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1、分光计的调节及棱镜角的测量,制作：张晶辉,一、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、掌握测定棱镜角的方法3、用自准直法测定棱镜角,二、实验仪器,分光计 汞灯（或钠光灯）三棱镜 平行平板双面反射镜,三、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、衍射角等等，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，用来观察光谱，测量光谱线的波长等。下面以JJY型分光计为例，说明它的结构原理和调节方法。,1、分光计的结构,图1 JJY型分光计的结构外形图平行光管：1狭缝2紧固螺钉 3平行光管 26平行光管光轴
2、水平调节螺钉 27平行光管倾斜度调节螺钉 28狭缝宽度调节手轮望远镜：8望远镜 9紧固螺钉 10分划板 11目镜（带调焦手轮）12望远镜倾斜度调节螺钉 13望远镜光轴水平调节螺钉 14支臂 15游标圆盘微调螺钉 17制动架 18望远镜制动螺钉载物台：5载物台 6载物台调平螺钉（3只）7载物台紧固螺钉圆刻度盘：16读数刻度盘制动螺钉 21读数刻度盘 22游标盘 24游标盘微调螺钉 25游标盘制动螺钉其他：4制动架 19底座 20转座 23立柱,分光计主要由底座、望远镜、准直管、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
3、坚实。在底座的中央固定着中心轴，刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。2、准直管固定在底柱的立柱上，它是用来产生平行光的。准直管的一端装有消色差物镜，另一端为装有狭缝的套管，狭缝的宽度可在0.022mm范围内改变。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进行方向的。物镜Lo和一般望远镜一样为消色差物镜，但目镜Le的结构有些不同，常用的是阿贝式目镜。,阿贝目镜式望远镜就是在目镜和分划板之间装有全反射直角棱镜，直角棱镜上刻有“十”字，从目镜观察，叉丝的一小部分被直角棱镜挡住，呈现它的阴影。目镜筒套安装在分划板的套筒内。调节图1中所示的手轮1
4、1可改变目镜和分划板的距离。分划板套筒又套在物镜筒内，前后移动分划板套筒，可改变目镜和分划板相对于物镜的距离。若在物镜前放平面镜，使平面镜镜面与望远镜光轴垂直，且分划板位于物镜焦平面上时，则焦平面(分划板)上发出的光(绿十字)经物镜后形成平行光射于平面镜，由平面镜反射经物镜后在焦平面(分划板)上形成绿十字反射像，如图2所示。,图2 阿贝目镜式望远镜,4、分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套机构，正确运用它们对于测量很重要，它们是：（1）望远镜止动和微动控制机构，图1中的16、15；（2）分光计游标盘止动和微动控制机构，图1中的25、24；（3）望远镜和度盘的离合控制机构，图1中的17。转动望
5、远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的止动用螺钉；微调望远镜及游标位置时要先拧紧止动螺钉。要改变度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们之间的离合控制螺钉，调整后再拧紧，一般是将度盘的0线置于望远镜下，可以减少在测角度时0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3 分光计读数示例,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0
6、360的圆刻度，分度值为0.5。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔180处设有两个游标V左和V右，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。分光计的读数方法参照游标原理，如图3所示读数应为13944。,记录测量数据时，必须同时读取两个游标的读数（为了消除度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差）。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0线不通过游标。记录与计算角度时，左、右游标分别进行，注意防止混淆算错角度。,2、分光计的调节,1、调节要求 分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此要求：（1）分光计的光学系统（准直管和望远镜）要适应
7、平行光。（2）从度盘上读出的角度要符合观测现象中的实际角度。,图4 分光计观测系统的三个平面,分光计观测系统的三个平面,读值平面,观察平面,待测光路平面,读取数据的平面，由主刻度盘和游标内盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体的分光计，读数平面都是固定的，且和中心主轴垂直,望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时形成的。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,由准直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的方位,按调节要求，应将此三个平面调节成相
