实验报告分光计

　实验四

　分光计得调整及光栅常数得测定 分光计作为基本得光学仪器之一,它就是精确测定光线偏转角得仪器,也称之为测角仪。光学中很多基本量(如反射角、折射角、衍射角等)都可以由它直接测量。因此，可以应用它测定物质得有关常数(如折射率、光栅常数、光波波长等),或研究物质得光学特性(如光谱分析)。应用分光计必须经过一系列仔细得调整，才能得到准确得结果。因此,在学习使用过程中,要做到严谨、细致,才能正确掌握。

　【实验目得】

　１。了解分光计构造得基本原理。

　2．学习分光计得调整技术,掌握分光计得正确使用方法. ３。利用分光计测定光栅常数。

　【实验原理】

　1．分光计 光线入射到光学元件上,由于反射或折射等作用,使光线产生偏离，分光计就就是用来测量入射光与出射光之间偏离角度得一种仪器。要测定此角，必须满足两个条件: ⑴ 入射光与出射光均为平行光； ⑵ 入射光、出射光以及反射面或折射面得法线都与分光计得刻度盘平行. 为此,分光计上装有能造成平行光得平行光管、观察平行光得望远镜及放置光学元件得载物台,它们都装有调节水平得螺钉。为了读出测量时望远镜转过得角度,配有与望远镜连接在一起得刻度盘，如图4—1所示。各部分别介绍如下：

　⑴ 读数装置。在底座１9得中央固定一中心轴,度盘２２与游标盘21套在中心轴上，可以绕中心轴旋转;度盘下端有轴承支撑,使旋转轻便灵活;度盘上得刻线把360°圆周角分成720等份，每份为30′。同一直径方向两端各有一个游标读数装置,测量时,对望远镜得两个位置中每一位置都读出两个数值,然后对同侧得差值读数取平均值,这样可以消除因偏心引起得误差（见本实验参考资料)。

　⑵ 平行光管。立柱2３固定在底座上，平行光管３安装在立柱上,平行光管得光轴位置可以通过立柱上得调节螺钉26、２7分别进行左右、水平微调,平行光管有一狭缝装置1。旋松螺钉２,转动装有狭缝得内套筒使狭缝成严格得垂直状，前后移动内套筒,使狭缝严格地处在透镜焦平面上,则平行光管发出狭缝平行光。

　狭缝得宽度可在0、02～2、0０mm内由螺钉28调节，一般在教师指导下调节.

　 图４-２

　望远镜结构

　图4—3

　分划板视场 ⑶ 望远镜。阿贝自准直望远镜8安装在支臂１４上,支臂与转座20固定在一起并套在度盘上。当松开制动螺钉16时，转座与度盘可以相对转动，当旋紧此制动螺钉,转座与度盘一起旋转.旋紧制动架18与底座上得制动螺钉17时，借助于此制动架末端上得调节螺钉１５可以对望远镜进行左右转动微调.望远镜得光轴位置,可以通过螺钉12、1３分别进行水平、左右微调. 阿贝自准直望远镜内部结构如图12—２所示，从目镜所见分划板视场如图4—3.旋目镜调焦手轮11，使目镜中能十分清晰地瞧到分划板上得分划线.旋松螺钉9，转动目镜组１0使分划线成水平状。前后移动目镜组，使分划板处在物镜得焦平面上,则亮十字经物镜发出得光为平行光，当它被反射回望远镜时，将在分划板上成清晰得亮十字像,且与实物亮十字无视差。

　⑷ 载物台。载物台5套在游标盘上,可绕中心轴旋转，旋紧载物台锁紧螺钉7与制动架4与游标盘得制动螺钉２5时,借助于立柱２３得调节螺钉24可以对载物台进行微调。放松载物台锁紧螺钉时,载物台可根据需要升高或降低。调到所需位置后,再把锁紧螺钉锁紧.载物台有三只调平螺钉6,可用来调节载物台面,使之与旋转主轴垂直。

　⑸ 照明.外接6、3V电源，插头插图 图 4-1

　JJY 型 型 1´ 分光计

　图 图 4-4

　衍射光栅

　分划线 十字叉丝

　在底座得插座上，经导电环通到转座得插座上,望远镜系统得照明器插头与之相接,这样可以避免望远镜系统旋转时电线拖动。

　２。光栅 光栅就是由许多等宽度a（透光部分）、等间距b(不透光部分)得平行缝组成得一种分光元件。当波长为λ得单色光垂直照射在光栅面上时，则透过各狭缝得光线因衍射将向各方向传播，经透镜会聚后相互干涉,并在透镜焦平面上形成一系列间距不同得明条纹。根据夫琅与费衍射理论,衍射光谱中明条纹得位置由下式决定：

　(a+ｂ）sinφ k =kλ（k=0,±1,±2,…）

　 (4-1) 式中a+ｂ =d称为光栅常数，k为光谱级数，φ k 为第k级谱线得衍射角。见图4—4，k=０对应于φ=0，称为中央明条纹,其它级数得谱线对称分布在零级谱线得两侧。

　如果入射光不就是单色光,则由式(4-1）可知，λ不同,φ k 也各不相同，于就是将复色光分解。而在中央k＝ 0,φ k =0处，各色光仍然重叠在一起，组成中央明条纹。在中央明条纹两侧对称地分布k=1，２,…级光谱线,各级谱线都按波长由小到大，依次排列成一组彩色谱线,如图４—5所示。

