物理實驗培訓(xùn)所用光學(xué)

調(diào)節(jié)分光計并用掠入射法測定折射率實驗?zāi)康牧私夥止庥嫷慕Y(jié)構(gòu)、作用和工作原理；掌握分光計的調(diào)節(jié)方法和使用規(guī)則.了解掠入射法原理，并用掠入射法測定三棱鏡的折射率。實驗儀器分光計的構(gòu)造原理分光計的調(diào)節(jié)方法三棱鏡鈉光光源分光計分光計的主要用途分光計的測量方法分光計的主要用途分光計是精確測定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，也稱測角儀。光學(xué)中的許多基本量如波長、折射率等都可以直接或間接的表現(xiàn)為光線的偏轉(zhuǎn)角，因而利用分光計可測量波長、折射率等。使用分光計時必須經(jīng)過一系列的精細(xì)的調(diào)整才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，它的調(diào)整技術(shù)是光學(xué)實驗中的基本技術(shù)之一，必須正確掌握。分光計的構(gòu)造原理平行光管望遠(yuǎn)鏡的目鏡選阿貝目鏡，在目鏡和叉絲之間裝有一個全反射小三棱鏡，可以將小燈泡的光引入有“十”透光窗的分劃板，當(dāng)分劃板的位置剛好在望遠(yuǎn)鏡的焦平面上時，從載物臺上放置的平面鏡上反射回來的光正好落在分劃板上形成一個清晰的十字象。利用這個原理可以將望遠(yuǎn)鏡調(diào)好。分光計的測量方法分光計測角度（兩條光線的夾角）的方法游標(biāo)和刻度盤各有各自的轉(zhuǎn)軸，可以分別繞儀器的中心

軸轉(zhuǎn)動。測量時，游標(biāo)盤固定，望遠(yuǎn)鏡帶動刻度盤一起

轉(zhuǎn)動，刻度盤與游標(biāo)盤之間相對運動的角度即為望遠(yuǎn)鏡

轉(zhuǎn)過的角度。望遠(yuǎn)鏡通常先對準(zhǔn)某條光線（如入射光），轉(zhuǎn)動后對準(zhǔn)另一條光線（如折射光），望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度既是這兩條光線之間的夾角。分光計的讀數(shù)與游標(biāo)

卡尺的讀數(shù)類似，如右圖，游標(biāo)的零刻度線對準(zhǔn)的刻

度盤讀數(shù)為116o15’。望遠(yuǎn)鏡偏心差在儀器制作和裝配過程中，游標(biāo)的中心和刻度盤的中心可能不在一個點上。如圖所示，圖中O為游標(biāo)的中心，O’為刻度盤的中心，如果兩個中心重合，則從兩個游標(biāo)上測到的角度是相同的，當(dāng)兩個中心不重合時，兩個游標(biāo)得到的角度不再相等。測量到的角度與實際望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度之間的誤差為儀器本身的系統(tǒng)誤差，被稱為偏心差。幾何上可以證明，因此通過兩個游標(biāo)測量角度就可以消除偏心差。aba’b’OO’2則望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度即為q

－q

’+

q

－q

’q

=

左

左

右

右q右’q右q左q左’望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角度的計算公式設(shè)望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲先對準(zhǔn)某條光線，此時，左右兩個游標(biāo)的零刻度線分別對準(zhǔn)q左和q右，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲對準(zhǔn)另一條光線后，左右兩個游標(biāo)的零刻度線分別對準(zhǔn)q左’和q右’。注意事項1、刻度盤上最小刻度為30’，測量時看清游標(biāo)零刻度線是否越過刻度盤上30’刻度線。2、在計算望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度時，要注意游標(biāo)是否經(jīng)過了刻度盤的0o或360o刻度線。若越過，則對旋轉(zhuǎn)角度的計算公式應(yīng)予以修正（思考如何修正）分光計的調(diào)節(jié)方法三垂直——望遠(yuǎn)鏡軸線垂直中心轉(zhuǎn)軸；載物平臺垂直中心轉(zhuǎn)軸；

平行光管軸線垂直中心轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)要求調(diào)節(jié)步驟望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)望遠(yuǎn)鏡軸線及平臺與中心轉(zhuǎn)軸垂直平行光管軸線與中心轉(zhuǎn)軸垂直讀數(shù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)目測粗調(diào)目測粗調(diào)目測并調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管的水平和垂直調(diào)節(jié)螺

