1、基础物理实验 基础物理实验 基础物理实验 基础物理实验 实验二十五 实验二十五 实验二十五 实验二十五 分光计的调节和用掠入射法测折射率 分光计的调节和用掠入射法测折射率 分光计的调节和用掠入射法测折射率 分光计的调节和用掠入射法测折射率 实验报告 实验报告 实验报告 实验报告 学 院： 学 院： 学 院： 学 院： 地 球与 空间 科学 学院 地 球与 空间 科学 学院 地 球与 空间 科学 学院 地 球与 空间 科学 学院 姓 名： 姓 名： 姓 名： 姓 名： 1 1 00 01 2 62 3 1 1 00 01 2 62 3 1 1 00 01 2 62 3 1 1 00 01 2 6
2、2 3 张 晓晨 张 晓晨 张 晓晨 张 晓晨 指 导教 师： 指 导教 师： 指 导教 师： 指 导教 师： 杨 超杰 杨 超杰 杨 超杰 杨 超杰 时 间： 时 间： 时 间： 时 间： 2 0 12 2 0 12 2 0 12 2 0 12 年 年 年 年 1 2 1 2 1 2 1 2 月 月 月 月 1 2 1 2 1 2 1 2 日 日 日 日一、目的要求 (1) 了解分光计的结构、作用和工作原理； (2) 掌握分光计的调节要求、方法和使用规范； (3) 用分光计测定三棱镜的顶角； (4) 用掠入射法测定三棱镜的折射率。 二、仪器用具 JJY 型分光计，玻璃三棱镜，钠光灯，平面反射
3、镜，放大镜。 三、实验原理 （一）掠入射法原理 如图 25-1 所示为掠入射法。 用单色扩展光源照射到棱镜 AB 面上，使扩展光源以约 90 角掠入射到棱镜上。 当 扩展光源从各个方向射向 AB 面时，以 90 入射的光线的内折射角最大，为 2 m a x i ，其余 入射角小于 90 的，折射角必小于 2 m a x i ，出射角必大于 1 m i n i ，而大于 90 的入射光不能 进入棱镜。这样，在 AC 侧面观察时，将出现半明半暗的视场。明暗视场的交线就是 入射角 1 90 i = 的光线的出射方向。可以证明： 2 1 m i n c os s i n 1 s i n i n + =
4、 + 图 2 5 - 1 掠 入射 法光 路图（二）分光计原理 分光计是测量角度的精密仪器。其结构如图 25- 2 所示： 图 2 5 - 2 分 光计 结构 示意 图 为 了 精 确 测 量 角 度 ， 必 须 使 待 测 角 平 面 平 行 于 刻 度 圆 盘 平 面 。 由 于 制 造 仪 器 时 已使刻度圆盘平面垂直于中心转轴， 因而也必须使待测角平面垂直于中心转轴 ， 为满 足此要求，测量前必须对分光计进行调节，以达到三个要求： 1） 平行光管出射平行光 2） 望远镜能接受平行光 3 ） 经 过 待 测 光 学 元 件 的 光 线 ( 如 入 射 、 折 射 、 反 射 光 线 等
5、) 构 成 的 平 面 应 与 仪 器的中心转轴垂直，即要求: (a)平行光管光轴垂直于中心转轴 (b)望远镜光轴垂直于中心转轴 (c)待测元件的光学面应平行于中心转轴 四、实验装置图 2 5 - 3 分 光计 的调 节和 用掠 入射 法测 折射 率实 验装 置图 五、实验内容 （一）调节分光计 1、粗调 用 眼睛估测，调节望远镜、平行光管的调节螺钉，使其光轴通过转轴中心共轴， 并处于水平状态， 升高载物台， 用三棱镜估计高度 ， 调节平台下的三个螺钉， 使平台 水平。 固定平台下的螺钉， 使游标盘与载物台固连 ； 固定望远镜底部螺钉， 使其与刻 度盘固连。 图 2 5 - 4 载 物台 示意
6、 图 2、调节望远镜聚焦于无穷远（自准直法） 在平台上放置平面反射镜，调节分划板上的 “ ”刻线最清晰，前后移动套筒，使亮“+”字反射像最清晰。最后锁定套筒，实验过程中不再变动。 图 2 5 - 5 自 准直 法调 节望 远镜 聚焦 无穷 远示 意图 3、调节望远镜的光轴垂直于仪器转轴 在步骤 2 的基础上进一步调节亮 “+ ”字反射像到“ ”刻线的 MN 线上，调解时 采用 “逐步逼近法” ， 知道平面镜转动 180前后， 亮“+” 字反射像都准确的落在 MN 线上，此后注意不要再变动望远镜的仰角调节螺钉。 从望远镜视场中观察， 当无论以平面镜的哪一个反射面对准望远镜， 均能观察到 亮十字时
