分光計的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測量 實驗報告

1、-3-大連理工大學(xué)大學(xué)物理實驗報告院（系）專業(yè)班級姓名學(xué)號實驗臺號實驗時間年月日第周，星期第節(jié)實驗名稱分光計的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測量教師評語實驗?zāi)康呐c要求：1. 了解分光計的構(gòu)造與原理，掌握分光計調(diào)節(jié)的思想和調(diào)節(jié)方法。2. 學(xué)會用最小偏向角法測量棱鏡的折射率。主要儀器設(shè)備：JJY1'型分光計，平面鏡，鈉光燈，玻璃三棱鏡實驗原理和內(nèi)容：1. 分光計的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理分光計由望遠鏡，載物臺，平行光管，刻度盤，底座五部分組成；各部分機構(gòu)及原理如下：望遠鏡為阿貝自準式望遠鏡，通過支臂與轉(zhuǎn)座固定，并可通過調(diào)節(jié)止動螺絲來控制與轉(zhuǎn)座共同或相對轉(zhuǎn)動。望遠鏡光軸的高低位置可以通過不同的螺釘調(diào)節(jié)，通過手輪可

2、以調(diào)節(jié)望遠鏡目鏡的焦距。望遠鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，由目鏡，全反射棱鏡，叉絲分劃板和物鏡組成，自準直的原理是當(dāng)位于物鏡焦平面上的透光十字刻線被下放小燈照亮后，經(jīng)全反射棱鏡和物鏡射出后再被外界小棱鏡分劃板A小燈物鏡圖16-2自準直望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)平面鏡反射回進入望遠鏡而投影到叉絲分劃板上成像，與叉絲本身無像差時，便證明望遠鏡準直且適合觀察平行光。并且可以通過兩者調(diào)節(jié)望遠鏡的光軸垂直情況。(如右圖所示)平行光管產(chǎn)生平行光束用的裝置，安裝于立柱上可以通過螺釘來微調(diào)其光軸位置。平行光管的主要部件是會聚透鏡和狹縫。當(dāng)狹縫位于透鏡主焦面上時便可產(chǎn)生平行光。載物臺載物臺用于放置待測物件，并可以通

3、過緊固螺釘來調(diào)節(jié)其位置。需要鎖緊所有的緊固螺絲?？潭缺P由外圈刻度和內(nèi)圈的兩個對稱游標組成，外圈刻度為調(diào)節(jié)到所需的位置后，實驗過程中360°共720格，讀數(shù)方法相同于游標卡尺。設(shè)置兩個對稱游標的目的是為了消除刻度盤中心和儀器轉(zhuǎn)軸中心偏差所帶來的實驗誤差，讀取刻度時，將兩個游標的讀書取平均，便是望遠鏡位置的實際讀數(shù)，即二(0+0)/212底座底座的作用是支撐之上的各個儀器部件，并且在底座上接有外接電源的插座，以給儀器供電。2. 最小偏向角法測棱鏡折射率的原理如圖所示，一束光射入棱鏡后發(fā)生兩次折射，入射角為i，出射角為i'，出入射光線的偏向角為&，可知有以下關(guān)系：§

4、;二i+i'-a，a為棱鏡的頂角。且可以證明，當(dāng)i=i'時，偏向角B達到最小值，稱為最小偏向角，結(jié)合相關(guān)幾何關(guān)系與折射定律，可以得到以下關(guān)系式：§+asmsini2n=sinrasm2可見只要測得棱鏡的頂角a和最小偏向角§，便可以計算出棱鏡的折射率no圖16-6光在棱鏡主截面的折射min步驟與操作方法：1. 分光計的調(diào)節(jié)分光計的調(diào)節(jié)主要目的是使待測角平面與讀數(shù)盤平面相平行以保證測量的準確，即通過調(diào)整載物臺望遠鏡和平行光管三者的基準軸均與儀器中心軸線垂直。具體調(diào)節(jié)要求為：平行光管出射平行光，望遠鏡聚焦于無窮遠處，經(jīng)過兩管及待測光學(xué)器件的光路所組成的平面與中心轉(zhuǎn)

5、軸相垂直。具體調(diào)節(jié)步驟如下1.目測粗調(diào)。初步調(diào)節(jié)使望遠鏡和平行光管的光軸大致與中心轉(zhuǎn)軸垂直，使載物臺大致呈水平狀態(tài)。2. 用自準法調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦于無窮遠(a)(b)圖16-7平面鏡在載物臺上的位置ai，a2,a3為載物臺的三個水平調(diào)節(jié)螺釘接上儀器電源，并將一雙面反射平面鏡置于載物臺上，放置方式如圖所示。之后轉(zhuǎn)動載物臺，同時在望遠鏡內(nèi)尋找綠色十字的光斑。調(diào)節(jié)目鏡套筒使十字成像清晰后，并檢查是否存在視差，若沒有，說明望遠鏡已經(jīng)聚焦于無窮遠。3. 調(diào)節(jié)望遠鏡轉(zhuǎn)軸垂直于分光計中心轉(zhuǎn)軸將平面鏡旋轉(zhuǎn)180°，然后通過目測尋找和調(diào)節(jié)螺釘改變望遠鏡光軸方向的方法，在望遠鏡中找到平面鏡另一面所反射的綠

