大学物理实验-分光计的调整和三棱镜折射率的测定.doc
- 文档编号:99248
- 上传时间:2022-10-03
- 格式:DOC
- 页数:9
- 大小:5.28MB
大学物理实验-分光计的调整和三棱镜折射率的测定.doc
《大学物理实验-分光计的调整和三棱镜折射率的测定.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大学物理实验-分光计的调整和三棱镜折射率的测定.doc(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
实验二十分光计的调整和三棱镜折射率的测定
【实验目的】
1.了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法。
2.了解测定棱镜顶角的方法。
3.用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。
【实验器材】
分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜。
【实验原理】
分光计是一种常用的光学仪器,实际上就是一种精密的测角仪,在几何光学实验中,主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等,而在物理光学实验中,加上分光元件(棱镜、光栅)即可作为分光仪器,用来观察、测量光谱线的波长等。
下面以学生型分光计(JJY型)为例,说明它的结构、工作原理和调节方法。
图5-11-1分光计
1-狭缝装置2-狭缝装置锁紧螺钉3-平行光管4-制动架
(一)5-载物台6-载物台调节螺钉(3只)
7-载物台锁紧螺钉8-望远镜9-目镜锁紧螺钉10-分划板11-目镜调节手轮12-望远镜仰角调节螺钉13-望远镜水平调节螺钉14-望远镜微调螺钉15-转座与刻度盘制动螺钉16-望远镜制动螺钉17-制动架
(二)18-底座19-转座20-刻度盘21-游标盘22-游标盘微调螺钉23-游标盘制动螺钉24-平行光管水平调节螺钉25-平行光管仰角调节螺钉26-狭缝宽度调节手轮
一、分光计的结构
分光计主要由底座、望远镜、平行光管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成,每部分均有特定的调节螺钉,图5-11-1为JJY型分光计的结构外型图。
1.分光计的底座要求平稳而坚实。
在底座的中央固定着中心轴,望远镜、刻度盘和游标内盘套在中心轴上,可以绕中心轴旋转。
2.平行光管固定在底座的立柱上,它是用来产生平行光的。
其一端装有消色差的汇聚透镜,另一端装有狭缝的圆筒,狭缝的宽度根据需要可在0.02~2mm范围内调节。
图5-11-2望远镜结构图5-11-3分划板
1-物镜2-外管3-分划板4-中管5-目镜系统6-内管7-小灯1-镜面反射像2-上十字线3-十字窗口
3.望远镜安装在支臂上,支臂与转座固定在一起,套在主刻度盘上,它是用来观察目标和确定光线的传播方向。
望远镜由目镜系统和物镜组成,为了调节和测量,物镜和目镜之间还装有分划板,它们分别置于内管、外管和中管内,三个管彼此可以相对移动,也可以用螺钉固定,如图5-11-2所示,在中管的分划板下方紧贴一块450全反射小棱镜,棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色,仅留一个绿色的小十字窗口,照明小灯发出的光线从小棱镜的另一直角边入射,从450反射面反射到分划板上,透光部分在分划板上便形成一个明亮的十字窗。
4.分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套结构,正确运用它们对于测量很重要,具体如下:
(1)望远镜制动和微动机构,图5-11-1中的16、14;
(2)分光计游标盘制动和微动控制机构,图5-11-1中的23、22;
(3)望远镜和刻度盘的离合控制机构,图5-11-1中的15。
转动望远镜或移动游标位置时,都要先松开相应的制动螺钉;微调望远镜及游标位置时要先拧紧制动螺钉。
要改变刻度盘和望远镜的相对位置时,应先松开它们间的离合控制螺钉,调整后再拧紧。
一般是将刻度盘的00线置于望远镜下,可以避免在测角度时,00线通过游标引起的计算上的不方便。
