实验12分光计的调节和使用解读.docx

实验12分光计的调节和使用一、 实验目的1•了解分光汁的结构，学习正确调节和使用分光计的方法2.用分光计测定三棱镜的顶角二、 实验仪器分光计、平面反射镜、三棱镜、汞灯等三、 实验原理分光计是一种能精确测量角度的光学仪器用它可以测定光线偏转角度，如反射角、 折射角、衍射角等等，而不少光学量（如光波波长、折射率、光栅常数等）可通过测量相 关角度来确定了解分光计的结构，正确调节分光计，对减小测量误差、提高测量精度是 十分重耍的1. 分光计的结构H 玮图12-1分光计结构图分光计主要由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成，其结构如图12-1所 示平行光管用来发射平行光，望远镜用来接收平行光，载物台用来放置三棱镜、平面镜、 光栅等物体，读数装置用来测量角度分光计上有许多调节螺丝，它们的代号、名称和功能见下表代号名 称功 能1平行光管光轴水平调节螺丝调节平行光管光轴的水平方位（水平面上方位调节）2平行光管光轴高低调节螺丝调节平行光管光轴的倾斜度（铅直面上方位调节）3狭缝宽度调节手轮调节狭缝宽度 （0.02〜2.00mm）4狭缝装置固定螺丝松开时，调平行光；调好后锁紧，以固定狭缝装置5载物台调平螺丝（3只）台面水平调节（本实验中，用来调平面镜和三棱镜折 射面平行于中心轴。

6载物台固定螺丝松开时，载物台可单独转动、升降，锁紧后，使载物 台与游标盘固联7叉丝套筒固定螺丝松开时，叉丝套筒可自由伸缩、转动（物镜调焦）；调 好后锁紧，以固定叉丝套筒8目镜视度调节手轮目镜调焦用（调节8,可使视场中叉丝清晰）9望远镜光轴高低调节螺丝调节望远镜光轴的倾斜度（铅直面上方位调节）10望远镜光轴水平调节螺丝（在图后侧）调节望远镜光轴的水平方位（水平面上方位调节）11望远镜微调螺丝（在图后侧）在锁紧13后，调11可使望远镜绕中心轴缓慢转动12刻度盘与望远镜固联螺丝松开12，两者可相对转动；锁紧12,两者固联，才能 一起转动13望远镜止动螺丝（在图后侧）松开13，可用手大幅度转动望远镜；锁紧13,微调螺 丝11才起作用14游标盘微调螺丝锁紧15后，调14可使游标盘作小幅度转动15游标盘止动螺丝松开15，游标盘能单独作大幅度转动；锁紧15，微调螺丝14才起作用分光计的读数装置由刻度盘和游标盘两部分组成刻度盘分为 360°，最小分度为半 度（30‘），半度以下的角度可借助游标准确读出游标等分为30格，游标的这30小格正 好跟刻度盘上的29小格对齐，因此知道游标上1小格为29',游标上1小格与刻度盘上1 小格两者之差为「。

从而推知游标上n小格与刻度盘上n小格相差n'o角游标的读法与直游标（如游标卡尺）相似，以游标零线为基准，先读出大数（大于 30'的部分），再利用游标读出小数（小于30'的部分），大数跟小数之和即为测量结果现 举二例试读（见图 12-2）oI齢149° +22 '—149° 22 '149° 30 ' +14 '—149° 44 '图 12-2角游标的读数示例在生产分光计时，难以做到使望远镜、刻度盘的旋转轴线与分光计中心轴完全重合 为消除刻度盘与分光计中心轴偏心而引起的误差，在游标盘同一条直径的两端各装一个读 数游标测量时两个游标都应读数，然后分别算出每个游标两次读数之差，取其平均值作 为测量结果用双游标消除偏心误差的原理详见附注2. 分光计的调节图12-3阿贝目镜式望远镜的结构和视场概括地说，分光计的调整要求是：使平行光管出射平行光；望远镜适合于接收平行光； 平行光管和望远镜的光轴等高并与分光计中心轴垂直在正式调整前，先目测粗调：使望远镜和平行光管对直，并都对准分光计中心轴；将 载物台、望远镜和平行光管大致调水平（实际要求与分光计中心轴垂直）这一步很重要， 只有做好粗调，才能按下列步骤进一步细调（否则细调难以进行）（1）调整望远镜使其达到下面两条要求（望远镜是由物镜镜筒、叉丝套筒和目镜镜同三部分组成。

