华中科技大学：物理实验教学资源（讲义课件）分光计的调整与折射率的测定.pdf_大学文库

（3）载物台载物台7（图5，下同）是放置待测光学元件的圆型平台，拧紧锁紧螺钉9，载物台可以和游标内盘（在游标内盘锁紧螺钉松开的前提下）一起绕中心轴转动，松开锁紧螺钉9则可单独旋转和升降。载物台上有三条相互成120°的半径线，有助于确定反射镜或三棱镜的放置方向；载物台的小平台下面有三个调平螺钉，用来调节平台的高度和倾斜度。（4）读数装置读数装置由主刻度盘21和游标内盘22组成。主刻度盘分为360°，最小分度0.5°（30"）。为了消除主刻度盘刻度中心与游标内盘中心不重合产生的偏心差，游标内盘上相隔180°对称设置了两个游标（见附录1），测量光线角位置时应同时记下左右两个游标的读数。游标上有30格，最小读数为1。角游标的读数方法与游标卡尺相似，从主刻度盘上读出游标上的0刻线所对的角度值，不满一格的数值，由游标上与主刻度盘刻线对得最准的游标分度值读出。例如，游标上的0刻线对着主刻度盘上的160.5°过一点，游标上的第18条刻线与主刻度盘上的某条刻线对得最准，则角度数值为160°48（详见附录2刻度盘读数示例）。测量前可以先松开度盘的锁紧螺钉18，将度盘的零度置于望远镜下以避免由于游标过零度引起的读数不便（附录3）。但测量时必须拧紧该螺钉，使度盘和望远镜一起转动。拧紧望远镜锁紧螺钉19后可以使用望远镜转角微调螺钉17微调望远镜的角度。2.钠光灯一种实验室常用的，利用钠蒸汽弧光放电发光的单色光源，发射波长589.0nm和589.6nm两种单色黄光。由于波长十分接近，一般仪器难以将两条谱线分开，所以通常以其平均值589.3nm作为纳光灯黄光的波长。【实验内容】I.按照分光计的调节要求和调节方法调节好分光计为了获得精确的测量结果，应该使分光计的光学系统适合平行光，使分光计的读数平面、观察平面（望远镜光轴在垂直中心轴的条件下绕中心轴旋转形成的平面）和待测光路平面（由待测光学元件上的入射、反射、折射或衍射光线形成的平面）相互平行（为什么？）。为此，必须首先调节好分光计，使平行光管发射平行光，望远镜适合接收平行光（望远镜对无穷远聚焦），望远镜和平行光管光轴垂直于旋转中心轴，载物台平面垂直于分光计的旋转中心轴。1.目镜调焦转动望远镜目镜调焦轮12（图5，下同），调节目镜与分划板间的相对位置，直至在目5

5 （3）载物台载物台 7（图 5，下同）是放置待测光学元件的圆型平台，拧紧锁紧螺钉 9，载物台可以和游标内盘（在游标内盘锁紧螺钉松开的前提下）一起绕中心轴转动，松开锁紧螺钉 9 则可单独旋转和升降。载物台上有三条相互成 120°的半径线，有助于确定反射镜或三棱镜的放置方向；载物台的小平台下面有三个调平螺钉，用来调节平台的高度和倾斜度。（4）读数装置读数装置由主刻度盘 21 和游标内盘 22 组成。主刻度盘分为 360°，最小分度 0.5°(30´)。为了消除主刻度盘刻度中心与游标内盘中心不重合产生的偏心差，游标内盘上相隔 180°对称设置了两个游标(见附录 1)，测量光线角位置时应同时记下左右两个游标的读数。游标上有 30 格，最小读数为 l´。角游标的读数方法与游标卡尺相似，从主刻度盘上读出游标上的 0 刻线所对的角度值，不满一格的数值，由游标上与主刻度盘刻线对得最准的游标分度值读出。例如，游标上的 0 刻线对着主刻度盘上的 160.5°过一点，游标上的第 18 条刻线与主刻度盘上的某条刻线对得最准，则角度数值为 160°48´（详见附录 2 刻度盘读数示例）。