8、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,2、调节方法,粗调,细调,在分光计调节中，粗调很重要，如果粗调不认真，可能给细调造成困难,补充方法,（1）旋转目镜手轮（即调节目镜与叉丝之间的距离），看清测量用十字叉丝（如图2）。（2）用望远镜观察尽量远处的物体，前后调节目镜镜筒（即调节物镜与叉丝之间的距离），使远处物体的像和目镜中的十字叉丝同时清楚。这时，望远镜已聚焦无穷远。（3）载物台平面（可调载物台下三个水平调节螺钉顶起载物台的螺距相等）和望远镜轴尽量调成水平（目测）。,这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到分划板上的刻线,将分光计附件平面反射镜（或三棱镜）（如图5所示）放在载物台
9、上（注意放置方位，如图放置则主要由1个螺钉控制一个反射面的倾斜）。,图5 分光计附件方位放置示意图,应用自准直原理调望远镜适合平行光。（这是要将分划板调到物镜焦平面上。这时，当光束射到前面的平面镜上，由镜面反射回来的平行光经物镜成象在分划板上，在目镜中将看到清晰的十字叉丝的像，如图6所示）,点亮“小十字叉丝”照明用电灯；,将望远镜垂直对准平面镜（或三棱镜）的一个反射面，如果从望远镜中看不到绿色“小十字叉丝”的反射像，就慢慢左右转动载物平台去找（粗调认真，均不难找到反射像），如果仍然找不到反射像时，就要稍许调节望远镜光轴高低调节螺钉，再慢慢左右转动载物平台去找；,看到“小十字叉丝”反射像（如图6
10、（a）后，再前后微调目镜镜筒，使小十字叉丝反射像清楚且和测量用叉丝间无视差。这样，望远镜就已适合平行光，以后不许再改变望远镜的调焦状态。,转动载物平台，使另一镜面对准望远镜，左右慢慢转动平台，看到反射的小十字叉丝像，如果它和调整叉丝不重合，再同上由望远镜和螺钉b2各调回一半。,用逐次逼近法调望远镜光轴与中心转轴垂直（即将观察面调成平面，观察平面与读数平面平行）,由镜面反射的小十字叉丝像和调整叉丝如果不重合，调节望远镜倾斜使二叉丝间的偏离减少一半，再调节平台螺钉b1使二者重合，如图6（b）；,图6 望远镜内的叉丝平面示意图,问题：为什么有时候平面镜的第一面见到了绿色小十字像，而在第二面却找不到呢
11、？,时常发现从平面镜的第一面见到了绿色小十字像，而在第二面却找不到，这可能是粗调不细致，经第一面调节后，望远镜光轴和平台面均显著不水平，这时要重作粗调；如果望远镜轴及平台面无明显倾斜，这时往往是小十字像在调节叉丝上方视场之外，可适当调节望远镜倾斜（使目镜一侧升高些或降低些）去找。,反复进行以上的调整，直至不论转到那一反射面，小十字叉丝像均能和调整叉丝重合，则望远镜光轴与中心转轴已垂直。此后注意不要再变动望远镜的倾角螺钉。此调节法称为逐次逼近法或各半调节法（问：上述调节后载物平台的台面与中心转轴是否已垂直？）,调节准直管使其产生平行光，并使其光轴与望远镜的光轴重合。,关闭望远镜叉丝照明灯，用光源
12、照亮准直管狭缝；转动望远镜，对准准直管；,将狭缝宽度适当调窄，前后移动狭缝，使从望远镜看到清晰的狭缝像，并且狭缝像和测量叉丝之间无视差。这时狭缝已位于准直管准直物镜的焦平面上，即从准直管出射平行光束；,调节望远镜和狭缝（注意不能前后移动狭缝）的位置，使狭缝的像与分划板上的竖直线重合。然后固定狭缝和望远镜的位置，调节平行光管（准直管）的高低调节螺钉，使狭缝的像相对于测量用叉丝对称，即使狭缝的像的中心位于望远镜测量用十字叉丝的交点上，这时准直管和望远镜的光轴平行，并近似重合。,第二种方法：调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴,图7 平行光管光轴与望远镜光轴共线图,将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平
13、面上，物镜将出射平行光。,调整方法是：取下平面镜和目镜照明光源，狭缝对准前方水银灯光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝像，沿轴向移动狭缝筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光。,再将狭缝转向横向，调平行光管仰角调节螺钉，将像调到测量用十字叉丝的中心横线上，见图7(a)。这表明平行光管光轴已与望远镜光轴共线，所以也垂直仪器主轴。平行光管仰角调节螺钉不能再动(为什么?)。再将狭缝调成垂直，锁紧螺钉，见图7(b)。,3、应用分光计测量棱镜角,、调节待测光路平面与观察平面重合，即调节棱镜折射的主截面垂直于仪器的主轴。,分光计的本体如上所述已经调节好，即应用自准直原理将望远镜对无穷远调焦，使
14、望远镜的光轴垂直于仪器的主轴，使准直管产生平行光，并与望远镜共轴。现须调节待测光路平面与观察平面重合，具体方法分为两步。,（1）将待测棱镜按图8所示的方法，放置在载物平台上，使折射面AB与平台调节调节螺钉b1、b3的连线相垂直。这时调节螺钉b1或b3，能改变AB面相对于主轴的倾斜度，而调节螺钉b2对AB面的倾斜度不产生影响。,图8（a）待测棱镜的放置方法 图8（b）棱镜顶角A的测量,（2）调节三棱镜的主截面垂直于仪器的主轴。,三棱镜的棱镜角A是棱镜主截面上三角形两边之间的夹角。应用分光计测量时，必须使待测光路平面与棱镜的主截面一致。由于分光计的观察平面已调节好并垂直于仪器的主轴，因此棱镜的主截
