实验15 分光计 实验讲义

实验15 分光计的调节与使用

分光计是一种能精确测量光线偏转角度的光学仪器，也称为测角仪。光学中的许多基本量如材料的折射率、色散率、光波波长，都可以通过分光计进行观测。由于该装置比较精密，控制部件较多且操作复杂，所以，使用时必须严格按照一定的规则和程序进行调整，才能获得较高精度的测量结果。

分光计的调整方法与技巧，在光学仪器的使用中有一定的代表性。学会对它的调节和使用，有助于掌握更为复杂的光学仪器的操作。对于初次使用者来说，往往会遇到一些困难；但只要在实验中，弄清调整要求，注意观察出现的现象，并努力运用已有的理论知识去分析、指导操作，在反复练习之后，是能够掌握分光计的正确使用方法，并顺利地完成实验任务。

一、实验目的

1、了解分光计的结构，掌握分光计的调节和使用方法。

2、掌握测定棱镜角的方法。

3、用最小偏向角法测定玻璃棱镜的折射率。

二、实验原理

三棱镜如图15-1所示，AB 和AC 是透光的光学表面，又称折射面，其夹角α称为三棱镜的顶角；BC 为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。

图15-1三棱镜示意图

1、用反射法测三棱镜的顶角α

如图15-2所示，一束平行光入射于三棱镜，经过AB 面和AC 面反射的光线沿T 3和T 4方向射出，T 3和T 4方向的夹角记为θ，由几何学关系可知

α=π-θ （15-1）

图15-2 反射法测顶角α

2、最小偏向角法测玻璃三棱镜的折射率

假设有一束单色平行光LD 入射到棱镜上，经过两次折射后，沿ER 方向射出，则入射光线LD 与出射光线ER 间的夹角δ称为偏向角，如图15-3所示。

图15-3 最小偏向角的测定

转动三棱镜，即改变入射光对光学面AC 的入射角，出射光线的方向ER 也随之改变，即偏向角δ发生变化。沿偏向角减小的方向继续缓慢转动三棱镜，使偏

向角逐渐减小；当转到某个位置时，若再继续沿此方向转动，偏向角又将逐渐增大，此位置时偏向角达到最小值，测出最小偏向角δ

射率n 与顶角α及最小偏向角的关系式为 min 。可以证明棱镜材料的折

1sin (δmin +α) n =αsin 2 （15-2）

在实验中，利用分光镜测出三棱镜的顶角α及最小偏向角δmin ，即可由（15-2）式算出棱镜材料的折射率n 。

三、实验仪器

分光计（JJY 型1’）、双面镜、钠光灯、三棱镜。

图15-4 JJY型1’分光计实物图

分光计的调节使用方法

分光计实物图如图15-4所示。在对分光计进行调整前，应先熟悉下列螺丝的位置： 目镜调焦(看清分划板准线) 手轮； 望远镜调焦(看清物体) 调节手轮(或螺丝) ；调节望远镜高低倾斜度的螺丝；控制望远镜(连同刻度盘) 转动的制动螺丝；调整载物台水平状态的螺丝；控制载物台转动的制动螺丝；

调整平行光管上

狭缝宽度的螺丝；调整平行光管高低倾斜度的螺丝；平行光管调焦的狭缝套筒制动螺丝。

1、目测粗调 将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证) 。

2、用自准法调整望远镜，使其聚焦于无穷远

（1）调节目镜调焦手轮, 直到能够清楚地看到分划板" 准线" 为止。

（2）接上照明小灯电源，打开开关，可在目镜视场中看到如图15-5所示的“准线”和带有绿色小十字的窗口。

• 图15-5 目镜视场

（3）将双面镜按图15-6所示方位放置在载物台上，这样放置是基于下面的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝a 1或a 2即可，而螺丝a 3的调节与平面镜的俯仰无关。

图15-6平面镜的放置

（4）沿望远镜外侧观察，可看到平面镜内有一亮十字，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动，但若用望远镜对着平面镜看，往往看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射到望远镜中。我们仍将望远镜对准载物台上的平面镜，调节镜面的俯仰，并转动载物台让反射光返回望远镜中，使由透明十字发出的光经过物镜后（此时从物镜出来的光还不一定是平行光），再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，于是在分划板上形成模糊的像斑。然后，先调物镜与分划板间的距离，再调分划板与目镜的距离，使我们能从目镜中既能看清准线，又能看清亮十字的反射像。注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，则需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。

3、调整望远镜光轴，使之与分光计的中心轴垂直

•平面镜仍竖直置于载物台上，使望远镜分别对准平面镜前后两镜面，利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射像。如果望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直，而且平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字像与分划板准线的上部十字线完全重合，如图16-7（c ）所示。若望远镜光轴与分光计中心轴不垂直，平面镜反射面也不与中心轴相平行，则转动载物台时，从望远镜中观察到的两个亮十字反射像必然不会同时与分划板准线的上部十字线重合，而是一个偏低，一个偏高，甚至只能看到一个。