测量前可以先松开度盘的锁紧螺钉 18，将度盘的零度置于望远镜下以避免由于游标过零度引起的读数不便(附录 3)。但测量时必须拧紧该螺钉，使度盘和望远镜一起转动。拧紧望远镜锁紧螺钉 19 后可以使用望远镜转角微调螺钉 17 微调望远镜的角度。 2．钠光灯一种实验室常用的，利用钠蒸汽弧光放电发光的单色光源，发射波长589.0nm和589.6nm 两种单色黄光。由于波长十分接近，一般仪器难以将两条谱线分开，所以通常以其平均值 589.3nm 作为纳光灯黄光的波长。【实验内容】 I. 按照分光计的调节要求和调节方法调节好分光计为了获得精确的测量结果，应该使分光计的光学系统适合平行光，使分光计的读数平面、观察平面(望远镜光轴在垂直中心轴的条件下绕中心轴旋转形成的平面)和待测光路平面(由待测光学元件上的入射、反射、折射或衍射光线形成的平面)相互平行(为什么?)。为此，必须首先调节好分光计，使平行光管发射平行光，望远镜适合接收平行光(望远镜对无穷远聚焦)，望远镜和平行光管光轴垂直于旋转中心轴，载物台平面垂直于分光计的旋转中心轴。 1.目镜调焦转动望远镜目镜调焦轮 12（图 5，下同），调节目镜与分划板间的相对位置，直至在目

镜视场中能看到清晰的准线（如果准线非横平竖直，可以在松开目镜筒锁紧螺钉13的情况下旋转目镜使其横平竖直，之后再把该螺钉拧紧）。调好后一般情况下不要再动该调焦轮，2.调节塑远镜适合接收平行光（望远镜对无穷远聚焦）打开望远镜的照明灯开关20，这时望远镜内分划板下方的窗口被照亮，且光线透过窗口里的透光小十字窗射向物镜方向。手持平面镜紧贴望远镜物镜，这时望远镜内应该能看到平面镜反射回来的光线所成的绿十字像。转动望远镜物镜调焦手轮14，以调节分划板与物镜之间的距离（注意不要碰动目镜调焦轮），直至将分划板调到物镜焦平面上，此时从目镜中观察分划板准线和绿十字像都非常清晰且无视差（参看PPT），则望远镜已对无穷远或者说平行光聚焦，只有发射平行光的物体才能在分划板平面上产生最清晰的像。如果条件合适，也可不用平面镜，直接将望远镜对准远处物体，使物体所成的像清晰且和分划板准线无视差。无视差是指当观察者眼睛左右移动时，准线和绿色亮十字之间没有相对位移，即测量准线和被测目标处于同一平面，这是使用助视光学仪器进行测量时应达到的调节要求。这里可以通过仔细移动物镜调焦手轮14和转动目镜调焦轮12实现。调节完成后应拧紧锁紧螺钉。3.调节望远镜光轴垂直旋转中心轴以及载物台水平1）目测粗调。通过调节望远镜的俯仰角调节螺钉15、载物台的三个调平螺钉8以及望远镜水平摆角调节螺钉16粗调望远镜和载物台，目测达到望远镜的光轴基本水平并指向旋转中心轴，载物台平面天致水平（判断的方法是裸眼观察望远镜光轴和下方的横梁是否平行，以及载物台的三个调平螺钉是否等高，参看PPT）。粗调非常非常非常重要，粗调完成得不好，细调会很困难。如果粗调完成得好，那么将反射镜放到载物台上，并旋转载物台（注意松开其锁紧螺钉9）以使反射镜的法线对准望远镜，这时望远镜内可以观察到绿十字像，而且，转动载物台（带着反射镜一起转动）至反射镜的背面对准望远镜时，望远镜内也能观察到绿十字像，则粗调成功，可以依靠绿十字像进行细调，否则继续裸眼观察粗调。2）用自准法细调。旋转中心轴旋转中心轴望远镜光轴和旋转中心轴都不可见，可以反射镜反射镜借助平面反射镜调节。如图8（a）所示，如果VV望远镜光轴垂直反射镜平面但不垂直旋转中心轴，那么反射镜随载物台旋转180°后，目镜视望远镜望远镜场中绿十字将消失（或上下位移），只有当反射(b)(a)镜法线和望远镜光轴都垂直旋转中心轴时（如图8（b）所示），绿十字才始终在正确的位置。图8调节望远镜光轴垂直旋转中心轴6