　根据式（４-1)，如能测出各种波长谱线得衍射角φ k ，则从已知波长λ得大小，可以算出光栅常数d；反之,已知光栅常数d,则可以算出波长λ． 【实验仪器】

　 分光计,钠光灯，双平面镜，光栅。

　【注意事项】

　1.移动望远镜时，只能推动立柱1４,不允许搬动镜筒及目镜。

　2。取放双面镜及光栅时只能拿边缘，不许触摸表面，且严防失手摔碎;不许擦拭光栅. ３.狭缝宽度要在教师指导下缓慢调节。

　【实验步骤】

　1。首先,检查仪器及用具就是否齐全、完好,然后将钠灯电源插头插于墙上,打开钠光灯预热。打开6V变压器开关。

　2。目镜得调焦:转动接目镜调焦手轮11直至视场中分划线清晰。

　３。望远镜调焦:取出双平面镜,扣在望远镜８得前端,即使平面镜平面与望远镜光轴垂直.从目镜中观察,可以瞧到一亮斑，旋松螺钉9,前后微动目镜组,对望远镜进行调焦,使亮斑成为清晰得十字像,旋紧螺钉9。

　图 图 4-5

　光栅衍射谱

　4。调整望远镜光轴、载物台平面垂直于旋转主轴:① 粗调:调节载物台a、b、c三只螺钉使两圆盘夹缝处螺钉螺纹数大致相等（６个螺纹数最佳）;调节目镜下方螺钉12使望远镜大致水平。②细调：把双平面镜按图１２——６所示方位放置于载物台上，左手使灰台板左右小角度转动,使平面镜平面与望远镜光轴有横向垂直机会，眼瞧目镜,同时用右手调节望远镜水平调节螺钉1２(寻找纵向垂直机会)至视场中出现亮十字像,并调１2使十字像处于图4—3所示位置（实际操作中可简化为十字像横与分划线重与)．转动灰台板使双平面镜转到反面，用手小角度左右转动,寻找反面垂直机会,若无十字像出现,立即把平面镜转回正面。观察望远镜状态,瞧目镜一端就是向上还就是向下倾斜？ 判断后,调节螺钉12校正望远镜水平,此时，视场中十字像偏离了分划线（注意:上—--—不可出视场;下－—-—不过横叉丝)，调节载物台螺钉a,使亮十字像回到分划线,经过一次或多次判断、调节，反面视场中定会瞧到十字像。但此时反面十字像横与分划线不重与。调节螺钉12使十字像向分划线趋近一半,再调节载物台螺钉b使二者重合（以下称‘一半一半’法);转回正面，十字像横与分划线又不重与了,调螺钉12使十字像向分划线趋近一半，再调节螺钉a使二者重合。这样反复多次‘一半一半’地调节,就会使得两面得十字像横均与分划线重合，望远镜光轴与旋转主轴垂直了,但此时载物台平面不一定与旋转主轴垂直,这就是由于两条直线确定一个平面.以上仅调了一条直线,即ａ、b螺钉顶端所在得直线。这时可把双面镜按图4-—7所示放置，调节螺钉ｃ(此时不能再动螺钉ａ、b、12）使双面镜正面对应十字像横与分划线重合,这时载物台平面与旋转主轴垂直了。

　图4-6

　双面镜初放置

　 图4—７

　双面镜转置 5。调节分划板成水平与竖直

　当载物台连同双平面镜相对望远镜旋转时观察，如果分划线与亮十字得移动方向不平行,就要转动目镜组,使亮十字得移动方向与分划线平行.注意，此时不可破坏望远镜得调焦，然后将目镜得锁紧螺钉旋紧。

　6.平行光管得调焦

　首先关掉望远镜目镜照明器上得光源,拿走载物台上得双平面镜。打开狭缝28,用漫反射光照明狭缝,前后移动狭缝装置1,使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上。然后把平行光管光轴左右调整螺钉26调到适中位置,并调节望远镜光轴左右调 整螺钉１３与平行光管水平调整螺钉27，使狭缝位于视场中心。最后，旋转狭缝装置,使狭缝与目镜分划板得叉丝竖线平行,注意不要破坏平行光管得调焦,然后将狭缝装置锁紧螺钉旋紧。

　表4－1 次数 目镜竖丝位置 左端刻度盘读数 右端刻度盘读数 φ １

　1 左一级 θ 1 θ 2

　 右一级 θ 1 ´ θ 2 ´ ２ 左一级

　右一级

　 3 左一级

　右一级

　 ７。用钠黄光(λ=589、3ｎm）测衍射角:将平行光管正对钠光灯,并将光栅放在载物台上使其与平行光管光轴垂直，观察其零级及一级衍射条纹,可以瞧到一级衍射条纹就是两条靠得很近得谱线(589、0nm与589、６ｎm）,λ=58９、3nm就是它们得波长得平均值。分别测定左一级、右一级衍射条纹左、右两端刻度盘得读数,重复测量三次,并记录在表4-1中。

　图 12—8

　角游标读数练习

　图１2-９

　偏心差原理 如此，得本光栅对钠黄光得一级衍射角为

　(４－２) 求得此光栅衍射得一级衍射角得三次测量得平均值,取ΔB=１′＝度，求测量结果得不确定度Δφ 1 ，并由求得光栅常数，由Δφ 1 利用不确定度传递公式

　 (4—3) 求得Δd,则光栅常数ｄ=±Δd。

　*注意Δφ要化为弧度。

　【思考题】

　１、应用分光计进行测量之前,应调节到何种状态? 2、调节分光计得基本步骤就是什么？ 3、按游标原理,读出图4-8中得角度数。

　参考资料

　消除偏心差得原理 由于刻度盘中心与游标盘中心并不一定重合，真正转过得角度同读出得角度之间会稍有差别，这个差别叫“偏心差”。

　如图4-9所示，O与O′分别为刻度盘与游标盘得中心,游标盘转过得角度为φ,但读出得角度,在两个游标上分别为φ １ 与φ 2 。

　由几何原理可知: ，

　又因为

　故

　所以实验时,取两个游标读出得角度数值得平均值。

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