大学物理设计性实验光的色散研究模板.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。

实验题目: 光的色散研究
专业班级: 高材131姓名: 刘晟森 学号:
实验提要:
最小偏向角与入射光的波长有关, 折射率也随不同波长而变化。折射率与波长之间的关系曲线称为色散曲线。本实验以高压汞灯为光源, 用汞灯的光谱谱线的波长作为已知数据, 测量其经过三棱镜后所对应的各最小偏向角, 算出与对应的值, 在直角坐标系中做出三棱镜的色散曲线。用同一个三棱镜测出钠光谱谱线的最小偏向角, 计算相对应的折射率, 用图解插值法即可在三棱镜的色散曲线上求出钠光谱谱线的波长。
实验目的
1.进一步加深对分光计的认识, 掌握调整和使用分光计的方法。
2.掌握测定棱镜顶角的方法。
3.掌握用最小偏向角法各色光线折射率的方法。
实验仪器
分光计、 三棱镜、 高压汞灯,钠灯, 氦灯等
实验原理
图一
1.玻璃三棱镜折射率的测量原理
图一表示单色光在三棱镜主截面( 垂直于两折射面的截面) 内的折射。PD为入射光线, 两次折射后沿EP′方向出射。入射光线与出射光线之间的夹角δ叫做偏向角, 从图中可见
δ＝∠FDE＋∠FED
＝( i1-γ1) +( φ-γ2)
因为顶角A＝γ1+γ2
因此δ＝( i1+φ) -A( 0-3-1)
对于给定的棱镜, 其顶角A和相对于空气的折射率n都有一定值, 因而偏向角δ只随入射角i1而改变。能够证明, 当i1＝φ时, 偏向角有极小值δmin, 称为棱镜对某单色光的最小偏向角, 将i1＝φ代入( 0-3-1) 式, 得
δmin＝2i1－A
或i1＝( δmin+A) /2
而A＝γ1＋γ2＝2γ1, 即γ1=A/2,由折射定律可得:

( 0-3-2)
用分光计测出三棱镜顶角A和棱镜对某单色光的最小偏向角δmin, 就能够用( 0-3-2) 式求出棱镜玻璃材料对空气的相对折射率n。此法称为最小偏向角法。
由于透明介质材料的折射率是光波波长的函数, 故同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。当复色光经过棱镜折射后, 不同波长的光将产生不同的偏向而被分散开来。
A
C
θ
B
图二
2.棱镜顶角的测量方法
用自准法测量三棱镜顶角
当望远镜已调焦无穷远, 则望远镜自身产生平行光。用小灯照亮目镜中的双十字叉丝, 固定平台, 旋转望远镜正对AB面, 如右图, 使从AB面反射回来的十字像位于上叉丝中央, 记录两游标的读数φ1和φ1′。转动望远镜到AC面, 再测出AC面反射回来的十字像位于上叉丝中央时读数φ2和φ2′。两次读数之差即为望远镜转过的角度θ, 即
( 0-3-3)

由图二能够看出, θ为棱镜顶角A的补角, 故棱镜的顶角
A＝180°－θ
3.最小偏向角的测量方法
测定棱镜的顶角之后, 将棱镜置于载物平台上。先用眼睛直接观察平行光经棱镜折射后的出射方向, 再将望远镜转至该出射方向, 使在望远镜中清楚地看见图三
由汞灯发出的光经棱镜后的折射光线。然后缓慢地转动载物平台, 使在望远镜中看到的折射光线的的移动方向沿着偏向角减小的方向。继续缓慢地转动平台, 使折射光线的偏向角逐渐减小, 当载物平台转到某一位置, 继续按原方向转到平台时, 折射光线不再随着移动, 而是看到折射光线开始向相反方向移动, 即偏向角反而变大。折射光线移动方向的这个转折位置就是最小偏向角的位置。
重复转动平台, 准确确定折射光线移动方向的转折位置, 然后固定平台。转动望远镜, 使双十字叉丝的竖直线对准折射光线, 记录与望远镜在该位置T1相应的两个游标读数φ1和φ1′。
移去棱镜, 再转动望远镜, 使双十字叉丝竖直线对准平行光的狭缝像, 记录与入射光的方位T2相应的两游标读数φ2和φ2′。与望远镜的两个位置相应的游标读数之差, 即为该谱线的最小偏向角δmin。
( 0-3-4)
在测量望远镜转过的角度时, 要注意游标是否经过了刻度盘的零点。如果经过了, 则必须在相应的读数上加上360°后再计算。
实验步骤
1.按照分光计的调节要求和方法, 调节分光计粗调( 目测)
( 1) 分别调节望远镜和平行光管倾斜螺丝, 使望远镜和平行光管基本水平
( 2) 调节平台下面的三颗螺丝, 使台面基本水平