6 镜视场中能看到清晰的准线（如果准线非横平竖直，可以在松开目镜筒锁紧螺钉 13 的情况下旋转目镜使其横平竖直，之后再把该螺钉拧紧）。调好后一般情况下不要再动该调焦轮。 2.调节望远镜适合接收平行光(望远镜对无穷远聚焦) 打开望远镜的照明灯开关 20，这时望远镜内分划板下方的窗口被照亮，且光线透过窗口里的透光小十字窗射向物镜方向。手持平面镜紧贴望远镜物镜，这时望远镜内应该能看到平面镜反射回来的光线所成的绿十字像。转动望远镜物镜调焦手轮 14，以调节分划板与物镜之间的距离(注意不要碰动目镜调焦轮)，直至将分划板调到物镜焦平面上，此时从目镜中观察分划板准线和绿十字像都非常清晰且无视差（参看 PPT），则望远镜已对无穷远或者说平行光聚焦，只有发射平行光的物体才能在分划板平面上产生最清晰的像。如果条件合适，也可不用平面镜，直接将望远镜对准远处物体，使物体所成的像清晰且和分划板准线无视差。无视差是指当观察者眼睛左右移动时，准线和绿色亮十字之间没有相对位移，即测量准线和被测目标处于同一平面，这是使用助视光学仪器进行测量时应达到的调节要求。这里可以通过仔细移动物镜调焦手轮 14 和转动目镜调焦轮 12 实现。调节完成后应拧紧锁紧螺钉。 3.调节望远镜光轴垂直旋转中心轴以及载物台水平 1) 目测粗调。通过调节望远镜的俯仰角调节螺钉 15、载物台的三个调平螺钉 8 以及望远镜水平摆角调节螺钉 16 粗调望远镜和载物台，目测达到望远镜的光轴基本水平并指向旋转中心轴，载物台平面大致水平（判断的方法是裸眼观察望远镜光轴和下方的横梁是否平行，以及载物台的三个调平螺钉是否等高，参看 PPT）。粗调非常非常非常重要，粗调完成得不好，细调会很困难。如果粗调完成得好，那么将反射镜放到载物台上，并旋转载物台（注意松开其锁紧螺钉 9）以使反射镜的法线对准望远镜，这时望远镜内可以观察到绿十字像，而且，转动载物台（带着反射镜一起转动）至反射镜的背面对准望远镜时，望远镜内也能观察到绿十字像，则粗调成功，可以依靠绿十字像进行细调，否则继续裸眼观察粗调。 2) 用自准法细调。望远镜光轴和旋转中心轴都不可见，可以借助平面反射镜调节。如图 8（a）所示，如果望远镜光轴垂直反射镜平面但不垂直旋转中心轴，那么反射镜随载物台旋转 180°后，目镜视场中绿十字将消失(或上下位移)，只有当反射镜法线和望远镜光轴都垂直旋转中心轴时(如图 8（b）所示)，绿十字才始终在正确的位置。图 8 调节望远镜光轴垂直旋转中心轴

因此可以用旋转180°各半调节逐次逼近法调节望远镜光螺钉轴垂直旋转中心轴。反射镜①按图9所示放置反射镜，使之位于载物台的3个调平螺-b钉a、b、c构成的等边三角形的一条中垂线上（可以将反射镜沿载物台上某一条半径线放置，参看PPT)。载物台②转动载物台，使反射镜的一个反射面A对准望远镜，如果绿十字与分划板准线上面的交叉点（即和分划板下图9反射镜位置方窗口中黑色十字光源呈上下对称的位置）不重合（图10（a）），可调节该反射面前面的载物台调平螺钉c，使偏离减少一半（图10(b))，再调望远镜俯仰角调节螺钉减少剩下的一半(图10(c))。然后旋转载物台（连同反射镜一起旋转)，使另一反射面B对准望远镜，调节载物台下该反射面前面的螺钉α，使十字像与准线的偏离减少一半，再调望远镜俯仰角调节螺钉使亮十字与准线上面的交叉点重合。重复上述过程，直至望远镜对准任一个反射面，绿十字都和准线上面的交叉点重合为止。