分光计的调节和色散曲线的测定

分光计的调节和色散曲线的测定 一、实验目的 （1）了解分光计的构造与原理，学会调节分光计； （2）用最小偏向法测定玻璃折射率； （3）掌握三棱镜顶角的两种测量方法。 二、实验原理 1.分光计的结构及调节原理 要测准入射光与出射光之间的偏转角,必须满足两个条件:入射光与出射光均为平行光束；入射光和出射光的方向以及反射面或折射面的法线都与分光计的刻度盘平行. 为此,分光计上装有能产生平行光的平行光管,能接受平行光的望远镜,以及能承载光学元件的小平台；这三者的方位都能利用各自的调节螺钉作适当的调整.为了测出角度,还配有可与望远镜连结在一起的刻度盘。 （1）.望远镜 分光计中采用的是自准望远镜.它由物镜,叉丝分划板和目镜组成,分别装在三个套管上,彼此可以相对滑动以便调节,如图所示.中间的一个套筒里装有一块分划板,其上刻有 形叉丝,分划板下方与小棱镜的一个直角面紧贴着.在这个直角面上刻有一个十字形透光的叉丝,套筒上正对棱镜另一直角面处开有小孔并装一小灯.小灯的光进入小孔后经小棱镜照亮十字形透光叉丝.如果叉丝平面正好处在物镜的焦面上,从叉丝发出的光经物镜后成一平行光束.如果前方有一平面镜将这束平行光反射回来,再经物镜成像于其焦平面上,那么从目镜中可以同时看到 形叉丝与十字形的反射像,并且不应有视差.这就是用自准法调节望远镜适合于观察平行光的原理.如果望远镜光轴与平面镜的法线平行,在目镜里看到的十字形叉丝像应与 形叉丝的上交点互相重合(注意分划板上 叉丝的下横线在望远镜的中心轴线上,上横线与十字形透光叉丝的横线相对于轴线处于对称的位置上)。 （2）.平行光管 平行光管由狭缝和透镜组成,结构如图所示.狭缝与透镜之间距离可以通过伸缩狭缝套筒来调节。只要将狭缝调到透镜的焦平面上，则从狭缝发出的光经透镜后就成为平行光。狭缝的刀口是经过精密研磨制成的，为避免损伤狭缝，只有在望远镜中看到狭缝像的情况下才能调节狭缝的宽度。 （3）.刻度盘 分光计的刻度盘垂直于分光计主轴并且可绕主轴转动。为消除刻度盘的偏心差，采用两个相差180o的窗口读数。刻度盘的分度值为0.5度，0.5度以下则需用游标来读数。游标上的30格与刻盘上的29格相等，故游标最小分度值为1分。2.用最小偏向角法测玻璃的折射率 一束平行的单色光入射到三梭镜的AB面，经折射后由另一面AC射出，如图所示。入射光和AB面法线的夹角i称为入射角，出射光和AC面法线的夹角i’称为出射角，入射光和出射光的夹角 称为偏向角。可以证明，当入射角i等于出射角i’时，入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角 。 由图可知，光线偏向角 3.色散及色散曲线的拟合 当入射光不是单色光时，虽然入射角对各种波长的光都相同，但出射角并不相同，表明折射率也不相同。对于一般的透明材料来说，折射率随波长的减小而增大。如紫光波长短，折射率大，光线偏折也大；红光波长长，折射率小，光线偏折小。折射率n随波长 而变的现象称为色散。对一种玻璃材料所作出的折射率和波长的关系曲线称为它的色散曲线。不同材料的色散曲线是不同的，一般可采用平均色散 或色散本领 来表示某种玻璃色散的程度。其中 、 、 分别表示玻璃对夫琅和费谱线中C线、D线和F线的折射率。这三条线的波长分别是 、 、 。 用经验公式来表示可见光范围内玻璃材料的折射率与波长之间的关系时，较方便适用的公式首推下式： ，各种牌号玻璃的经验公式系数 有专门的光学玻璃手册给出。实验研究时可以通过对 的七组以上实验结果进行处理，设 ，把一元高次方程的拟合转化为 的多元线性回归问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并利用计算机来处理数据，拟合色散曲线，得到经验公式。 三、实验仪器 实验仪器有：分光计，平面反射镜，玻璃三棱镜，氦光谱管及其电源。 氦光谱管是将稀薄的氦气（气压为600Pa~700Pa）封闭在玻璃管内制成。管的两端各装一个电极，两电极间加高电压后产生放电并且发光，通过三棱镜分光可得到氦的线光谱。 氦光谱的波长值 波长 447.1 471.3 492.2 501.6 587.6 667.8 706.6 颜色 蓝紫 蓝 蓝绿 浅绿 黄 大红 暗红                 四、实验任务及操作要点 1、分光计的调节 （1）、目测粗调。 凭眼睛观察判断，调解望远镜和平行光管的光轴尽量使它们与刻度盘平行，调解小平台尽量使它与刻度盘平行。