7、， 如从望远镜中看到准线与亮十字像不重合 ， 它们的交点在高低方面相差一 段 距 离 如 图 25-6(a) 所 示 。 此 时 调 整 望 远 镜 高 低 倾 斜 螺 丝 使 差 距 减 小 为 h/2 ， 如 图 25-6(b) 所 示 。 再 调 节 载 物 台 下 的 水 平 调 节 螺 丝 ， 消 除 另 一 半 距 离 ， 使 准 线 的 上 部 十 字线与亮十字线重合，如图 25-6(c)所示。之后，再将载物台旋转 180 ，使望远镜 对着平面镜的另一面， 采用同样的方法调节。 如此反复调整， 直至转动载物台时， 从平面镜前后两表面反射回来的亮十字像都能与分划板准线的上部十字线重
8、合为止。 图 2 5 - 6 逐 步逼 近各 半调 整法 示意 图 4、分光计的刻度圆盘读数 刻度盘分 360，最小分度 0.5，游标盘每小格为 1。 当 望远镜沿角度增加方向转动某角 ， 如果 角 移过刻度盘中的 360 位 置，此 时 ( ) 起 终 + = 360 ； 反 之 若 沿 角 度 减 小 方 向 转 动 某 角 移 过 刻 度 盘 中 的 360 位置，此时 ( ) 起 终 = 360 。 （二）测定玻璃三棱镜的顶角 1、调节三棱镜的主截面与仪器转轴垂直 如图 25-8 所示的放置三棱镜于分光计的载物平台上。首先调节三棱镜的两个光 学表面 AB、 AC 分别与望远镜垂直， 具
9、体方法是： 使两侧面 AB、 AC 反射回来的亮 “+” 字像都在 MN 线上。注意不能调节望远镜仰角螺钉。 图 2 5 - 8 玻 璃三 棱镜 的放 置 2、顶角 A 的测定 如图 25-9 所示，转动望远镜，先使望远镜光轴与棱镜 AB 面 垂 直 ， 记 下 此 时 左 右 游 标 读 数 1 1 , 。 然 后 转 动 望 远 镜 ， 使 其光轴与 AC 面垂直， 记下此时左右游标读数 2 2 , 。 两次读数 相减得到顶角 A 的补角 ，即 = 180 A ，其中 ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 + = 要求重复调整 AB 和 AC 表面反射像与 MN 重合，测量三次 求平均值
10、 A。 图 2 5 - 7 分 光计 读数 示意 图 图 2 5 - 9 测 量三 棱镜 顶角 光 路示 意图（三） 测定三棱镜的折射率 1、整体移动分光计或刻度圆盘， 使钠光灯位于 AB 光学面的延长线上 ， 并在 B 点 略 垂 直 于 AB 面 的 方 位 放 一 片 毛 玻 璃 作 为 扩 展 光 源 。 这 时 ， 用 眼 睛 在 出 射 光 方 向 （ AC 面）可找到一条明暗分界线，在望远镜中找到这条分界线置于 P P 位置。 2、记下此时左右游标读数 3 3 , 。 3、转 动 望 远 镜 至 AC 面 的 发 现 位 置 ， 记 下 游 标 读 数 4 4 , ， 从 而 可
11、 求 得 光 线 掠 入 射时的出射极限角 。 ( ) ( ) 4 3 4 3 2 1 + = 4、重复步骤 2、3，测量 3 次求 x n 的平均值 x n 。 （四） 用最小偏向角法测定三棱镜的折射率（选做） 1、平行光管狭缝对准前方水银灯。 2、把载物台及望远镜转至（1）处，找出水银灯光谱。 3、 转动载物台， 使谱线往偏向角减小的方向移动 ， 望远镜跟踪谱线运动， 直到谱 线开始逆转为止，固定载物台。谱线对准分划板。 4.、记下读数 1 和 2 转至（2） ，记下读数 1 和 2 ，有 2 2 1 1 m i n 2 1 + = 六、实验数据记录与处理 （一） 测定三棱镜的顶角 表 2
12、 5 - 1 测 定三 棱镜 顶角 数据 表 图 2 5 - 1 0 最 小偏 向角 法测 量三 棱镜 顶角 光路 示意 图1 1 2 2 A 1 4 1 1 7 6 2 9 7 5 2 3 7 5 5 7 0 1 2 0 0 6 0 2 8 1 2 4 7 0 2 6 7 0 2 3 0 7 8 1 1 2 7 0 1 2 0 0 6 0 3 1 1 3 7 1 1 2 1 7 3 1 9 7 1 1 2 7 7 1 120 9 5 5 9 如表 25- 1 所示： 994 . 59 ) 9 5 59 0 60 0 60 ( 3 1 = + + = A , 006 . 0 = A 01 .