5.载物平台是一个用以放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的圆形平台,套在游标内盘上,可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。
当平台和游标盘(刻度内盘)一起转动时,控制其转动的方式与望远镜一样,也是粗调和微调两种。
平台下有三个调节螺钉,可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。
图5-11-4分光计的观测系统
6.望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。
主刻度盘上有00~3600的圆刻度,分度值为。
为了提高角度测量精密度,在内盘上相隔1800设有两个游标,游标上有30个分格,它和主刻度盘上29个分格相当,因此分度值为。
读数方法与游标卡尺的游标原理相同(该处称为角游标)。
记录测量数据时,为了消除刻度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差,必须同时读取两个游标的读数。
安置游标位置要考虑具体实验情况,主要注意读数方便,且尽可能在测量中刻度盘00线不通过游标。
记录与计算角度时,左右游标分别进行,防止混淆算错角度。
二、分光计的调节
分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度,因此应达到以下三个要求:
平行光管发出平行光;望远镜能接受平行光;望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。
用分光计进行观测时,其观测系统基本上应由以下三个平面构成,如图5-11-4所示。
读值平面:
这是读取数据的平面,由主刻度盘和游标盘绕中心转轴旋转时形成的。
对每一具体的分光计,读值平面都是固定的,且和中心主轴垂直。
观察平面:
由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。
只有当望远镜光轴与转轴垂直时,观察面才是一个平面,否则,将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面。
待测光路平面:
由平行光管的光轴和经过待测光学元件(棱镜、光栅等)作用后,所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。
调节载物平台下方的三个调节螺钉,可以将待测光路平面调节到所需方位。
按调节要求,应将此三个平面调节成相互平行,否则,测得角度将与实际角度有些差异,即引入系统误差。
1.调节望远镜和载物平台
(1)目镜调焦
这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到图5-11-3所示分划板上的刻线。
调接方法是把目镜调焦手轮轻轻旋出,或旋进,从目镜中观看,直到分划板刻线清晰为止。
(2)调节望远镜对平行光聚焦
图5-11-5载物台上双面镜放置的俯视图
实质是将分划板调到物镜焦平面上,调整方法如下:
1)把目镜照明,将双面平面镜放到载物台上,为了调节方便,平面境与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图5-11-5所示。
2)粗调望远镜光轴与镜面垂直目测将望远镜调成水平、载物台水平,使镜面大致与望远镜垂直。
3)观察与调节镜面反射像固定望远镜,转动游标盘,于是载物台跟着一起转动。
转动平面镜使其正好对着望远镜时,在目镜中应看到一个绿色十字随着镜面转动而动,这就是亮十字的反射像。
如果像有些模糊,只要沿轴向移动目镜筒,直到像清晰、无视差,再旋紧螺钉,此时望远镜已聚焦平行光。
(3)调整望远镜光轴与仪器主轴垂直
图5-11-6载物台倾角没调好的表现及调整原理
当镜面与望远镜光轴垂直时,它的反射像应落在目镜分划板上与下方十字窗对称的十字线中心,如图5-11-3所示。
平面镜绕轴转1800后,如果另一镜面的反射像也落在此处,这表明镜面平行仪器主轴。
当然,此时与镜面垂直的望远镜光轴也与仪器主轴垂直。
在调整过程中出现的某些现象是何原因?
调整什么?
应如何调整,这是要分析清楚的。
例如,是调载物台?
还是调望远镜?
调到什么程度?