6、色十字像，采用漸近法調(diào)節(jié)使綠色十字像與分劃板上十字叉絲相重合，然后用同樣的方法調(diào)節(jié)另一面反射的綠色十字像，雙方都調(diào)節(jié)完畢后，望遠鏡的光軸已垂直儀器中心轉(zhuǎn)軸。之后望遠鏡的高低調(diào)節(jié)螺釘不能再動。4. 調(diào)節(jié)平行光管使其發(fā)出平行光移去中央載物臺上的平面鏡，用白紙在平行光管的物鏡端檢查并調(diào)節(jié)光源的位置以確保其發(fā)出的光在物鏡的整個孔徑上照明均勻?qū)⒁呀?jīng)調(diào)節(jié)完畢的望遠鏡的內(nèi)部照明光源關(guān)閉，然后對準平行光管以得到狹縫的像。前后移動狹縫套筒使望遠鏡中得到的像清晰并且與分劃板上的十字叉絲無視差后，說明平行光管發(fā)射的已經(jīng)使平行光。最后調(diào)節(jié)狹縫寬度至0.5mm左右。5. 調(diào)節(jié)平行光管的光軸與儀器中心軸線相垂直轉(zhuǎn)動狹縫套

7、筒使狹縫的像轉(zhuǎn)至水平位置，通過螺釘調(diào)整平行光管的位置使狹縫的像與分劃板上的十字叉絲水平線相平行，并且像中心對準于十字叉絲的中心點；然后將狹縫套筒轉(zhuǎn)回到垂直位置，并確認像與垂直十字叉絲相重合，此時平行光管光軸調(diào)節(jié)完畢，將光管和狹縫套筒的相關(guān)緊固螺釘鎖死。2.用最小偏向角法測三棱鏡的折射率圖16-8三棱鏡在載物臺上的位置1，調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面垂直于儀器轉(zhuǎn)軸目的是調(diào)節(jié)三棱鏡兩個折射面的法線垂直于儀器轉(zhuǎn)軸。將三棱鏡如圖方式放置，則工作面AB,AC的法線俯仰分別由al和a3兩個螺釘控制并且不會相互影響。某一個反射面AB法線位置的調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)其對應(yīng)的控制螺釘al，使得望遠鏡可以看到通過該面反射回來的綠

8、色十字像，并且2l2l以上測量過程重復(fù)進行5次。十字像與分劃板中的上十字叉絲相重合，說明反射面該面的法線方向調(diào)節(jié)-7-(b)圖16-10測最小偏向角3，測最小偏向角8.min將三棱鏡放置于載物臺上，使平行光管射出的平行光從棱鏡的一個折射面射入，從另一個面射出。左右旋動望遠鏡位置以找到出射光的像（狹縫像）。然后轉(zhuǎn)動載物臺改變?nèi)肷涿嫦鄬εc平行光管的角度入射角隨之改變，同時注意觀察出射光線角度的變化，并用望遠鏡追蹤以保證狹縫的像始終在望遠鏡的視野內(nèi)。在追蹤過程中發(fā)現(xiàn)出射光的像移動到某一位置時停頓一下并開始往反方向移動，說明這個停頓位置即為最小偏向角對應(yīng)的出射光位置I。將載物臺的位置固定于此，然后轉(zhuǎn)動

9、望遠鏡使其十字叉絲的中心對準狹縫像的中心，讀取刻度盤上望遠鏡的角位置01和Q1'。轉(zhuǎn)動載物臺，使得整個折射光路向與剛才對稱的方向進行，同樣通過望遠鏡的追蹤找到最小偏向角的位置II以后固定，讀取刻度盤上望遠鏡的角位置Q2和Q2'。如上頁圖中所示的幾何關(guān)系，此時同一游標前后兩次讀數(shù)之差為最小偏向角§的兩倍。則最小偏向角§的計算公式如下：minmin§=；(ie-©i+le'-©'|)min42121以上測量過程重復(fù)5次。最后綜合所測得的棱鏡頂角a和最小偏向角§，結(jié)合之前實驗原理中所敘述的折射率計算公式，代m

10、in入公式中，即可求得該三棱鏡的折射率n，并計算折射率n的不確定度。注意：本實驗中各個光學(xué)儀器均為精密儀器，在未松開緊固螺絲之前不可強行移動，以免損壞；另外以其上的光學(xué)反射面和透射面不可用手觸碰，以免留下污漬而影響光學(xué)效果。數(shù)據(jù)記錄與處理：1,測量頂角a的數(shù)據(jù)1234501238°37'238°37'238°28'238°24'238°24'01'58°38'58°25'58°21'58°20'58°22'0