(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。 （2）、调节望远镜：用自准法使其聚焦于无穷远。 A.调节望远镜适合观察平行光 ①调节目镜调焦手轮,直到能够清楚地看到分划板"准线"为止。 ②把平面镜放在小平台上，打开照明小灯开关，缓慢转动小平台，从望远镜中寻找镜面反射回来的光斑。若找不到，应重新粗调。 ③找到光斑后稍微调节叉丝套筒，从目镜中看到比较清晰叉丝像。当叉丝像与“╪”形叉丝无视差时，望远镜已适合观察平行光。 C.调节望远镜光轴垂直于分光计主轴 借助于平面镜调节。使用逐次逼近各半调整法（渐进法）。使之与分光计的中心轴垂直。 （3）、调节平行光管 A.调节平行光管使产生平行光 调节平行光管狭缝与透镜间的距离，直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像为止，同时应使狭缝像与叉丝无视差。 B.调节平行光管的光轴垂直于分光计主轴 望远镜中看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划板的中央十字线上、下平分。这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差。 （4）、调节三棱镜两个光学面法线垂直分光计主轴 先粗调小平台水平，再利用已调好的望远镜用自准法校准三棱镜两光学面法线，使它们都与望远镜光轴平行，亦即与分光计主轴垂直。 2、测量氦光管谱线的最小偏角 （1）、观察谱线并对照氦光管谱图认谱。应有九条谱线。 （2）、确定最小偏向角 转动平台，使谱线向偏向角减小方向移动，同时让望远镜跟踪谱线移动。棱镜转到某位置谱线不再移动，继续使棱镜沿原方向转动，谱线向反方向移动。这个位置就是最小偏向角位置。测出出射光方位，与入射光方位相减得该谱线最小偏向角 。共测量7条谱线。 五、数据处理 分光计编号1；三棱镜编号1；A=59°58′； =    1’  ； 入射光方位 =0°0′； =180o0’ 。 氦谱线 波长/nm 447.1 306o51’ 126o48’ 53o9’ 53o12’ 53o10’ 56o34’ 1.6699 471.3 307o20’ 127o25’ 52o40’ 52o35’ 52o37’ 56o17’ 1.6646 492.2 307o48’ 127o50’ 52o12′ 52o10’ 52o11’ 56o04’ 1.6604 501.6 307o56’ 127o59’ 52o04’ 52o2’ 52o01’ 56o0’ 1.6587 587.6 309o04’ 129o02’ 50o56’ 50o58’ 50o57’ 55o28’ 1.6479 667.8 309o45’ 129o38’ 50o15’ 50o22’ 50o18’ 55o08’ 1.6416 706.6 309o55’ 129o55’ 50o05’ 50o06’ 50o05’ 55o02’ 1.6390                 六、思考题 1、当转动小平台180反复调节使望远镜主轴垂直于分光计主轴时，小平台是否也同时调好到垂直于主轴了？为什么？ 答：不能。这样只是保证了平面镜的法线与分光计的主轴垂直，，不能保证小平台与分光计主轴垂直。 2、根据折射定律，请结合图4.3.13定性分析入射光的方位应处于何种情况时才可能找到最小偏向角？ 答：在(c)情况下才能找到最小偏向角。 在(a)(b)情况下，光线沿PQ入射后会折射到三棱镜的非光学面上，从而发生散射或反射，没有测量意义。只有(c)情况中光线可能发生两次折射后射出，这样才可能找到最小偏向角。 3、根据本实验的原理怎样测量光波波长？ 答：用已知色散曲线和顶角的三棱镜，由本实验测出未知光的最小偏向角，即可由 算出三棱镜对该波长光的折射率，进而由色散曲线查出光的波长。 4、试根据光路图分析，为什么望远镜光轴与平面镜法线平行时，在目镜内内应看到‘ ’型反射像与 形叉丝的上方交点相重合？ 由望远镜内部结构，分划板上 形叉丝的下横线在望远镜的中心轴线上，上横线与 形透光叉丝的横向相对于轴线处于对称的位置上，分划板与叉丝连线与望远镜光轴平行。因此，当望远镜光轴与平面镜法线调节为平行状态时，入射光经小棱镜反射—分划板—物镜—平面镜反射—物镜，最终回到分划板上，且成像位置与 形叉丝的实际位置关于轴线对称，故在观测时就反映为 形反射像与 形叉丝的上方交点相重合。