高中物理分光计的调节与使用素材新人教版选修3.doc

高中物理分光计的调节与使用
【实验简介】
分光计是一种精确地测量光线偏转角度的光学仪器，可以用来观察光谱，测量光谱波长、偏转角、棱镜角等与角度有关的光学量。许多光学仪器的基本结构都是以分光计为基础的。现代的X射线、射线分光计已用于分析各种物质的成分和放射性剂量的测定。由于分光计比较精密，操作控制部件较多且复杂，使用时必须按一定的规则严格调整，方能获得较高精度的测量结果。
分光计的调整思想、方法与技巧，在光学仪器中有一定的代表性，学习它的调节和使用方法，有助于掌握更为复杂的光学仪器的使用。
夫琅和费生平简介
图11-1 夫琅和费
夫琅和费是德国物理学家，1787年3月6日生于斯特劳宾。 他集工艺家与理论家的才干于一身，把丰富的实践经验与理论结合起来，对光学和光谱学作出了重要贡献。1814年用自己改进的分光系统，在棱镜前后分别加一个准直仪和望远镜（分光计雏形），发现并仔细研究了太阳光谱中的若干条暗线(现称为夫琅和费线)。他利用衍射原理测出它们的波长，将 576条暗线编制成表，并用字母A、B、C、D、…、等将其中主要的线命名,还在星光中发现了某些谱线。他用这些谱线测量了各种光学玻璃的折射率达到以前从未有过的精度，解决了大块高质量光学玻璃制造的难题。
　 1821年，他发表了平行光单缝衍射的研究结果（后人称平行光衍射为夫琅和费衍射），做了光谱分辨率的试验,第一个定量地研究了衍射光栅，制成260条平行线组成的光栅，用它测量了光的波长。1823年他又用金刚石刀刻制了玻璃光栅（3200条/巴黎寸），给出了至今通用的光栅方程。

【分光计的构造与工作原理】
分光计主要由底座、望远镜、载物平台、平行光管和读数装置等五个部分组成，物理实验常用的JJY型分光计结构如图11-2所示。

载物平台
平行光管
自准直望远镜
底座
刻度读数盘
图11-2 分光计实物图
（1）底座 底座上安置着中心轴（又称主轴），轴上装有可绕中心轴转动的望远镜、刻度圆盘、角游标盘、载物台和与底座座脚相连接的平行光管。
（2）望远镜 望远镜采用的是阿贝式子准直望远镜，结构如图11-3所示。由目镜、管筒、分划板、小棱镜、小灯泡和物镜组成。望远镜可以绕分光计的中心轴转动，并可以用制动螺钉固定在游标盘的某一位置上，其角度位置可由游标盘的读数装置读得。

图11-3 阿贝式望远镜结构和分划板示意图

图11-4 JJY型分光计构造图
1-狭缝装置；2-狭缝装置锁紧螺丝；3-平行光管；4-止动架（二）；5-载物台；6-载物台调节螺丝（共3只）；7-载物台和游标盘间锁紧螺丝；8-望远镜；9-目镜筒锁紧螺丝；10-阿贝式自准目镜；11-目镜调焦手轮；12-望远镜光轴倾斜调节螺丝；13-望远镜光轴左右偏斜度调节螺丝；14-望远镜微动螺丝；15-望远镜和度盘间锁紧螺丝；16-望远镜止动螺丝（另侧）；17-止动架（一）；18-转座和刻度盘止动螺钉；19-底座；20-转座21-刻度盘；22-游标盘；23-平行光管立柱24-游标盘微动螺丝；25-游标盘止动螺丝；26-平行光管光轴左右偏斜度调节螺丝；27-平行光管光轴倾斜调节螺丝；28-狭缝宽度调节螺丝。
（3）载物平台 载物平台是用来放置光学元件的平台，可绕分光计的中心轴转动；松开该平台固定螺钉，可使平台沿中心轴升降；台下有三个调节螺钉，用以调节平台的水平度。
（4）平行光管 平行光管是用来出射平行光束的，它在分光计上的位置是固定的；他的狭缝调节可以使狭缝宽度发生变化；松开固定螺钉可使狭缝前后移动，以使狭缝位于平行光管物镜的焦平面上；当狭缝被照亮时，光线便以平行光形式射出平行光管。

图11-5平行光管内部构造示意图
（5）刻度读数盘 读数装置由刻度盘和游标盘两部分组成，读数方法与游标卡尺相似。对于JJY型分光计，刻度盘上每一格的值为30’，游标盘上刻有30根小刻线，其最小分辨读数为1’，它即为JJY型分光计的误差限。示意图如图11-6所示。该图角度示值为116°12’。