望远镜光轴垂直旋转中心轴的调节一经完成，就不允许再动望远镜俯仰角调节螺钉以及载物台的调平螺钉和a。Y d/2++土十(a)(c)(b)图10各半调节法示意图③以上步骤中调好了a、c螺钉，但无法调节b螺钉（因为按图9位置摆放反射镜时，b螺钉的高低无法通过绿色十字像的位置而体现出来），所以载物台不一定平。为调好b螺钉，将反射镜转动90度，使b螺钉位于反射镜的法线方向（参看PPT）。转动载物台，使反射镜对准望远镜，如果绿色十字像没有与准线上方的交叉点重合，单独调节螺钉b使之重合。调平载物台后即可关闭望远镜照明灯。4.调节平行光管发射平行光及平行光管光轴垂直旋转中心轴。1）打开钠灯预热。2）将望远镜对准平行光管，以望远镜为基准，调节平行光管光轴的俯仰角调节螺钉267

7 因此可以用旋转 180°各半调节逐次逼近法调节望远镜光轴垂直旋转中心轴。 ① 按图 9 所示放置反射镜，使之位于载物台的 3 个调平螺钉 a、b 、c 构成的等边三角形的—条中垂线上（可以将反射镜沿载物台上某一条半径线放置，参看 PPT）。 ② 转动载物台，使反射镜的一个反射面 A 对准望远镜，如果绿十字与分划板准线上面的交叉点（即和分划板下图 9 反射镜位置方窗口中黑色十字光源呈上下对称的位置）不重合(图 10(a))，可调节该反射面前面的载物台调平螺钉 c，使偏离减少一半(图 10(b))，再调望远镜俯仰角调节螺钉减少剩下的—半(图 10(c))。然后旋转载物台(连同反射镜一起旋转)，使另一反射面 B 对准望远镜，调节载物台下该反射面前面的螺钉 a，使十字像与准线的偏离减少一半，再调望远镜俯仰角调节螺钉使亮十字与准线上面的交叉点重合。重复上述过程，直至望远镜对准任一个反射面，绿十字都和准线上面的交叉点重合为止。望远镜光轴垂直旋转中心轴的调节一经完成，就不允许再动望远镜俯仰角调节螺钉以及载物台的调平螺钉 c 和 a。图 10 各半调节法示意图 ③ 以上步骤中调好了 a、c 螺钉，但无法调节 b 螺钉（因为按图 9 位置摆放反射镜时，b 螺钉的高低无法通过绿色十字像的位置而体现出来），所以载物台不一定平。为调好 b 螺钉，将反射镜转动 90 度，使 b 螺钉位于反射镜的法线方向（参看 PPT）。转动载物台，使反射镜对准望远镜，如果绿色十字像没有与准线上方的交叉点重合，单独调节螺钉 b 使之重合。调平载物台后即可关闭望远镜照明灯。 4. 调节平行光管发射平行光及平行光管光轴垂直旋转中心轴。 1）打开钠灯预热。 2）将望远镜对准平行光管，以望远镜为基准，调节平行光管光轴的俯仰角调节螺钉 26

（图5，下同）和水平摆角调节螺钉25，目测使平行光管光轴基本与望远镜光轴一致，调节狭缝宽度调节手轮28，使狭缝宽度尽可能窄（如果狭缝不竖直，松开狭缝锁紧螺钉2，将狭缝转动到竖直方向，之后锁紧该螺钉）。3）转动平行光管调焦手轮27，改变狭缝和平行光管物镜之间的距离，直至望远镜视场中呈现十分清晰的狭缝像且与准线无视差，此时平行光管发出的即是平行光。因为只有当平行光管发射平行光时，从已调到适合接收平行光的望远镜视场中才能看到清晰的狭缝像。4）细调平行光管俯仰角。松开狭缝锁紧螺钉2，将狭缝转动到水平方向，调节平行光管光轴的俯仰角调节螺钉26，使水平狭缝像与望远镜中中部的水平准线重合（参看PPT），调好后使狭缝恢复为竖直方向并锁紧螺钉2。至此，分光计调节完毕。此后，除了因更换待测器件（如平面镜，三棱镜，光栅等）需微调载物台调平螺钉以外，不能再调节望远镜及平行光管，否则又需重新调整II.