釘，使望遠(yuǎn)鏡和平行光管大致與儀器的中心軸垂直，調(diào)節(jié)載物平臺下的三個調(diào)節(jié)螺絲，使平臺基本水平。注意：望遠(yuǎn)鏡的仰角調(diào)節(jié)螺絲和載物平臺下的三個調(diào)節(jié)螺絲都應(yīng)為后面細(xì)調(diào)預(yù)留調(diào)節(jié)余度，即不能將它們擰到極限位置。望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)調(diào)節(jié)目鏡直到能清晰的看到叉絲；點亮目鏡旁的小燈照亮叉絲，叉絲經(jīng)望遠(yuǎn)鏡被成像在無限遠(yuǎn)。在載物臺上放置一平面反射鏡，且與b1b2連線平行，將叉絲像反射回來作為一個無限遠(yuǎn)的物，調(diào)節(jié)平面反射鏡和望遠(yuǎn)鏡的俯仰，使得從望遠(yuǎn)鏡中能看到反射回來的叉絲像，這時對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)反射回來的叉絲像變得最清晰，并且與叉絲之間沒有視差時，叉絲和叉絲像都位于望遠(yuǎn)鏡的焦平面上，望遠(yuǎn)被調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)，鎖定望遠(yuǎn)鏡套筒。注意：望遠(yuǎn)鏡的市場很小，當(dāng)反射鏡的法線和望遠(yuǎn)鏡的光軸偏離較大時，在望遠(yuǎn)鏡中看不到反射的光團，此時應(yīng)眼睛順著望遠(yuǎn)鏡的鏡筒外向平面反射鏡望去，調(diào)節(jié)反射鏡和望遠(yuǎn)鏡的仰俯，直到望遠(yuǎn)鏡及其在平面反射鏡中的像均在一條直線上，直到在望遠(yuǎn)鏡中能看到反射的叉絲像。b3b1b2望遠(yuǎn)鏡視差：叉絲和叉絲像不處在同一平面，導(dǎo)致無法利用叉絲定位判斷：左右移動眼睛看叉絲和叉絲像的現(xiàn)對位置是否發(fā)生改變上一步調(diào)節(jié)后使叉絲和叉絲像重合，只能說明望遠(yuǎn)鏡的光軸和反射鏡的法線平行，即望遠(yuǎn)鏡垂直于反射鏡，但不能說明望遠(yuǎn)鏡的光軸與儀器的中心轉(zhuǎn)軸相互垂直。這時將平面反射鏡繞儀器的中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)180度，甚至有可能在望遠(yuǎn)鏡中看不到反射回來的叉絲像。望遠(yuǎn)鏡軸線與中心轉(zhuǎn)軸垂直采用“減半逐步逼近法”將亮“十”字反射像調(diào)到準(zhǔn)線的MN線上。在保證叉絲像不脫離視場的前提下，同時調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平面反射鏡的仰俯，直到平面反射鏡兩面的反射像都出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的視場中為止。再次將平面反射鏡一面反射的叉絲像與叉絲調(diào)節(jié)重合，出現(xiàn)a情況。將平面反射鏡轉(zhuǎn)180度，可能出現(xiàn)b情況，如果反射叉絲像和叉絲之間的距離為d，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的仰俯使叉絲像向叉絲移動d/2，再調(diào)節(jié)平面反射鏡的仰俯使叉絲像與叉絲重合。反復(fù)多次，直至雙面反射鏡轉(zhuǎn)動180度前后十字光標(biāo)都能落到MN線上。至此以后，不再碰動螺絲a和望遠(yuǎn)鏡的仰角螺絲。b3b1b2望遠(yuǎn)鏡ab平行光管軸線與中心轉(zhuǎn)軸垂直(略）調(diào)節(jié)步驟1、取走反射鏡，將已調(diào)節(jié)好的望遠(yuǎn)鏡正對著平行光管，打開鈉燈，照亮狹縫。2、松開狹縫套筒鎖定螺絲，調(diào)節(jié)狹縫套筒前后位置，使望遠(yuǎn)鏡視場中能看到清晰的狹縫像（白色）。3、旋轉(zhuǎn)狹縫套筒調(diào)節(jié)狹縫方向，使狹縫像與望遠(yuǎn)鏡分劃板水平叉絲平行。調(diào)節(jié)平行光管仰角螺絲，使狹縫像與分劃板中間水平叉絲重合。至此以后，不再碰動平行光管仰角螺絲。4、調(diào)節(jié)狹縫的粗細(xì)調(diào)節(jié)旋鈕，使縫寬適當(dāng)。一般狹縫較細(xì)測量才能準(zhǔn)確。讀數(shù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)步驟1、將狹縫轉(zhuǎn)為豎直方向，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲對準(zhǔn)入射光（狹縫像），然后將望遠(yuǎn)鏡用止動螺絲固定。2、將游標(biāo)置于一左一右，用游標(biāo)止動螺絲固定。3、松開望遠(yuǎn)鏡與刻度盤的鎖定螺絲，轉(zhuǎn)動刻度盤，使左右兩個游標(biāo)0刻度分別對準(zhǔn)90o和270o。立刻將望遠(yuǎn)鏡與刻度盤的鎖定在一起。4、松開望遠(yuǎn)鏡止動螺絲，使望遠(yuǎn)鏡可以帶動刻度盤轉(zhuǎn)動。目的：使望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)入射光時，刻度盤左右兩邊讀數(shù)分別為90o和270o?；蛉肷涔鈱?yīng)的刻度盤讀數(shù)為q左＝90o，q右＝