下面简述之。
1)载物台倾角没调好的表现及调整
图5-11-7望远镜光轴没调好的表现及调整原理
假设望远镜光轴已垂直仪器主轴,但载物台倾角没调好,如图5-11-6所示。
平面镜A面反射光偏上,载物台转1800后,B面反射光偏下,在目镜中看到的现象是A面反射像在B面反射像的上方。
显然,调整方法是把B面像(或A面像)向上(或向下)调到两像点距离的一半,这一步要反复进行,最后使镜面A和B的像落在分划板上同一高度。
2)望远镜光轴没调好的表现及调整
假设载物台已调好,但望远镜光轴不垂直仪器主轴,如图5-11-7所示。
在图(a)中,无论平面镜A面还是B面,反射光都偏上,反射像落在分划板上十字线的上方。
在图(b)中,镜面反射光都偏下,反射像都落在分划板上十字线的下方。
显然,调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉(12),把像调到上十字线上即可,如图(c)。
3)载物台和望远镜光轴都没调好的表现及调整
表现是两镜面反射像一上一下。
先调载物台螺钉,使两镜面反射像像点等高(但像点没落在上十字线上),然后,调整望远镜仰角调节螺钉(12),把像调到上十字线上。
2.调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴
实质是将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上,物镜将出射平行光。
调整方法是:
取下平面镜,关掉目镜照明光源,狭缝对准照明光源,使望远镜转向平行光管方向,在目镜中观察狭缝的像,沿轴向移动狭缝套筒,直到像清晰。
这表明光管已发出平行光。
图5-11-8平行光管光轴与望远镜光轴共线
再将狭缝转向横向(水平),调节螺钉(25),将狭缝的像调到中心横线上,如图5-11-8(a)所示。
这表明平行光管光轴已于望远镜光轴共线,所以也垂直仪器主轴。
螺钉(25)不能再动。
最后,将狭缝调成竖直,锁紧螺钉
(2)。
如图5-11-8(b)所示。
三、用最小偏向角法测定三棱镜的折射率
如图5-11-9,一束单色光以角入射到AB面上,经棱镜两次折射后,从AC面折射出来,出射角为。
入射光和出射光的夹角称为偏向角。
当棱镜顶角A一定时,偏向角的大小随入射角的变化而变化。
而当=时,为最小(证明可参阅光学教材中的相关内容)。
此时的偏向角称为最小偏向角,记为。
图5-11-9三棱镜最小偏向角原理图
由图5-11-9中可以看到,此时,有
(5-11-1)
得
设棱镜折射率为,由折射定律得
(5-11-2)
由此可知,要求得棱镜的折射率,必须测出其顶角A和最小偏向角。
【实验内容】
1.调整分光计,使其处于工作状态。
调整方法见以上所述。
2.使三棱镜的光学表面垂直望远镜光轴
(1)调载物台的上下台面大致平行,将棱镜放到载物平台上,使棱镜三边与台下三个螺钉的连线所成三边互相垂直,如图5-11-10所示,这样,调节一个螺钉可以调节棱镜光学表面的倾斜度。
图5-11-10三棱镜在载物台上的正确方法
图5-11-11测棱镜顶角
(2)接通目镜照明光源,遮住从平行光管射来的光。
转动载物平台,在望远镜中观察从三棱镜的两个光学表面AC和AB反射回来的十字像,只调台下三个螺钉,使其反射像都落到上十字线处,如图5-11-11所示。
调节时,切莫动螺钉(12)。
注意:
每个螺钉调节的动作要轻,并同时观察它对各侧面反射像的影响。
棱镜调好后,其位置不能再动。
3.测棱镜顶角
对两游标作一适当标记,分别称左游标和右游标,在记录数据时,且勿颠倒。
扭紧刻度盘下螺钉(15)、(16),望远镜和刻度盘固定不动。
转动游标盘,使棱镜AC面正对望远镜,如图5-11-11所示。
分别记下左、右游标的读数和。
再转动游标盘,再使棱镜AB面正对望远镜,再分别记下左、右游标的读数和。
同一游标两次读数之差或,即是载物台转过的角度,所以,而是A角的补角,即
图5-11-12测量最小偏向角
反复测量3次,数据填入表5-11-1中。
4.测三棱镜的最小偏向角
(1)使平行光管狭缝对准钠光灯光源。
(2)松开望远镜制动螺钉(16)和游标盘制动螺钉(23),把载物台及望远镜转至如图5-11-12中所示的位置
(1)处,再左右微微转动望远镜,找出棱镜折射出的光线。
(3)轻轻转动载物台(改变入射角),望远镜中将看到光线跟着移动。
改变,使光线往减小的方向移动(即向顶角A方向移动)。
望远镜跟着光线移动,直到棱镜继续转动,而光线开始反向移动(即偏向角反而变大)为止。
这个反向移动的转折位置,就是光线以最小偏向角射出的方向。
固定载物台(锁紧螺钉23),微动望远镜,使其分划板上的中心竖线对准谱线。
(4)测量
记下此时两游标的读数和。
取下三棱镜(载物台保持不动),转动望远镜对准平行光管,即图5-11-12中
(2)的位置,以确定入射光的位置,再记下两游标的读数和。
此时该光线的最小偏向角为
反复进行三次,将数据填入表5-11-2中。
将值和测得的棱镜A角平均值代入式(5-11-2)计算。
并计算出折射
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大学物理 实验 分光计 调整 三棱镜 折射率 测定