测三棱镜的顶角A（选做）1.针对三棱镜对载物台进行微调将三棱镜按图11所示位置放在载物台平面上，使三个调平螺钉每两个连线与三棱镜的镜面正交。打开望远镜的照明灯开关20。转动载物台使AC面正对望远镜时，调节a，使AC面与望远镜光铀垂直；然后用同样的方法调节b，使AB面与望远镜光轴相垂直。直至由两个侧面（AB和AC)反射回来的绿色亮十字自准像均与上星选钻十字叉丝重合。严格说来，只要三棱镜在载物台上的位置变动过口都需要重新检查及微调载物台，以确保三棱镜的两个光学平面与分光计的主轴方向一致，而与望远镜及平行光管的光轴垂直。图11三棱镜调节【注意】对载物台微调仅是调节载物台的调平螺钉，使透光面与望远镜光轴垂直，不能调节望远镜与平行光管2.自准法测棱镜的顶角（选做）（先完成必做内容）将BC毛玻璃面对着平行光管，如图12所示。转动望远镜，当AB面对准望远镜，且反射回来的绿色亮十字与上十字叉丝重合时，记下两个游标的读数61，?1。然后再转动望远镜（此时锁紧游标盘锁紧螺钉24、以及度盘锁紧螺钉18），使游标盘不能动而刻度盘与望远镜一起连动，图12自准法测三棱镜顶角8

8 （图 5，下同）和水平摆角调节螺钉 25，目测使平行光管光轴基本与望远镜光轴一致，调节狭缝宽度调节手轮 28，使狭缝宽度尽可能窄（如果狭缝不竖直，松开狭缝锁紧螺钉 2，将狭缝转动到竖直方向，之后锁紧该螺钉）。 3）转动平行光管调焦手轮 27，改变狭缝和平行光管物镜之间的距离，直至望远镜视场中呈现十分清晰的狭缝像且与准线无视差，此时平行光管发出的即是平行光。因为只有当平行光管发射平行光时，从已调到适合接收平行光的望远镜视场中才能看到清晰的狭缝像。 4）细调平行光管俯仰角。松开狭缝锁紧螺钉 2，将狭缝转动到水平方向，调节平行光管光轴的俯仰角调节螺钉 26，使水平狭缝像与望远镜中中部的水平准线重合（参看 PPT），调好后使狭缝恢复为竖直方向并锁紧螺钉 2。至此，分光计调节完毕。此后，除了因更换待测器件（如平面镜，三棱镜，光栅等）需微调载物台调平螺钉以外，不能再调节望远镜及平行光管，否则又需重新调整。 II. 测三棱镜的顶角 A（选做） 1. 针对三棱镜对载物台进行微调将三棱镜按图 11 所示位置放在载物台平面上，使三个调平螺钉每两个连线与三棱镜的镜面正交。打开望远镜的照明灯开关 20。转动载物台使 AC 面正对望远镜时，调节 a，使 AC 面与望远镜光铀垂直；然后用同样的方法调节 b ，使 AB 面与望远镜光轴相垂直。直至由两个侧面(AB 和 AC)反射回来的绿色亮十字自准像均与上十字叉丝重合。严格说来，只要三棱镜在载物台上的位置变动过，都需要重新检查及微调载物台，以确保三棱镜的两个光学平面与分光计的主轴方向一致，而与望远镜及平行光管的光轴垂直。图 11 三棱镜调节【注意】对载物台微调仅是调节载物台的调平螺钉，使透光面与望远镜光轴垂直，不能调节望远镜与平行光管。 2. 自准法测棱镜的顶角（选做）（先完成必做内容）将 BC 毛玻璃面对着平行光管，如图 12 所示。转动望远镜，当 AB 面对准望远镜，且反射回来的绿色亮十字与上十字叉丝重合时，记下两个游标的读数 θ1，  1。然后再转动望远镜（此时锁紧游标盘锁紧螺钉 24 、以及度盘锁紧螺钉 18)，使游标盘不能动而刻度盘与望远镜一起连动，图 12 自准法测三棱镜顶角

