實(shí)驗(yàn)四 分光計(jì)的調(diào)整及光柵常數(shù)的測(cè)定東北林業(yè)大學(xué)

1、實(shí)驗(yàn)四 分光計(jì)的調(diào)整及光柵常數(shù)的測(cè)定分光計(jì)作為基本的光學(xué)儀器之一，它是精確測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，也稱之為測(cè)角儀。光學(xué)中很多基本量（如反射角、折射角、衍射角等）都可以由它直接測(cè)量。因此，可以應(yīng)用它測(cè)定物質(zhì)的有關(guān)常數(shù)（如折射率、光柵常數(shù)、光波波長(zhǎng)等），或研究物質(zhì)的光學(xué)特性（如光譜分析）。應(yīng)用分光計(jì)必須經(jīng)過(guò)一系列仔細(xì)的調(diào)整，才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，在學(xué)習(xí)使用過(guò)程中，要做到嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致，才能正確掌握?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解分光計(jì)構(gòu)造的基本原理。2學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)整技術(shù)，掌握分光計(jì)的正確使用方法。3利用分光計(jì)測(cè)定光柵常數(shù)。【實(shí)驗(yàn)原理】1分光計(jì)光線入射到光學(xué)元件上，由于反射或折射等作用，使光線產(chǎn)生偏離，分光計(jì)就

2、是用來(lái)測(cè)量入射光與出射光之間偏離角度的一種儀器。要測(cè)定此角，必須滿足兩個(gè)條件： 入射光與出射光均為平行光； 入射光、出射光以及反射面或折射面的法線都與分光計(jì)的刻度盤平行。為此，分光計(jì)上裝有能造成平行光的平行光管、觀察平行光的望遠(yuǎn)鏡及放置光學(xué)元件的載物臺(tái)，它們都裝有調(diào)節(jié)水平的螺釘。為了讀出測(cè)量時(shí)望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)的角度，配有與望遠(yuǎn)鏡連接在一起的刻度盤，如圖4-1所示。各部分別介紹如下： 讀數(shù)裝置。在底座19的中央固定一中心軸，度盤22和游標(biāo)盤21套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)；度盤下端有軸承支撐，使旋轉(zhuǎn)輕便靈活；度盤上的刻線把360圓周角分成720等份，每份為30。同一直徑方向兩端各有一個(gè)游標(biāo)讀數(shù)裝置，

3、測(cè)量時(shí)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)位置中每一位置都讀出兩個(gè)數(shù)值，然后對(duì)同側(cè)的差值讀數(shù)取平均值，這樣可以消除因偏心引起的誤差（見本實(shí)驗(yàn)參考資料）。 平行光管。立柱23固定在底座上，平行光管3安裝在立柱上，平行光管的光軸位置可以通過(guò)立柱上的調(diào)節(jié)螺釘26、27分別進(jìn)行左右、水平微調(diào)，平行光管有一狹縫裝置1。旋松螺釘2，轉(zhuǎn)動(dòng)裝有狹縫的內(nèi)套筒使狹縫成嚴(yán)格的垂直狀，前后移動(dòng)內(nèi)套筒，使狹縫嚴(yán)格地處在透鏡焦平面上，則平行光管發(fā)出狹縫平行光。狹縫的寬度可在0.022.00mm內(nèi)由螺釘28調(diào)節(jié)，一般在教師指導(dǎo)下調(diào)節(jié)。圖4-1 JJY型1分光計(jì)分劃線十字叉絲 圖4-2 望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu) 圖4-3 分劃板視場(chǎng) 望遠(yuǎn)鏡。阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡

4、8安裝在支臂14上，支臂和轉(zhuǎn)座20固定在一起并套在度盤上。當(dāng)松開制動(dòng)螺釘16時(shí)，轉(zhuǎn)座和度盤可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋緊此制動(dòng)螺釘，轉(zhuǎn)座和度盤一起旋轉(zhuǎn)。旋緊制動(dòng)架18與底座上的制動(dòng)螺釘17時(shí)，借助于此制動(dòng)架末端上的調(diào)節(jié)螺釘15可以對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)。望遠(yuǎn)鏡的光軸位置，可以通過(guò)螺釘12、13分別進(jìn)行水平、左右微調(diào)。圖4-4 衍射光柵阿貝自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12-2所示，從目鏡所見分劃板視場(chǎng)如圖4-3。旋目鏡調(diào)焦手輪11，使目鏡中能十分清晰地看到分劃板上的分劃線。旋松螺釘9，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡組10使分劃線成水平狀。前后移動(dòng)目鏡組，使分劃板處在物鏡的焦平面上，則亮十字經(jīng)物鏡發(fā)出的光為平行光，當(dāng)它被反射回望遠(yuǎn)

