分光计的调节与应用

分光计的调节与应用-光栅衍射法测光波波长

Measurement of light wavelength using spectrometer

衍射光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，实验中所用透射光栅是用金刚

石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙，一般每毫米

约250-600条线。

【实验目的】

分光计的调整与使用、衍射光栅测定光谱波长

【实验原理】

透射光栅光路图如图１所示，当光垂直入射i =0，有：d sin ϕk =k λ

图1 光栅衍射 图2 光栅衍射光谱示意图 当望远镜从位置1转到位置2时，夹角为ψ12，如图3所示：

图3 望远镜的转角

各光谱的衍射角 ϕ=ψ12

2=2左-θ1左+2右-θ1右

4

【仪器介绍】

分光计的结构示意图

图4 JJY 型分光计的结构示意图

1-平行光管狭缝锁紧螺钉；2-平行光管狭缝装置；3-平行光管狭缝调节螺钉；4-平行光管倾

斜度调节螺钉；5-平行光管水平方向调节螺钉；6-平行光管，7-载物台锁紧螺钉；8-载物台；9-

载物台调平螺钉；10-望远镜；11-望远镜目镜锁紧螺钉；12-望远镜目镜调焦螺旋；13-小电珠；

14-望远镜倾斜度调节螺钉；15-望远镜水平方向调节螺钉(背面) ；16-游标盘；17-转座水平方向

微调螺钉(背面) ；18-游标；19-刻度盘；20-底座；21-转座与刻度盘锁定螺钉；22-转座；23-望远

镜止动螺钉(背面) ；24-游标盘微动螺钉；25-游标盘止动螺钉

图5 分光计的读数盘

刻度盘为334030’稍多一点，游标盘上的第17格恰好与刻度盘上的刻度对齐，因此读

00数为33430’+17’=33447’。

【实验内容】

1. 粗调分光计

（1）调平望远镜和平行光管，三垂直—－望远镜轴线、载物平台、平行光管轴线分别垂直

于中心转轴。

（2）调焦目镜，通过目镜能清晰地看到分划板上铅直清晰的叉丝刻线和十字光标，粗调平

行光管物镜，调出清晰竖直的狭缝像。

（3）载物台放上平面反射镜（放法如图6所示），观察绿十字像（注意观察狭缝像“尾巴”），

并调节物镜使之清晰竖直。

2. 细调分光计

（1）各半调节法，调节a1(a2)和螺钉14，使绿十字像调到oo ’线上，载物盘转过1800调

节使绿十字像到oo ’线上；重复上述过程。

（2）转动平面镜900，调节a3使绿十字像到oo ’线上

（3）平行光管细调，调节狭缝像清晰、铅直，宽度为1mm

左右。

3. 光栅的调节:与平面镜放法一样，调节光栅平面与入射光

垂直。

4测量汞光谱线第一级(k=1)的衍射角:将望远镜分别位置1

和位置2, 使分划板上的叉丝竖线对准该谱线, 读出左、右游

标读数，记入下表，然后根据公式（2）计算它们的衍射角。 图6 平面镜放法

然后可根据公式（1）计算各条光谱线的λ测，并与公认值（Ｐ27表0-6）比较，求出

δr ，光栅常数d

=1mm 。

【注意事项】

1. 汞灯为冷光源，关灯后要冷却方可再次点亮；另外，汞灯紫外线很强，不可直视。

2. 禁止用手触摸光栅表面。

3. 测量时，刻度盘的零刻线经过游标零刻线，需加上360°再计算。

二、仪器结构与调节方法

分光计1台，玻璃三棱镜1块，高压汞灯1台，水平仪1只，平行平板玻璃或平面镜1

块。

(一) 分光计介绍

1. 分光计结构

分光计常用来产生光谱，测量谱线波长，也可用来测量光学元件和机械零件的角度。其

外形结构如图 17－1所示，它由平行光管、望远镜、载物平台、读数圆盘和三角底座等五

大部分组成。

图 17－1 分光计外形图

1. 望远镜目镜 10. 读数圆盘的固定螺丝

2. 望远镜筒 11. 读数圆盘和望远镜的连动杆

3. 载物台 12. 读数圆盘和望远镜的微动螺丝(在背后)

4. 叉丝(在望远镜筒内) 13. 狭缝宽度调节螺丝

5. 调节望远镜倾斜角的螺丝 14. 平行光管

6. 固定望远镜倾斜角的螺丝 15. 调节平行光管倾斜角的螺丝

7. 调节平台倾斜度的螺丝 16. 固定平行光管倾斜角的螺丝

8. 读数圆盘 17. 平行光管的调焦旋钮

9. 望远镜的固定螺丝(在背后)

(1) 平行光管.

