jié)螺釘 的作用。一、目測(cè)粗調(diào)用眼睛直接觀察，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)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(tái)下三只調(diào)平螺釘 13,使載物臺(tái)呈水 平狀態(tài)。粗調(diào)完成得好，可以減少后面細(xì)調(diào)的盲目性，使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。二、細(xì)調(diào)1 .調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)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(chǎng)中能看到分劃板上清晰的“?！毙尾娼z像。(2)接

8、通望遠(yuǎn)鏡燈源，把平面鏡按圖 3-7-6所示位置放在載物臺(tái)上，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng) 載物臺(tái)，從望遠(yuǎn)鏡中可見(jiàn)一光斑，若找不到說(shuō)明粗調(diào)未調(diào)好，這時(shí)可用眼睛觀 察平面鏡，找到反射光束，調(diào)節(jié)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡光軸位置，使望遠(yuǎn)鏡能接收到 反射光束，從目鏡視場(chǎng)中看到光斑。(3)望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦。松開(kāi)目鏡鎖緊螺釘6,前后移動(dòng)目鏡筒，當(dāng)光斑變?yōu)榍逦木G“十”字像，弁且與分劃板“牛”形叉絲無(wú)視差時(shí)，望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦至無(wú)窮 遠(yuǎn)，適合觀察平行光了。2 .調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)1800 ,觀察視場(chǎng)中有無(wú)綠“十”字像，若沒(méi)有則應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺(tái)水平和望遠(yuǎn)鏡光軸的高低，直至任意轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)1800均能在望遠(yuǎn)鏡中看到經(jīng)平面鏡正、反兩

9、面反射的綠“十”字像。從前面分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理知道，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸時(shí)，經(jīng)平面鏡正、反兩面反射的“十”字像均應(yīng)重合在分劃板“ ?！辈娼z的上的橫絲上(如 圖3-7-7所示)。在一般情況下，視場(chǎng)中看到兩面綠“十”字像弁不重合，需要繼續(xù)仔細(xì)配合調(diào) 節(jié)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡?？上日{(diào)載物臺(tái)調(diào)平螺釘（a2或a3）使綠“十”字像到“豐 形叉絲上橫絲距離減少一半；再調(diào)望遠(yuǎn)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(dòng)載物臺(tái)180o ,重復(fù)上面調(diào)節(jié)步驟，反復(fù)幾次即可調(diào)好。此后望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘不可再動(dòng)。3 .調(diào)節(jié)載物平臺(tái)法線與分光計(jì)中心軸平行將平面鏡相對(duì)載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 90o ,然后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)90

10、o ,調(diào)平臺(tái)調(diào)平螺釘 al使平面鏡反射的綠“十”字像與“?！毙尾娼z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(yuǎn)鏡燈源，點(diǎn)燃光源使光照亮平行光管狹縫。用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管觀察，松開(kāi)狹縫裝置鎖緊螺釘2,前后移動(dòng)狹縫套筒，使望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像，弁且與叉絲無(wú)視差，此時(shí)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(yuǎn)鏡中觀察到縫寬約 1左右。5 .調(diào)節(jié)平行光管光軸垂直于分光計(jì)中心軸松開(kāi)狹縫裝置鎖緊螺釘 2,轉(zhuǎn)動(dòng)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(yuǎn)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(dòng)狹縫90o成豎直狀態(tài)，狹縫被中央橫絲上下平

11、分。止匕時(shí), 平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直。在調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)始終保持狹縫像清晰。光柵常數(shù)的測(cè)定(1)調(diào)節(jié)好分光計(jì)。(2)將衍射光柵放在載物臺(tái)上(按圖 3-7-6中平面鏡位置)。(3)調(diào)節(jié)光柵平面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直。接通望遠(yuǎn)鏡燈源，仔細(xì)觀察被光柵平面 反射的“十”字像，調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺釘2a或3a使“十”字像與分劃板“豐 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(jì)中心軸。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，觀察衍射條紋，仔細(xì)調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺釘 al,使視場(chǎng)中見(jiàn)到的各級(jí)亮紋都被分化板中央橫絲上下 等分。（5）測(cè)量衍射角（本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量左右k級(jí)條紋的夾角即2）,固定游標(biāo)盤(pán)和載物臺(tái)，推動(dòng)支臂使望遠(yuǎn)鏡和度盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將望

12、遠(yuǎn)鏡分劃板豎直線移至左邊第三級(jí)條紋外，然后向右推動(dòng)支臂使分劃板豎直線靠近第三級(jí)明紋的左邊緣（或右邊緣）利用望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘（20）使條紋邊緣與分劃板豎線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，記錄此時(shí)游標(biāo)盤(pán)左、右窗讀數(shù)3a和3,繼續(xù)向右移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡依次記錄左邊第二級(jí)、第一級(jí)明紋讀數(shù)以及右邊一、二、三級(jí)明紋讀數(shù)紋都以對(duì)準(zhǔn)左邊緣(或右邊緣)時(shí)讀數(shù)。(6)重復(fù)步驟5,逐次測(cè)量各級(jí)條紋位置共 5次，記錄所有數(shù)據(jù)。3.15 10 6五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理:光柵常量d 3.15 106m衍射光譜級(jí)次-11-22左側(cè)衍射光角坐標(biāo)左135o32/155o30/125o40/165041 /左側(cè)衍射光角坐標(biāo)右315o34/335o35,305o49

13、/345047/2位 1 -左i -左i2 k右-右i右i19o58 /19o59 /20001/19o58/2 2 k左2 k右k219o585/19o595/2 k k29o593/9o598,k已知綠線波長(zhǎng)上5 4 6 . 1 n m有公式d sindksin代入數(shù)據(jù)得d六、誤差分析：1 .測(cè)量前的儀器未調(diào)精準(zhǔn)，載物臺(tái)與中心軸還未垂直2 .讀數(shù)上的誤差，角游標(biāo)盤(pán)上的刻度過(guò)于相近，難以正確分辨3 .光柵可能還未完全垂直于平行光管和望遠(yuǎn)鏡4 .實(shí)驗(yàn)儀器本身的精度七、思考題：1 .分光計(jì)主要由平行光管，望遠(yuǎn)鏡，讀數(shù)裝置和載物臺(tái)組成，平行光管：提供平行入射光載物臺(tái)：放置光學(xué)元件望遠(yuǎn)鏡：觀察和確定光速的行進(jìn)方向讀數(shù)裝置：測(cè)量望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度2 .當(dāng)圓盤(pán)刻度盤(pán)中心o與轉(zhuǎn)軸重合時(shí)，由相差 180°的兩個(gè)游標(biāo)讀數(shù)的轉(zhuǎn)角度 數(shù)值相等。而當(dāng)圓盤(pán)刻度盤(pán)偏心時(shí)，由兩個(gè)游標(biāo)盤(pán)讀出的轉(zhuǎn)角刻度值就不相等，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差就是偏心差。由幾何圖形很容易證明1/2('D' ) ' B',所以可消除偏心