望远镜锁紧螺钉19保持松开，后面测量其他角度时亦有同样要求，否则前后测得的两个角位置之差不等于待测量的角度值），使AC面反射回来的绿色亮十字与上十字叉丝重合，记下62，'2，两次读数之差即为棱镜项角A补角0：0=--(2-,1+12-, D)(2)2则三棱镜顶角A为A=180°-按以上步骤重复三次，并计算出平均值。3.反射法测棱镜的顶角（选做）让三棱镜的顶角A对准平行光管，并且顶角A放置在载物台中心（如图13所示）。入射平行光被两个折射面反射，转动望远镜分别对准两个折射面的反射像1、2并记录对应的左右游标读数91，0和2，'2，则=(3)图13反射法测三棱镜顶角III．用最小偏向角法测量玻璃三棱镜对钠黄光的折射率工平行光管1．设置好读数装置：两个游标分别置于平行光管左右两侧，度盘上的0°置于望远镜下方，然后锁紧游标盘和度盘（参看PPT），松开望远镜，从而使游标盘固定而度盘与望远镜一起连动。2．将三棱镜放到载物台上，确保入射角i>50°（否则光线在三棱镜里可能发生全反射而不出射）。转动望远镜，找到折射像（此时载物台和望远镜、平行光管、三棱镜之间的相对位置大致如图14所示。）注意，在原平行光管方向，即T2方向，也有可能看到狭缝T2像，但它不是折射像，只是入射光经三棱镜顶部或者两侧漏过来的光线所成的像，即入射像）。图14最小偏向角的测量3.沿某方向缓缓转动载物台，观察望远镜中折射像的移动和变化情况，判断入射光和折射光之间的夹角即偏向角是变大还是变小（望远镜一般不动，但如果折射像移出了望远镜的视野范围，则可以转动一下望远镜，之后望远镜继续不动）；往相反方向缓缓转动载物台，观察折射像和偏向角的变化情况。记录所观察到的现象和所作的判断，4.将载物台停留在使偏向角3为最小值min的状态。9

9 望远镜锁紧螺钉 19 保持松开，后面测量其他角度时亦有同样要求，否则前后测得的两个角位置之差不等于待测量的角度值），使 AC 面反射回来的绿色亮十字与上十字叉丝重合，记下 θ2，  2，两次读数之差即为棱镜顶角 A 补角θ： | | | | 2 1   2 1   2 1     （2）则三棱镜顶角 A 为 A = 180°- . 按以上步骤重复三次，并计算出平均值。 3. 反射法测棱镜的顶角（选做）让三棱镜的顶角 A 对准平行光管，并且顶角 A 放置在载物台中心（如图 13 所示）。入射平行光被两个折射面反射，转动望远镜分别对准两个折射面的反射像 1、2 并记录对应的左右游标读数θ1，  1和θ2， 2，则 ( ) 4 1  2 1  2 1 A       （3）图 13 反射法测三棱镜顶角 III. 用最小偏向角法测量玻璃三棱镜对钠黄光的折射率 1. 设置好读数装置：两个游标分别置于平行光管左右两侧，度盘上的 0 o 置于望远镜下方，然后锁紧游标盘和度盘（参看 PPT），松开望远镜，从而使游标盘固定而度盘与望远镜一起连动。 2. 将三棱镜放到载物台上，确保入射角 i1 >500 （否则光线在三棱镜里可能发生全反射而不出射）。转动望远镜，找到折射像（此时载物台和望远镜、平行光管、三棱镜之间的相对位置大致如图 14 所示。）注意，在原平行光管方向，即 T2方向,也有可能看到狭缝像，但它不是折射像，只是入射光经三棱镜顶部或者两侧漏过来的光线所成的像，即入射像）。图 14 最小偏向角的测量 3. 沿某方向缓缓转动载物台，观察望远镜中折射像的移动和变化情况，判断入射光和折射光之间的夹角即偏向角 δ 是变大还是变小（望远镜一般不动，但如果折射像移出了望远镜的视野范围，则可以转动一下望远镜，之后望远镜继续不动）；往相反方向缓缓转动载物台，观察折射像和偏向角 δ 的变化情况。记录所观察到的现象和所作的判断。 4. 将载物台停留在使偏向角 δ 为最小值 δmin的状态