平行光管是产生平行光的装置，其结构见图 17－2，它由物镜L(固定在管的一端) 和狭缝S 组成，狭缝宽度可以根据需要调节。狭缝相对于L 的位置可由套筒移动来调节再由螺丝固定。当狭缝位置调至L 的焦面上时，在某光源的照射下，狭缝诸点如A,B, „等发出的光经物镜折射后均为方向不同的平行光束，如用已经自准直调焦无穷远的望远镜对准平行光管观察，这些不同方向的平行光束被望远镜接收后分别会聚成相应像点，观察者看到的便是由这些像点组成的狭缝的像，甚至狭缝两边刀口的形状都清晰可辨。这时说明平行光管发出的便是平行光。

图 17－2 平行光管结构原理图

(2) 望远镜.

① 目镜和物镜。望远镜是一种助视仪器，可将远处物体对人眼中心的张角即视角放大很多，从而使人眼能看清远处物体的细节。

望远镜的机械部件分为外管、中管和内管，彼此可以相互移动，也可用螺丝固定。望远镜的光学部件由两块焦距不同的会聚透镜(为消除像差可用透镜组) 组成，见图 17－3，其中焦距较大的一个作为物镜固定在外管端口；焦距较小的一个作为目镜固定在内管端口，令物镜和目镜组成共轴系统，并使物镜的第二焦点与目镜的第一焦点靠近。

图 17－3 望远镜结构示意图

② 分划板。用于测量的望远镜内都装有一块分划板被固定在中管，它是用透明材料制的薄板，板上的叉丝是用来做定标用的标准线，在分划板的内侧边面紧贴一个带45°反射面的小折光棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留有一个绿色的小十字线孔。在中管侧面的圆孔里，放一个小灯泡，灯光通过小棱镜从45°反射面照到分划板上，贴面的涂黑部分形成阴影，透光部分便形成一个在分划板上的绿色的十字线物。

(3) 载物平台.

载物平台系用来放置三棱镜或光栅等被测元件的平台，它可固定在中心杆上绕通过平台中心的铅直轴即仪器主轴转动，也可沿杆上下升降，并固定在任意高度上，平台下面有三个螺丝，见图 17－1之7，用以改变平台对铅直轴的倾斜度。

(4) 读数圆盘.

读数圆盘分内盘和外盘，两盘均刻有角度标尺，标尺一圈360°，共分720格，每格0。5°，载物平台可与内盘固定而一起绕主轴转动，也可与内盘脱离；望远镜可与外盘固定而一起绕主轴转动，也可分离单独转动。它们到底处于何种状态，将由图 17－1中的9,10,11三个螺丝控制。望远镜和载物平台的相对方位或转动的角度可由读数圆盘上读取。为提高精度，在内盘的对称位置上装有两个角游标，相距180°。游标尺上分的30格，与主尺上29格的弧长相等，因此刻度最小读数为1′。装两个游标的目的是为了消除读数圆盘刻度中心与仪器主轴之间的偏心差，记录内、外盘的角位移时，应从两个游标尺上分别读取两个角度，再取其平均值。

2. 分光计的调节

(1) 望远镜的成像.

用望远镜观察远处物体时，物体各点发出的光通过物镜成缩小实像在焦点外侧附近，并调至恰好落在目镜焦点内侧附近，其经目镜的放大虚像调至明视距离(约25cm) 便被观察清楚。由于视角已被放大，可以分辨像的细节。

如果想对像定标，则事先调节内管，使分划板恰好位于目镜焦点内侧附近，并被观察清楚，那么叉丝的像和物体的像均成在明视面上，这可用视差法来检验，即左右移动眼睛时，两像没有相对移动可证明它们共面。

(2) 自准直法调焦至无穷远(简称调焦).