15、面也应垂直于仪器的主轴。即调节三棱镜的两个折射面AB和AC，使之均能垂直于望远镜的光轴(下述过程中望远镜已调好，不能再调)。调节的方法是先用望远镜对准棱镜的AB面，细调螺钉b1或b3，使望远镜目镜视场中能看见清晰的叉丝反射像，并和调整叉丝重合，如图6（b）所示。旋转棱镜台，再将棱镜的AC面对准望远镜，微调螺钉b2，又可见十字叉丝的反射像呈现在视场中。在一般情况下，视场中的两对叉丝在垂直方向上将不再重合。重复进行调节，直至无论望远镜对准棱镜的AB面或AC面时，十字叉丝的反射像均能和调整叉丝无视差地重合，此时，棱镜的主截面才和仪器的主轴相垂直。至此，分光计测量前的准备工作已全部调节完成。,注意，调
16、节后的分光计在使用中，不要破坏已调好的条件；又分光计上可调螺钉较多，要明确它们的作用。,、棱镜角的测量,（1）自准直法,图9 自准直法光路示意图,将待测棱镜置于棱镜台上，固定望远镜，点亮小灯照亮目镜中的叉丝。对两游标作一适当标记，分别称游标1和游标2，切记勿颠倒。保持望远镜和刻度盘固定不动，转动游标盘连带棱镜台，使棱镜的一个折射面对准望远镜，用自准直法调节望远镜的光轴与此折射面严格垂直，即使十字叉丝的反射像和调整叉丝完全重合。如图8（b）及图9所示。记录刻度盘上游标1的读数和游标2的读数；再转动游标盘连带载物平台，依同样方法使望远镜光轴垂直于棱镜第二个折射面，记录刻度盘上游标1的读数和游标2的
17、读数；同一游标两次读数之差即是载物台转过的角度，而是角的补角，则,重复测量五次，计算棱镜角A的平均值和标准不确定度。,（2）棱脊分束法,图10 棱脊分束法光路示意图,如图10所示，将待测棱镜置于载物平台上，使棱镜的顶角对准准直管，由准直管射出的平行光束被棱镜的两个折射面分成两部分，固定分光计上的其余可动部分，转动望远镜至左边位置，观察由棱镜的一折射面所反射的狭缝像，使之与竖直叉丝重合，记下望远镜的位置读数、。转动望远镜至右边位置，观察由棱镜另一折射面所反射的狭缝像，再使之与竖直叉丝重合，同样记下望远镜的位置读数、。望远镜的两位置所对应的游标读数之差为棱镜顶角A的两倍。棱镜顶角A为,重复5次，求
18、出棱镜顶角A。,注意：在测量时，应将三棱镜的折射棱靠近棱镜台的中心放置，否则由棱镜两折射面所反射的光将不能进入望远镜。,四、实验步骤,1、参照上述方法完成分光计测量之前的调节工作；,2、应用自准直法测量棱镜角A。,五、数据记录及处理,分光计调节补充,1、载物台倾角没调好的表现及调整：,假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，见图1。平面镜面反射光偏上，载物台转180，面反射光偏下，目镜中看到的现象是面反射像在面反射像上方。调整方法是把面像(或面像)向上(向下)调到两像点距离的一半使镜面和的像落在分划板上同一高度。,图1 载物台倾角没调好的表现及调整原理,2、望远镜光轴没调好的表现及调
19、整：,假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，见图2。在图2(a)中，无论平面镜面还是面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十字线的上方。在图2(b)中，镜面反射光都偏下，反射像像落在上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调切螺钉(12)，把像调到上十字线上即可，见图2(c)。,图2 望远镜光轴没调好的表现及调整原理,3、载物台和望远镜光轴都没调好的表现和调整方法：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)，再把像调到上十字线上，见图2(c)。,4、分光计调整要达到什么要求？分光计调整要达到三个要求：望远镜调焦到无穷远；平行光管
20、出射平行光；平行光管和望远镜的光轴应与分光计中心轴垂直。,5、怎样判定望远镜适合观察平行光？如何调整？从望远镜中能同时清晰看到分划板十字准线和绿色反射像且无视差。对望远镜的目镜和物镜进行调焦，其中物镜调焦用“自准直法”进行。,6、怎样判定望远镜光轴与分光计中心轴垂直？如何调整？分别从小镜两反射面反射回来的两反射像，均与分光板的调整用准线（分划板上方的十字叉线）重合。在望远镜能接收平行光的基础上，根据反射定律，应用“各半调节法”进行调整。,7、怎样判定平行光管出射平行光？如何调整？从望远镜里可清晰看到平行光管狭缝的像呈现在分划板上且无视差。望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操作绝对不能动望远
21、镜的仰角调节螺丝以及物镜和目镜的焦距），从望远镜观察平行光管狭缝的像，调节平行光管透镜的焦距，使从望远镜清晰看到狭缝的像（一条明亮的细线）呈现在分划板上为止。这时望远镜接收到的是平行光，也就是说，平行光管出射的是平行光。,8、怎样判定平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直？如何调整？从望远镜看到的狭缝像与分光板上的竖直准线重合，狭缝像转90o后又能与中心水平准线重合。在上一步的基础上，调节平行光管（或望远镜）的水平摆向调节螺丝，使狭缝细线像与十字竖线重合，然后转动狭缝90o，调节平行光管的仰角螺丝，使狭缝细线像与中心水平线重合。这时平行光管光轴与望远镜光轴共线，也就与分光计中心轴垂直。,9、转动望远镜时，如望远镜越过了刻度0点，应按下式计算望远镜转过的角度,10、载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例,