5、鏡時(shí)，將在分劃板上成清晰的亮十字像，且與實(shí)物亮十字無(wú)視差。 載物臺(tái)。載物臺(tái)5套在游標(biāo)盤上，可繞中心軸旋轉(zhuǎn)，旋緊載物臺(tái)鎖緊螺釘7和制動(dòng)架4與游標(biāo)盤的制動(dòng)螺釘25時(shí)，借助于立柱23的調(diào)節(jié)螺釘24可以對(duì)載物臺(tái)進(jìn)行微調(diào)。放松載物臺(tái)鎖緊螺釘時(shí)，載物臺(tái)可根據(jù)需要升高或降低。調(diào)到所需位置后，再把鎖緊螺釘鎖緊。載物臺(tái)有三只調(diào)平螺釘6，可用來(lái)調(diào)節(jié)載物臺(tái)面，使之與旋轉(zhuǎn)主軸垂直。 照明。外接6.3V電源，插頭插在底座的插座上，經(jīng)導(dǎo)電環(huán)通到轉(zhuǎn)座的插座上，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的照明器插頭與之相接，這樣可以避免望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)電線拖動(dòng)。2光柵光柵是由許多等寬度a（透光部分）、等間距b（不透光部分）的平行縫組成的一種分光元件。當(dāng)波長(zhǎng)

6、為的單色光垂直照射在光柵面上時(shí)，則透過(guò)各狹縫的光線因衍射將向各方向傳播，經(jīng)透鏡會(huì)聚后相互干涉，并在透鏡焦平面上形成一系列間距不同的明條紋。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式?jīng)Q定：（a+b）sink=k（k=0，1，2，） （4-1）式中a+b=d稱為光柵常數(shù)，k為光譜級(jí)數(shù)，k為第k級(jí)譜線的衍射角。見圖4-4，k=0對(duì)應(yīng)于=0，稱為中央明條紋，其它級(jí)數(shù)的譜線對(duì)稱分布在零級(jí)譜線的兩側(cè)。如果入射光不是單色光，則由式（4-1）可知，不同，k也各不相同，于是將復(fù)色光分解。而在中央k=0，k=0處，各色光仍然重疊在一起，組成中央明條紋。在中央明條紋兩側(cè)對(duì)稱地分布k=1，2，級(jí)光譜線，各級(jí)譜

7、線都按波長(zhǎng)由小到大，依次排列成一組彩色譜線，如圖4-5所示。根據(jù)式（4-1），如能測(cè)出各種波長(zhǎng)譜線的衍射角k，則從已知波長(zhǎng)的大小，可以算出光柵常數(shù)d；反之，已知光柵常數(shù)d，則可以算出波長(zhǎng)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】 分光計(jì)，鈉光燈，雙平面鏡，光柵。圖4-5 光柵衍射譜【注意事項(xiàng)】1移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，只能推動(dòng)立柱14，不允許搬動(dòng)鏡筒及目鏡。2取放雙面鏡及光柵時(shí)只能拿邊緣，不許觸摸表面，且嚴(yán)防失手摔碎；不許擦拭光柵。3狹縫寬度要在教師指導(dǎo)下緩慢調(diào)節(jié)?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1首先，檢查儀器及用具是否齊全、完好，然后將鈉燈電源插頭插于墻上，打開鈉光燈預(yù)熱。打開6V變壓器開關(guān)。2目鏡的調(diào)焦：轉(zhuǎn)動(dòng)接目鏡調(diào)焦手輪11直至視場(chǎng)中分劃線清

8、晰。3望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦：取出雙平面鏡，扣在望遠(yuǎn)鏡8的前端，即使平面鏡平面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直。從目鏡中觀察，可以看到一亮斑，旋松螺釘9，前后微動(dòng)目鏡組，對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)焦，使亮斑成為清晰的十字像，旋緊螺釘9。4調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸、載物臺(tái)平面垂直于旋轉(zhuǎn)主軸： 粗調(diào)：調(diào)節(jié)載物臺(tái)a、b、c三只螺釘使兩圓盤夾縫處螺釘螺紋數(shù)大致相等（6個(gè)螺紋數(shù)最佳）；調(diào)節(jié)目鏡下方螺釘12使望遠(yuǎn)鏡大致水平。細(xì)調(diào)：把雙平面鏡按圖12-6所示方位放置于載物臺(tái)上，左手使灰臺(tái)板左右小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，使平面鏡平面與望遠(yuǎn)鏡光軸有橫向垂直機(jī)會(huì)，眼看目鏡，同時(shí)用右手調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)螺釘12（尋找縱向垂直機(jī)會(huì)）至視場(chǎng)中出現(xiàn)亮十字像，并調(diào)12使十字像處于圖4-