270o。實驗原理實驗內(nèi)容調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面與儀器轉(zhuǎn)軸垂直測頂角A測極限角φ調(diào)節(jié)分光計測定玻璃的折射率調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面與儀器轉(zhuǎn)軸垂直三棱鏡的三條邊分別垂直于三個螺釘?shù)倪B線，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤是AB面正對望遠(yuǎn)鏡，調(diào)節(jié)b1使

亮“十”字反射像在MN線上，然后使AC面正對望遠(yuǎn)鏡，調(diào)節(jié)b3使亮“十”字反射像在

MN線上，反復(fù)調(diào)節(jié)直到兩個面反射的亮

“十”字像均在MN線上。（注意：不可調(diào)

節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾角螺釘）測頂角A玻璃棱鏡的頂角一般為60°，但是在加工時并不能嚴(yán)格保證是嚴(yán)格的60

°。如圖所示，只要測量三棱鏡兩個光學(xué)面的法線之間的夾角，即可求得頂角。在調(diào)節(jié)使三棱鏡的主截面垂直于儀器轉(zhuǎn)軸以后，即可進(jìn)行測量?？梢怨潭潭缺P和望遠(yuǎn)鏡，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤和載物臺；也可以固定游標(biāo)盤和載物臺而轉(zhuǎn)動刻度盤和望遠(yuǎn)鏡。如圖，當(dāng)AB反射的叉絲像與叉絲重合時在游標(biāo)上讀得α1，β1，當(dāng)AC面垂直于望遠(yuǎn)鏡時讀得α2,β2。顯然：?=（‰α2-α1‰+‰β2-β1‰）/2由上圖可知：A=180`-?測極限角φ鈉光燈毛玻璃ABC注意事項1、調(diào)節(jié)分光計時，每調(diào)好一步，調(diào)好的部件不要碰動。2、測量時，游標(biāo)盤一定要固定，望遠(yuǎn)鏡和刻度盤一定要鎖定。3、轉(zhuǎn)動三棱鏡找最小偏向角，對每條折射光都應(yīng)重復(fù)該過程。4、兩條黃色折射光靠得很近，為區(qū)分它們，可將狹縫調(diào)小些。藍(lán)綠折射光較弱，看不到時可將狹縫調(diào)大些。觀測氫原子光譜目的要求1、測氫原子巴耳末系發(fā)射光譜的波長和氫的里德伯常量2、了解氫原子能級與光譜的關(guān)系，畫出氫原子能級圖；3、了解光柵的分光作用。儀器氫燈，汞燈，平面透射光柵，分光計，放大鏡，平面鏡。實驗原理光柵與棱鏡一樣是常用的分光元件。根據(jù)夫瑯和費衍射理論，當(dāng)一束平行光垂直入射到光柵平面上時，衍射光滿足下面光柵方程，并在衍射角φ方向上有亮條紋出現(xiàn)。dsinφ=kλ(k=0,

±1,

±2,

…)D為光柵常數(shù)，d=a+b，其中a表示透光狹縫的寬度，

b表示不透光部分的寬度。對已知波長的光波，測出其經(jīng)光柵衍射后的衍射角，并判定其級次k后，即可測出所用光柵的光柵常數(shù)d；已知光柵常數(shù)d，就可以通過測出待測波長對應(yīng)的衍射角φ后，計算出待測波長。實驗內(nèi)容光柵的調(diào)節(jié)測定光柵常數(shù)觀測氫原子光譜調(diào)節(jié)分光計計算里德伯常量畫出能級圖計算巴耳末系三條譜線的波長光柵的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)光柵平面與平行光管垂直望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管，使目鏡中的準(zhǔn)線PP’對準(zhǔn)汞燈的狹縫像，如圖34-5，然后固定望遠(yuǎn)鏡，將光柵放在小平臺上，如圖34-6，調(diào)節(jié)b1、b2使光柵平面反射回來的亮“十”字像落在MN線上。