13、0 3 2 = + = e A A 故 1 9 5 59 ) 01 . 0 99 . 59 ( = = = A A A （二） 掠入射法测定三棱镜的折射率 表 2 5 - 2 测 定三 棱镜 折射 率数 据表 3 3 4 4 n 1 3 3 1 6 2 6 3 3 4 2 2 1 3 0 1 1 1 1 2 1 3 2 4 1 6 7 2 5 8 . 1 2 9 1 2 3 1 1 3 0 4 5 4 2 6 2 6 1 8 2 0 2 4 1 6 7 1 9 7 . 1 3 0 4 2 8 8 0 4 1 0 8 8 1 2 4 7 8 1 6 7 2 2 41 6 7 2 3 8 . 1
14、如表 25- 2 所示： 05 . 0 , 34 . 41 = = 3 1 2 41 = = 由 2 2 s i n c os s i n 2 1 s i n 1 s i n s i n c os 1 + + = + + = A A A A n 得： 02 . 0 = n 02 . 0 67 . 1 = = n n n （三） 最小偏向角法测定三棱镜的折射率（选做） 表 2 5 - 3 最 小偏 向角 测定 三棱 镜折 射率 数据 表 1 1 2 2 1 3 3 14 0 3 197 0 1 314 5 134 6 3 116 6 3 56 2 7 2 354 4 2 177 4 294 9
15、5 113 0 3 116 0 3 56 3 4 4 34 0 3 217 0 1 334 6 1 154 7 4 116 7 4 56 如表 25- 3 所示： 2 8 3 5 6 = = 08 . 0 67 . 1 = = n n n 七、思考与讨论 （一） 思考题 1、答 ： 没 有 关 系 ， 这 说 明 望 远 镜 光 轴 与 仪 器 转 轴 未 达 到 垂 直 ， 但 可 以 继 续 实 验 ， 如 要调整， 应该继续调整平台的螺钉和望远镜的仰角， 直至轨迹与 M N 平行。 如不调整， 只需亮十字的纵丝与 P P 平行，横丝与 M N 平行即可 2、答 ： 望 远 镜 的 仰 角
16、 螺 钉 ， 望 远 镜 与 刻 度 盘 联 动 螺 钉 不 能 动 ； 平 台 下 方 的 四 个 螺 钉 可以动。 3、答： “ 合适 ” 是指能让光线直射入三棱镜后进入望远镜 ， 使光线经三棱镜折射再反 射再折射后可以在望远镜中观察的清晰的像。 4 、答 ：这是因为实验中 A B 、 A C 面 调整好后，若三棱镜位置发生变化，则反射的十 字像会发生位置变化，需要重新调节。 5、答 ： 望 远 镜 微 调 螺 钉 是 在 望 远 镜 止 动 螺 钉 拧 紧 后 ， 使 望 远 镜 相 对 主 轴 做 微 小 移 动 时用的，用以找到准确的重合像位置。游标盘微调螺钉是在游标盘止动螺钉拧紧后
17、， 使游标盘相对中心轴做微小移动时用的。 在使用微调装置后， 若需要再转动平台或望 远镜，必须先打开对应的止动螺钉，以免损坏仪器，实验结束后要松开微调螺钉。 6 、答 ： （ 1 ） 重 新 调 节 望 远 镜 光 轴 与 仪 器 转 轴 垂 直 ， 再 进 行 测 量 ； （ 2 ） 调 节 b 1 ， 使 亮 十字与 M N 线重合，再进行测量。 7、答 ： 从 不 同 角 度 对 望 远 镜 中 的 物 和 像 进 行 观 察 ， 若 物 与 像 没 有 相 对 位 移 ， 则 不 存 在视差， 物和像在同一平面内 。 此时应向前移动望远镜中的分划板， 至物和像无视差为止。 8 、答：应
18、使得直角面 A B 、 A C 中有一个与螺钉连线平行。 9 、答 ： （ 1 ） 平 面 镜 不 平 行 于 转 轴 ； （ 2 ） 望 远 镜 不 垂 直 于 转 轴 ； （ 3 ） 先 调 整 望 远 镜 仰 角螺钉， 使两个镜面的反射像对称分布在 M N 线上、 下方， 距 M N 均为 2a ， 调整平台 螺钉，每次下调距离的一半，逐渐逼近，直至两个反射像中十字横丝均与 M N 重合。 （二）讨论 本实验中对望远镜的调节十分重要， 直接影响着结果的误差大小 ， 在调节时认清 每个螺钉的功能特别有用，否则就会调节的十分缓慢甚至要重新调节。 在用最小偏向角法测定折射率的时候， 由于前面没有认真的调节平行光管 ， 所以 导致后面得出的狭缝的像要么不清晰、 要么不适合读数。 再者就是由于实验操作要求， 对绿谱线读数位置的定位会造成偏差， 这可能有两个原因造成， 一是狭缝的像是具有 一定宽度的， 因此我们定位在狭缝的边缘和中心式不一样的 ； 二是绿谱线的反向移动 的位置很难准确的定位，或者偏前，或者靠后，这都可能导致测出来的角度不精确。