图11-6 刻度盘和游标盘示意图
为了消除刻度盘和分光计中心转轴之间的偏心差，在刻度圆盘同一直径的两端各装一个角游标。测量角度时，对一个角度的两个位置，两个游标都应读数，算出每个游标在两个位置上的读数差，再取它们的平均值作为望远镜或载物台转过的角度。
【分光计调节方法及要求】
一、分光计的调节的基本要求
分光计调节的基本要求是：
调望远镜聚焦于无穷远处；调望远镜的光轴与分光计的中心转轴相垂直；
调平行光管能产生平行光，平行光管的光轴应与分光计的中心转轴相垂直。
二、分光计的调节方法
1、目测粗调
目测调整望远镜光轴（调倾仰调节螺钉12）、平行光管光轴（调倾仰调节螺钉25）、载物台平面（台下三螺钉等高），使三者大致垂直于分光计中心转轴。目测粗调是重要的一步，是进一步细调的基础，它可以缩短调整时间。
2、望远镜的调焦
1）目镜调焦
开启望远镜照明灯，此时望远镜的目镜视场中叉丝可能不清晰，旋转目镜调节手轮，调整目镜与分划板相对位置，使叉丝与小十字变清晰为止。
2）物镜调焦
在载物台上放置一双面平面反射镜，平面镜平面与载物台下螺钉a、b连线垂直或平行，两种放置方法如图11-7所示。
图11-7 平面镜放置图
c
a
b
b
a
c
a)
b)

图11-8 望远镜垂直正对反射镜

使望远镜光轴大致垂直平面镜，调望远镜俯仰角，左右转动载物台或望远镜，从望远镜中能看到十字反射像。松开目镜套管固定螺钉，移动套管到物镜距离（即分划板与物镜相对位置），使小十字及其反射像皆十分清晰为止，如图所示11-8所示。
眼睛左右移动时，微调目镜系统，使小十字反射像与叉丝无相对位移，从而消除视差。
3、调节望远镜光轴和载物台平面与分光计中心轴相垂直。
1） 转动载物台，使平面镜前后两面反射的十字反射像皆在望远镜视场内。仔细调望远镜俯仰角，使之正对平面镜两面都能看到十字反射像。设其中一反射像与上十字叉丝距离为h（如图11-9(a)所示）,我们用“各半”调节法消除h。
2）调节载物台下a或b两螺钉之一，使此h缩短为h/2（如图11-9（b）所示），再调望远镜俯仰角，使十字反射像与分划板上十字叉丝重合（如图11-9（c）所示）。 图11-9 用“各半”调节法调反射十字像
3）转动载物台，用“各半”调节法调节使另一反射面的十字反射像与分划板上十字叉丝重合（如图11-9（c）所示）。
4）将平面镜转动90°后放在载物台上（如图11-7所示），调节载物台下螺钉c,使十字反射像与分划板上十字叉丝重合。
4、调整平行光管，使之能发出平行光，并使其光轴与分光计中心轴相垂直。
1）调平行光管产生平行光
点亮汞灯或钠灯，均匀照亮狭缝，以前面调好的望远镜为准来调节平行光管。
改变狭缝与平行光管透镜间的距离，使狭缝在望远镜视场中清晰成像，且像与分划板叉丝无视差。平行光管发射的光即为平行光了。
2)调平行光管光轴与分光计中心轴垂直
调整狭缝宽度通过望远镜观察，使狭缝宽约0.3mm.。转动狭缝体，使狭缝亮线呈水平状，再调节平行光管下面的倾角螺丝，改变平行光管的俯仰，使狭缝亮线位于望远镜分划板的中央，与叉丝线的水平线重合。这时平行光管的光轴与望远镜
的光轴一致了，因而也垂直分光计中心轴了。 图11-10平行光管与分光计中心轴垂直调节示意图
此调节过程可用图见图11-10的(a)、(b)两个图表示。
分光计完全调好后，望远镜、平行光管、载物台的状态不能再改变（否则整个调节要重新进行）。接下去可以进行各种实验测量了。

实验练习一 用分光计测三棱镜的顶角
【实验目的】
1、了解分光计的结构及其基本原理；
2、学习分光计的调节方法；
3、用自准直法或反射法测三棱镜的顶角。
【实验仪器】JJY型分光计，汞灯或钠灯，平面反射镜，三棱镜
【实验原理】
玻璃三棱镜是光学基本元件如图1-1所示。AB和AC是两个透光的光学表面，称为“折射面”，其夹角a称为三棱镜的顶角；BC面一般为毛玻璃面，称为“三棱镜的底面”。
A

A
B
C

C B

()

C
B

图11-1-1 玻璃三棱镜 图11-1-2 自准直法测三棱镜顶角

1、自准直法测量三棱镜的顶角
图1-2所示为自准直法测量三棱镜顶角的示意图。将三棱镜放到分光计载物台上，三棱镜放置方法如图1-3（a）所示。望远镜照明小灯发出的光线垂直入射于三棱镜AB面而沿原路反射回来，记下此时光线入射方位(两角度值；然后转动望远镜使光线垂直入射于AC面，记下沿原路反射回来的方位()两角度值，则望远镜转角，三棱镜顶角a分别为
（11-1-1）
b
a

c

图 11-1-3（a） 图 11-1-3（b）
2、反射法测三棱镜的顶角
将三棱镜放置在载物台上并离平行光管远些，转动载物台，使三棱镜顶角对准平行光管，让平行光管射出的光束照在三棱镜两个折射面上（见图1-4（b））。将望远镜转至I处观测反射光，调节望远镜微调螺丝使望远镜竖直叉丝对准狭缝像中心线。再分别从两个游标（设左游标为A，右游标为B）读出反射光的方位角；然后将望远镜转至Ⅱ处观测反射光，相同方法读出反射光的方位角。由图1-4(a)光路图可以证明得到：