叉丝到目镜和物镜的距离皆可调节常用的阿贝目镜式望远镜的结构和视 场如上页图12-3所示）：平行光管望远镜n①用自准法调节望远镜，使之适合于接收平行光：点亮望远 镜侧窗的照明灯将叉丝照亮，前后移动目镜使叉丝位于目镜焦平 面上，此时叉丝看得很清楚再按图12-4所示位置，将平面反射 镜置于载物台上（镜面朝望远镜）然后缓慢转动载物台，同时调 节叉丝套筒（改变叉丝与物镜间距），从望远镜中找到由平面镜反 射回来的模糊光斑（如果找不到，则粗调没有达到要求，应重调） 找到光斑后进一步细调叉丝套筒，光斑逐渐变变成清晰的“十” 字形像（它是叉丝平面上小黑十字的反射像）当叉丝位于物镜焦 平面上时，叉丝发出的光经过物镜后成为平行光，平行光经平面 镜反射再次通过物镜后仍成像于叉丝平面此时，从目镜中可同时看清叉丝与“十”字形像，且两者无视差至此，叉丝既落在 补亠图12-4平面镜在 目镜焦平面上乂落在物镜焦平面上，望远镜已适合于接收平行光 载物台上的放法各镜筒间的相对位置就不应改变了要补充说明的是，叉丝套筒在调节过程中应做适当转动，使竖直叉丝平行于分光计中 心轴（怎样鉴别是否已达到了这一要求？）②使望远镜光轴垂直于分光计中心轴：测量中，平行光管和望远镜分别代表入射光和 出射光方向。

为保证测量精度，应使它们的光轴与刻度盘平行由于制造仪器时刻度盘已 与分光计中心轴垂直，所以只需调节它们的光轴与中心轴垂直就可以了望远镜调好焦后，从目镜中能同时看清叉丝和“十”字形像，且两者无视差但“十” 字形像一般不处于小黑十字的对称位置（aa，线）上其原因可能是望远镜光轴未垂直中 心轴，也可能是平面镜镜面与中心轴不平行，或者两者兼有为使望远镜光轴垂直中心轴， 调整方法如下：首先检查平面镜正反两面分别正对望远镜时，视场中是否都能找到“十”字形像（如 果找不到或只找到一个，说明粗调不合格，应进一步调整）然后用螺丝9调节望远镜光轴 倾斜度，使“十”字形像到aa，线的距离减小一半，再调载物台螺丝G］（或G3）使两者 重合把载物台转180°，使平面镜的反面正对望远镜，再次用“各半调节法”同样调节 如此反复调节，直到平面镜任一面正对望远镜时，视场中的“十”字形像都落在调整叉丝 aa，上时为止此时，望远镜光轴就与中心轴垂直了调节过程中，不必刻板地运用“各半调节法”若发现正反两面的反射像纵向位移较 大，说明平面镜镜面与中心轴明显不平行，就应侧重调节螺丝G］或G3如果纵向位移不 大，但反射像都远离aa"线，这表明望远镜光轴与中心轴明显不垂直，就该侧重调节螺丝 9 了。