细调
( 1) 调节望远镜聚焦于无穷远
a.点亮小灯, 调节目镜, 看清双叉丝。
b．把棱镜光学面靠近物镜, 调节调焦螺母, 看清”＋”字像
( 2) 调节望远镜光轴、 平台台面分别与仪器转轴垂直
Z 2

Z 1
Z 3
Z 3
Z 2
图一
Z 1
Z 2
图二
Z 1
Z 3
图三

a.图一: Z3、 望远镜倾斜螺丝各调一半, 使”＋”字像与上叉丝重合。
b.图二: Z1、 望远镜倾斜螺丝各调一半, 使”＋”字像与上叉丝重合。
c.图三: 只调Z2, 使”＋”字像与上叉丝重合。
( 3) 调节平行光管发出平行光, 其光轴与仪器转轴垂直
a．点亮钠灯对准狭缝装置, 前后移动狭缝装置, 看清狭缝像
b．调节缝宽调节螺丝, 使狭缝像细锐
c．狭缝转90°, 调节平行光管倾斜螺丝, 使狭缝像与下叉丝重合
d．狭缝又转90°(竖直方向)
2.用自准法测量三棱镜顶角A。重复测量4次, 将测量数据记录于表一, 求平均值和不确定度u(A)。
3.测量汞灯各谱线的最小偏向角δmin
测定棱镜的顶角之后, 将棱镜置于载物平台的右上角。将望远镜转至平行光经棱镜折射后的出射方向, 找到波长最长的红光经棱镜后的折射光线。然后缓慢的转动载物平台, 使在望远镜中看到的折射光线的移动方向沿着偏向角减小的方向。继续转动平台直至折射光线不再向偏向角减小的方向移动, 而是向相反方向移动, 即偏向角反而增大。折射光线的位置即为最小偏向角的位置, 锁紧载物平台, 使各色光入射角i相同。转动望远镜使十字叉丝的竖直线依次对准波长最长的红光至波长最小的紫光的折射光线, 记录与望远镜在T1位置的两个游标的读数φ1和φ1′, 将测量数据记录于表二。求出各谱线的δmin、 所有谱线的u(δmin)
4.计算各谱线的折射率n和不确定度U(n)。
5.用坐标纸画出n～λ曲线。
实验数据及数据处理:
1. 自准法测量棱镜顶角

测量序号
左游标读数( φ1)
右游标读数( φ1′)

AB面
1

2

3

4

左游标读数( φ2)
右游标读数( φ2′)

AC面
1

2

3

4

2. 最小偏向角的测量
光谱的最小偏向角

汞灯谱线
谱线波长
( nm)
左游标读数( θ1)
右游标读数( θ1′)

T1
方
位
红光
650.65

绿光
546.07

青光
491.6

蓝光
491.60

紫光
404.66

T2方位
――
θ2:
θ2′:

3. 计算各谱线的折射率n和不确定度U(n)

U(n)=
4. 作出玻璃材料的色散曲线( 坐标纸)
注意事项:
1.切忌用手触摸或随意擦拭棱镜和平面镜的光学表面, 拿取棱镜时只能拿上下毛面或者棱边, 要轻拿轻放, 避免摔碰。
2. 分光计是比较精密的光学仪器, 它上面的螺钉在未搞清楚其作用前不得随意拧动, 若发现分光计上某些部件不能拧动或转动时, 切勿用力强拧, 以免损坏仪器。
3.暂时不用的元件应放在安全的位置, 不可放在书上或桌边, 以免被无意扫落地面打破。当分光计的调节完成后, 望远镜、 平行光管的调焦状态、 倾斜状态均不能再改变。调节三棱镜的光学面与望远镜光轴垂直时, 特别要注意到这一点。
参考文献:
[1]葛松华唐亚明大学物理实验北京: 化学工业出版社,
[2]东南大学等七所工科院校物理学北京: 高等教育出版社,