A

1
1
2
2
入射光线
反射光线
反射光线

C
B

图11-1-4（b）反射法测棱镜顶角

图11-1-4（a） 反射法光路图

（11-1-2）
【实验内容及要求】
1、分光计的调节
1）目测粗调（调节内容见前述）；2）调望远镜的焦距（调节方法见前述）；
3）调节望远镜光轴和载物台平面与分光计中心轴相垂直（调节方法见前述）；
4）调整平行光管，使之能发出平行光，并使其光轴与分光计中心轴相垂直（调节方法见前述）。
2、用自准直法测三棱镜的顶角
1）点亮望远镜照明灯并正对三棱镜AC反射面，使反射小十字像与望远镜分划板上十字叉丝重合，若偏高或偏低，可调载物台下螺钉b,再使望远镜正对三棱镜AB反射面，若反射小十字像偏高或偏低，只调载物台下螺钉c，使小十字像与分划板上十字叉丝重合。
2）记下望远镜两位置四个角度值（）和（），重复测量五次，列表记录数据，计算顶角的平均值和不确定度。
3、用反射法测三棱镜的顶角
1)开启汞灯或钠灯照亮平行光管狭缝,三棱镜顶角对准平行光管，使望远镜从三棱镜AB面找到狭缝像并对准分划板垂线，记下望远镜两角度值（），再将望远镜转到AC面，使狭缝像对准分划板垂线，记下此时望远镜两角度值（），重复测量五次，列表记录数据。
2）根据计算式计算顶角平均值和不确定度。
附顶角不确定度计算公式如下：

实验练习二 三棱镜折射率的测定

【实验目的】
1、了解分光计的结构及其基本原理；
2、学习分光计的调节方法；
3、测定三棱镜顶角，观察三棱镜对汞灯的色散现象；
4、测定玻璃三棱镜对汞绿光或钠光的折射率。
【实验仪器】JJY型分光计，汞灯或钠灯，平面反射镜，三棱镜
【实验原理】
一束单色光以角入射到面上，经棱镜两次折射后，从面射出来，出射角为。入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。当棱镜顶角一定时，偏向角的大小随入射角的变化而变化。而当时，为最小(证明略)。这时的偏向角称为最小偏向角，记为。

图11-2-1 测三棱镜折射率光路图 图11-2-2 最小偏向角测量示意图
由图2-1中几何关系得到

(11-2-1)

设棱镜材料折射率为，根据折射定律，则

故 (11-2-2)
由此可知，要求得棱镜材料的折射率，必须测出其顶角和最小偏向角。折射率是光波波长的函数非单色光源（如汞灯）发出的光，经过三棱镜折射以后，其中各单色光成分会有不同的偏向角，出射光形成色散光谱线。偏向角可以分别测量。一般折射率常用钠黄光而言，记做。
【实验内容】
1、 分光计的调节（调节要求和方法见前述） 图11-2-3 三棱镜色散
2、 用自准直法或反射法测三棱镜的顶角A，测量四次(原理和方法见前述)
3、 测量低压汞灯出射光谱线中绿光的最小偏向角
1）将平行光管狭缝对准汞光源，并使三棱镜、望远镜和平行光管处于如图2-2所示相对位置，即可在望远镜中彩色光谱线（即狭缝的单色像）。调节缝宽，使光谱线细而清晰地成像在望远镜分划板平面上。
2）轻轻转动载物台(改变入射角)，在望远镜中将看到谱线跟着动。使谱线往δ减小的方向移动(向顶角A方向移动)。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜继续转动，而谱线开始要反向移动(即偏向角反而变大)为止。这个反向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台，再使望远镜微动，使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线(546.1mm)。记下此时两游标处的读数（（），取下三棱镜(载物台保持不动)，转动望远镜对准平行光管，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数（）。
3）按，计算最小偏向角，重复测量四次，计算出的平均值。
【数据处理与分析】
1、 列表记录所有测量数据，表格请自拟。
2、 将测出的顶角A和最小偏向角平均值代入（2）式，求出绿光的折射率。
附：不确定度计算公式如下：

【思考题】
1） 分光仪分划板的叉丝竖线清晰应该如何调节？ 要看清反射的“＋”字又如何调节？
2） 如何调节分光仪使望远镜的主轴与载物台的中心轴垂直？
3） 如何调节平行光管与望远镜共轴？
4） 顶角如何测量?
5） 如何确定最小偏向角的出射方位?