9、3所示位置（實(shí)際操作中可簡(jiǎn)化為十字像橫與分劃線重和）。轉(zhuǎn)動(dòng)灰臺(tái)板使雙平面鏡轉(zhuǎn)到反面，用手小角度左右轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找反面垂直機(jī)會(huì)，若無(wú)十字像出現(xiàn)，立即把平面鏡轉(zhuǎn)回正面。觀察望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)，看目鏡一端是向上還是向下傾斜? 判斷后，調(diào)節(jié)螺釘12校正望遠(yuǎn)鏡水平，此時(shí)，視場(chǎng)中十字像偏離了分劃線（注意：上-不可出視場(chǎng)；下-不過(guò)橫叉絲），調(diào)節(jié)載物臺(tái)螺釘a，使亮十字像回到分劃線，經(jīng)過(guò)一次或多次判斷、調(diào)節(jié)，反面視場(chǎng)中定會(huì)看到十字像。但此時(shí)反面十字像橫與分劃線不重和。調(diào)節(jié)螺釘12使十字像向分劃線趨近一半，再調(diào)節(jié)載物臺(tái)螺釘b使二者重合（以下稱一半一半法）；轉(zhuǎn)回正面，十字像橫與分劃線又不重和了，調(diào)螺釘12使十字像向分劃線趨近一

10、半，再調(diào)節(jié)螺釘a使二者重合。這樣反復(fù)多次一半一半地調(diào)節(jié)，就會(huì)使得兩面的十字像橫均與分劃線重合，望遠(yuǎn)鏡光軸與旋轉(zhuǎn)主軸垂直了，但此時(shí)載物臺(tái)平面不一定與旋轉(zhuǎn)主軸垂直，這是由于兩條直線確定一個(gè)平面。以上僅調(diào)了一條直線，即a、b螺釘頂端所在的直線。這時(shí)可把雙面鏡按圖4-7所示放置，調(diào)節(jié)螺釘c（此時(shí)不能再動(dòng)螺釘a、b、12）使雙面鏡正面對(duì)應(yīng)十字像橫與分劃線重合，這時(shí)載物臺(tái)平面與旋轉(zhuǎn)主軸垂直了。圖4-6 雙面鏡初放置 圖4-7 雙面鏡轉(zhuǎn)置5調(diào)節(jié)分劃板成水平和豎直 當(dāng)載物臺(tái)連同雙平面鏡相對(duì)望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)觀察，如果分劃線與亮十字的移動(dòng)方向不平行，就要轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡組，使亮十字的移動(dòng)方向與分劃線平行。注意，此時(shí)不可破壞望

11、遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦，然后將目鏡的鎖緊螺釘旋緊。6平行光管的調(diào)焦 首先關(guān)掉望遠(yuǎn)鏡目鏡照明器上的光源，拿走載物臺(tái)上的雙平面鏡。打開狹縫28，用漫反射光照明狹縫，前后移動(dòng)狹縫裝置1，使狹縫清晰地成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板平面上。然后把平行光管光軸左右調(diào)整螺釘26調(diào)到適中位置，并調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸左右調(diào) 整螺釘13和平行光管水平調(diào)整螺釘27，使狹縫位于視場(chǎng)中心。最后，旋轉(zhuǎn)狹縫裝置，使狹縫與目鏡分劃板的叉絲豎線平行，注意不要破壞平行光管的調(diào)焦，然后將狹縫裝置鎖緊螺釘旋緊。表4-1次數(shù)目鏡豎絲位置左端刻度盤讀數(shù)右端刻度盤讀數(shù)11左一級(jí)12右一級(jí)122左一級(jí)右一級(jí)3左一級(jí)右一級(jí)7用鈉黃光（=589.3nm）測(cè)衍射角：將平行光管

12、正對(duì)鈉光燈，并將光柵放在載物臺(tái)上使其與平行光管光軸垂直，觀察其零級(jí)及一級(jí)衍射條紋，可以看到一級(jí)衍射條紋是兩條靠得很近的譜線（589.0nm和589.6nm），=589.3nm是它們的波長(zhǎng)的平均值。分別測(cè)定左一級(jí)、右一級(jí)衍射條紋左、右兩端刻度盤的讀數(shù)，重復(fù)測(cè)量三次，并記錄在表4-1中。圖12-8 角游標(biāo)讀數(shù)練習(xí) 圖12-9 偏心差原理如此，得本光柵對(duì)鈉黃光的一級(jí)衍射角為 （4-2）求得此光柵衍射的一級(jí)衍射角的三次測(cè)量的平均值，取B=1=度，求測(cè)量結(jié)果的不確定度1，并由求得光柵常數(shù)，由1利用不確定度傳遞公式 （4-3）求得d，則光柵常數(shù)d=d。*注意要化為弧度。【思考題】1.應(yīng)用分光計(jì)進(jìn)行測(cè)量之前，應(yīng)調(diào)節(jié)到何種狀態(tài)?2.調(diào)