2）调整平行光管① 调整平行光管使之出射平行光：平行光管是由两个可以相对滑动的套简组成的，外 筒上装有一组消色差透镜，内筒外端装有一个宽度可调的狭缝调节时先取下载物台上的平面镜，点亮汞灯使之正照狭缝然后一边调节平行光管上 狭缝和透镜的间距，一边用调好焦的望远镜对准平行光管观察当狭缝正好调到透镜焦平 面上时，平行光管就出射平行光由于望远镜已适合于接收平行光，因此平行光射入望远 镜后将在叉丝平面成像这时从望远镜中能看到清晰的与叉丝无视差的狭缝像这就是说，我们是以调好焦的望远镜视场中，能否产生清晰的、无视差的狭缝像作为 判据，来判别平行光管出射的是否是平行光的② 使平行光管光轴与分光计中心轴垂直：调节螺丝3使狭缝像宽约1mm多，再转动 狭缝使狭缝像平行于竖直叉丝，然后调节平行光管光轴水平调节螺丝1和高低调节螺丝2, 把狭缝像精确调到视场中心且被十字叉丝所等分至此，平行光管与望远镜的光轴重合且 与分光计中心轴垂直四、实验内容1. 调整分光计按分光计的调整要求和调节方法，正确调节分光计至正常工作状态2. 调节三棱镜要使三棱镜两折射面与分光计中心轴平行（即与已调好的望远镜光轴垂直）（1）将三棱镜按图12-5那样平放在载物台上。

图中ABC表示三棱镜的横截面，AB、图12-5三棱镜的放法AC、BC是三棱镜的三个侧面其中，AB、AC两个 侧面是透光的光学表面（称为折射面）、侧面BC是毛 玻璃面（称为底面）三棱镜两折射面的夹角 称为 顶角放置三棱镜时，顶角要靠近载物台中央，折射 面要与载物台下调平螺丝的连线垂直2）转动载物台，使三棱镜的一个折射面正对 望远镜调节载物台调平螺丝，使“十”字形反射像 落在调整叉丝aa'上转动载物台使另一折射面正对望远镜，再按上述方法重新调节来回反复调节几次，直到两个折射面都垂直于望远镜光轴为止注意：调节过程中只能调节载物台下的调平螺丝，不能动望远镜下的方位调节螺 丝3. 用反射法测三棱镜顶角转动载物台，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12-6）将望远镜转至I处 观测左侧反射光，调节望远镜微调螺丝（11）， 使望远镜竖直叉丝对准狭缝像中心线再分 别从两个游标读出左侧反射光的方位角0 A、 e ；然后将望远镜转至ii处观测右侧反射B；由图12-6可以证明顶角为B图12-6用反射法测三棱镜顶角光，相同方法读出右侧反射光的方位角e a、要求测量3次以上，求平均值和不确定度，数据表格自拟。

每次测量完后可以稍微变 动载物台位置，再测下一次五、注意事项1. 三棱镜要轻拿轻放，要注意保护光学表面，不要用手触摸折射面2. 用反射法测顶角时，三棱镜顶角应靠近载物台中央放置（即离平行光管远一些）否 则反射光不能进入望远镜3. 在计算望远镜转角时，要注意望远镜转动过程中是否经过刻度盘零点，如经过零点, 应在相应读数加上360°后再计算六、问题讨论1. 在载物台上放置三棱镜时，为什么要使折射面垂直于载物台调平螺丝的连线？2. 不用汞灯和平行光管，利用望远镜自身产生的平行光来测三棱镜顶角的方法称为自 准法试用自准法测三棱镜顶角，并说明测量原理和方法3. 试利用图12-6，证明反射法测三棱镜顶角的测量公式a=*2七、附注：双游标消除偏心误差原理测量时，游标盘、载物台均与分光计整体固联，而望远镜与刻度盘固联并绕自身转轴O转动当望远镜（刻度盘）绕O轴转过一个角 度时，通过安装在游标盘对径上的两个游标分别 测得转角为申和申，而相对于分光计中心轴OA B"来说转角为9由于O轴跟O'不一定重合， 一般情况下申H申H申A B但由几何原理可知（见图12-7）：1 1a =—9 Q =—9A 2 B B 2 A而 9 = a + aA B9= 2(9+9)=2B 2b '—e| A A+ |e| B B图12-7消除偏心误差原理图故可见，两个游标所测转角的平均值即为望远镜（刻度盘）相对于中心轴实际转过的角 度。

因此，使用这种双游标读数装置可以消除偏心误差。