因为在观察光谱时，平行光管发出的是平行光，调节平行光时，需移动狭缝相对于物镜的距离，何时是平行光的判断标准正是用已调焦至无穷远的望远镜来看清发出平行光的狭缝。一般均用自准直法来调焦至无穷远。

自准直法的原理是镜筒内设一发光物，它发出的光从物镜折射至镜外，倘若有一平面镜恰与光轴垂直，则将这束光反射回到物镜又折射入望远镜筒内成像。只有物发出的是平行光时，平面镜反射回来的才是平行光，也才能成与物等大小并处于对称位置的像。因此，我们接通中管侧面圆孔里小灯泡的电源，使绿色十字线物发光，调节中管(调焦) 使分划板恰落在物镜的焦面上，则十字线物发出平行光，它遇到平面镜反射回镜筒内，成的十字线像便会呈现在十字线物的对称位置上。如图 17－4所示，十字线物在竖直叉丝上偏下，十字线像在竖直叉丝上偏上。这时望远镜便处于看清了物从“无穷远”外发出平行光成清晰像的状态，也就是已调焦至无穷远。本实验采用放在载物平台上的带平面底座的平面镜做自准直调焦的反射平面镜。自准直调焦技术性很强，主要困难在于不停地调节中管的同时，还要调节平台的三个螺丝，改变反射镜的倾斜度，使其被调节至与望远镜光轴垂直，否则它会将从望远镜筒射出来的平行光反射到筒外，这时，无论怎样调节中管在望远镜内也找不到十字像。

图 17－4 自准调焦的像

为给初学者减小困难，实验室备有一片粗质平面镜，可将其贴在望远镜外端口，调节中管(调焦) 一般均能在视野里出现十字线像。因为端口和反射面均不是严格的光学表面，所以像的位置很可能与物不对称，但能看清楚“无穷远”处物的像，这已为自准直调焦带来了方便。

自准直法调焦具体过程分为两步：

① 置平面镜于载物台之前，先用肉眼观察，调节各可调部分处于适中状态，比如望远镜处于可上下倾斜的中间状态，调载物台上的三个螺丝大致等高，保持平台基本水平，如果想确定平台水平也可采用水平仪调节。用水平仪调节三点面时，如图 17－5置法可快速完成，先置水平仪于A 状态，调节b ，c 两点等高，然后置水平仪于B 状态，只调节a 一点，便可使a 与b ，c 等高。

图 17－5 水平面快速调法

② 置平面镜于载物平台中部，并与任意两个调节螺丝连线平行。旋转平台使其反射面与望远镜筒大致垂直，用肉眼沿望远镜外边缘向反射面望去，微旋平台和望远镜倾斜度直至在反射面上看到亮的光斑，以后再通过望远镜去观察，调节中管，并仍需极小心的微旋上述部件便可找到十字线反射像，见到像之后，再继续调节直至它成在物的对称位置，自准直调焦便告成功。

③ 调望远镜光轴与载物平台转轴(仪器主轴) 垂直。

为了测三棱镜顶角或观察光谱，均要求望远镜光轴与仪器主轴垂直，并且要求棱镜的两个光学面与仪器主轴平行。在将三棱镜替换下平面镜时，为后面调节方便应将三个顶点与载物台的三个调节螺丝对应。望远镜虽已用平面镜自准调焦，也只能较容易地调节与三棱镜一个光学侧面垂直，而若旋转望远镜至另一光学侧面观察时却未必能找到反射像，这说明望远镜光轴与棱镜另一光学侧面并不垂直。为此，必须用调节第一个光学面的同样方法再来调节第二个光学面。但是，不难想象，在调第二个面时，各部件的移动和状态的改变必然又破坏了望远镜与第一个面的垂直状态。往往是找到一个面的十字线反射像，又丢了另一个面的十字线反射像。所以应该在调另一反射面之前，将已找到的十字线反射像调至视野中心而不要一次到位，在调节另一反射面时，不时地转回来观察像的位置，监视像不要在视野内消失，一旦两个像均已出现，在对各像细调到位时，可先调至一半位置留一半做调节余地，然后再分别逐步逼近，直至两个面均调至反射像到位。这种逐步逼近的方法在其他调节中也常使用，称半调法。若反复调节、观察，至两个面的反射像均与物对称，则说明望远镜与载物平台转轴已经垂直，且棱镜的两透光面也与仪器主轴平行。最困难的调节已告完成。

(二) 汞灯

汞灯发射的光谱是一些分离的谱线，由于汞蒸气压强的不同可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种，他们的光谱成分也不相同。本实验中采用的是高压汞灯，其结构和使用方法参阅本章第一节第一部分(五) 中有关内容。由于各种条件，本实验采用的汞灯一般人能观察到的谱线有8条，列表于下：

汞灯发出的紫外线较强，且由于汞灯的亮度高，不要直接注视汞灯，防止伤害眼睛。