11、2118°41'118°26'118°25'118°49'118°25'02'298°39'298°22'298°22'298°39'298°23'轉(zhuǎn)化為弧度制，得到這樣的數(shù)據(jù)：12345014.1654.1654.1624.1614.16101'1.0231.0201.0181.0181.019022.0712.0672.0672.0742.06702'5.2125.2075.2075.21

12、25.2082,測量最小偏向角&min1234501229°39'229°38'229°40'229°39'229°38'01'49°48'49°39'49°39'49°47'49°42'02127°58'127°57'127°57'127°56'127°57'02'307°56'307

13、°54'307°53'307°54'307°55'轉(zhuǎn)化為弧度制，得到這樣的數(shù)據(jù)：12345014.0084.0084.0084.0084.00801'0.8690.8670.8670.8690.867022.2332.2312.2332.2332.23302'5.3745.3745.3745.3745.374以下數(shù)據(jù)處理過程中，為方便計算，所有角度未加注明，均為弧度制表示結(jié)果與分析：根據(jù)上一頁的數(shù)據(jù)進行計算，首先計算棱鏡的頂角a:得到、叮、吧、叮的各自平均值如下:£叮4.1631.0202.069

14、5.210a二皆一&+爐'一丿二4-4(2.096-4.163+C.28-15.210-1.020|4(2.094+2.09)=1.046下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)，分別計算悴叮、叮叮的各自A類不確定度:幷的A類不確定度:xi-avg0.0020.002-0.001-0.002-0.002人20.0000041560.0000041560.0000003360.0000030580.000003058SUMA人20.000014764S0.001280791s'0.000405022t92.26U0.000915349T的A類不確定度:xi-avg0.0040.000-0.001

15、-0.002-0.001人20.0000138200.0000000031.49263E-060.0000023060.000000856SUMA人20.000018477S0.001432824s'0.000453099t92.26U0.001024003e2的A類不確定度:xi-avg0.002-0.002-0.0020.005-0.002人20.0000027030.0000037404.97527E-060.0000225700.000004975SUMA人20.000038963S0.002080685s'0.00065797t92.26U0.001487013叮的A

16、類不確定度:xi-avg0.003-0.002-0.0020.003-0.002人20.0000084550.0000041274.12725E-060.0000084550.000003071SUMA人20.000028235S0.001771213s'0.000560107t92.26U0.001265841總的A類不確定度為：1-U(a)二U(0)2+U(0')2+U(0)2+U(0')2二0.000596867A4"a1A1A2A2B類不確定度：1_U(a)二U(0)2+U(0')2+U(0)2+U(0')2二0.00014544B4B

17、1B1B2B2頂角的合成不確定度：U(a)二、U(a)2+U(a)2二0.000614332PAB頂角的測量結(jié)果表達式為：a=1.046+0.001rad根據(jù)第二部分的數(shù)據(jù)，計算該棱鏡的最小偏向角&min：得到°、%、0；、叮的各自平均值如下:4.008&-1min401'0.8682.2335.374(2.233-4.008+C.2815.374-0.868|=：(1.775+1.774)=0.88725下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)，分別計算打01'、叮叮的各自A類不確定度:的A類不確定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000人20.0

18、000000040.0000000560.0000001270.0000000040.000000056SUMA人20.000000246S0.000165495s'5.2334E-05t92.26U0.00011827501'的A類不確定度:xi-avg0.001-0.001-0.0010.0010.000人20.0000021190.0000013510.0000013510.0000013430.000000084SUMA人20.000006248S0.000833205s'0.000263482t92.26U0.00059547們的A類不確定度:xi-avg0.

19、001-0.0010.0000.0000.000人20.0000004170.0000019500.0000001220.0000000030.000000122SUMA人20.000002613S0.000538827s'0.000170392t92.26U0.000385086e2'的A類不確定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000人20.0000002160.0000000120.0000001670.0000000120.000000028SUMA人20.000000435S0.000219939s'6.95509E-05t92.26

20、U0.000157185總的A類不確定度為：1,U(8)二U(e)2+U(e')2+U(e)2+U(©)2二0.000183979Amin4A1A1A2A2B類不確定度：1u(8)二u(e)2+u(e')2+u(e)2+u(ey二0.00014544Bmin4B1B1B2B2最小偏向角的合成不確定度：U(8)二vU(8_)2+U(8_)2二0.000234523minAminBmin最小偏向角的測量結(jié)果表達式為：8=0.8873+0.0002radmin計算棱鏡的折射率及其不確定度.8+arSinminn=2=1.54647696.bsin-28+aa、min-cot22丿(U+cotLn+a2=0.000567558min那么該棱鏡折射率的最終結(jié)果表達式為：n=1.5465土0.0006-9-討論、建議與質(zhì)疑：3. 當(dāng)望遠鏡中看到綠色十字像與分劃板上方的十字叉絲重合時，光路圖如下所示：十宇直紋與分創(chuàng)板由于分劃板上的上十字叉絲與下方的綠色亮紋在豎直方向上是中心對稱的