这时，需要认真分析，确定调节措施，切不可盲目乱调。重要的是必须先粗调，即先从望远镜外面目测，调节望远镜高低倾斜度的螺丝，直到从望远镜外侧能观察到两个亮十字像；然后再细调，从望远镜视场中观察，当无论以平面镜的哪一个反射面对准望远镜，均能观察到亮十字时，从望远镜中看到准线与亮十字像不重合，它们的交点在高低方面相差一段距离，如图15-7(a)所示。•此时，调整望远镜高低倾斜螺丝，使差距减小为h/2，如图15-7(b)所示。再调节载物台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使准线的上部十字线与亮十字线重合，如图15-7(c)所示。之后，再将载物台旋转180o ，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节。如此反复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两表面反射回来的亮十字像都能与分划板准线的上部十字线重合为止。这时望远镜光轴和分光计的中心轴相垂直，常称这种方法为逐次逼近各半调整法。

图15-7 亮十字像与分划板准线的位置关系

4、调整平行光管

利用前面已经调整好的望远镜调节平行光管。当平行光管射出平行光时，则狭缝成像于望远镜物镜的焦平面上，在望远镜中就能清楚地看到狭缝像，并与准线无视差。

（1）调整平行光管产生平行光 取下载物台上的平面镜，关掉望远镜中的照明小灯，用钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，同时调节平行光管狭缝与透镜间的距离，直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像为止，然后调节缝宽使望远镜视场中的缝宽约为1mm 。

（2）调节平行光管的光轴与分光计中心轴相垂直 望远镜中看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划板的中央十字线上、下平分，如图15-8(a)所示，这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差，位置如图15-8(b)所示。

图15-8 狭缝像与分划板位置

至此，分光计已全部调整好。使用时必须注意除刻度圆盘制动螺丝及其微调螺丝外，其它螺丝不能任意转动，否则将破坏分光计的工作条件，需要重新调节。

四、实验内容与步骤

1、分光计的调节（方法见上述的分光计的调节使用方法）

2、用反射法测三棱镜的顶角α

•• 如图15-2所示，将三棱镜的顶角对准平行光管，开启钠光灯，使平行光照射在三棱镜的AC 、AB 面上，旋紧游标盘制动螺丝，固定游标盘位置。放松望远镜制动螺丝，转动望远镜（连同刻度盘），寻找AB 面反射的狭缝像，使分划板上竖直线与狭缝像基本对准后，旋紧望远镜螺丝。用望远镜微调螺丝使竖直线与狭缝完全重合，记下此时两对称游标上指示的读数T 3、T 3'’。再转动望远镜至AC 面进行同样的测量，记下两对称游标指示的读数T 4、T 4'。则有

θ1=T 4-T 3 θ1'=4'-T 3'

三棱镜的顶角α为

⎧π-θ1α=⎨ 'π-θ1⎩

重复测量三次取平均值，并将所得数据依次记入表15-1中。

3、玻璃棱镜折射率的测定

•• 分别放松游标盘和望远镜的制动螺丝，转动游标盘（连同三棱镜），使平行光射入三棱镜的AC 面，如图15-3所示。转动望远镜，在AB 面处寻找平行光管中狭缝的像。然后向一个方向缓慢地转动游标盘（连同三棱镜），在望远镜中观察狭缝像的移动情况。当随着游标盘转动向某个方向移动的狭缝像，正要开始向相反方向移动时，固定游标盘。轻轻地转动望远镜，使分划板上竖直线与狭缝像对准，记下两游标指示的读数，记为T 5、T 5'。取下三棱镜，转动望远镜，使它直接对准平行光管，并使分划板上竖直线与狭缝像对准，记下对称的两游标指示的读数，记为T 6、T 6'。可得

重复测量三次求平均，并将所得数据依次记入表15-2中。

五、数据记录与处理

表15-1反射法测顶角α的数据表

表15-2测最小偏向角δmin 的数据表

求玻璃棱镜的折射率n ：将以上数据，即顶角α、最小偏向角δmin 代入（15-2）式中，计算得到n = 。

六、思考题

1、分光计的调节要求有哪些?

2、调节望远镜适合观察平行光, 目镜视场中看到的绿”十”字像和”≠”形叉丝应满足什么要求? 如何调节?

3、望远镜光轴与分光计中心轴不垂直时, 应如何调节?

4、已调好望远镜光轴垂直主轴, 若将平面镜取下后, 又放到载物台上(放的位置与拿下前的位置不同), 发现两镜面又不垂直望远镜光轴了, 这是为什么? 是否说明望远镜光轴还没调好?

七、注意事项

1、转动载物平台，是指转动游标盘带动载物台一起转动，所以用锁紧螺钉将游标盘与载物台锁在一起。

2、狭缝宽度以1mm 左右为宜，宽了测量误差大，窄了光通量小。狭缝易损坏，尽量少调动，调节时要边看边调，切忌两缝太近。

3、光学仪器螺钉的调节动作要轻柔，锁紧螺钉也是指锁住即可，不可用力过大，以免损坏器件。

参考文献

1、吴泳华，霍剑青等主编. 大学物理实验第一册. 北京：高等教育出版社，2001.

2、张进治主编. 大学物理实验. 北京：电子工业出版社，2003.

3、吕斯骅等主编. 基础物理实验. 北京：北京大学出版社，2002.

4、张兆奎等主编. 大学物理实验. 上海：华东理工大学出版社，1990.