分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用【教學(xué)目的】1. 掌握分光計(jì)的基本結(jié)構(gòu)2. 掌握分光計(jì)調(diào)節(jié)的方法與技能3. 學(xué)習(xí)用分光計(jì)測(cè)量三棱鏡的偏向角【教學(xué)重點(diǎn)】1. 分光計(jì)的基本結(jié)構(gòu)與光路原理2. 分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理與方法【教學(xué)難點(diǎn)】分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理與方法【課程講授】提問1. 分光計(jì)由哪幾部分組成？2. 分光計(jì)的調(diào)節(jié)需要滿足哪幾個(gè)要求？一、實(shí)驗(yàn)原理1.分光計(jì)的結(jié)構(gòu)分光計(jì)主要由底座、平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)和讀數(shù)圓盤五部分組成。外形如圖1所示。圖1分光計(jì)外形圖1狹縫裝置；2狹縫裝置鎖緊螺釘；3平行光管；4制動(dòng)架(二)；5載物臺(tái)；6載物臺(tái)調(diào)節(jié)螺釘(3只)；7載物臺(tái)鎖緊螺釘；8望遠(yuǎn)鏡；9目鏡鎖緊螺釘；10阿貝式自準(zhǔn)直目鏡；11目鏡調(diào)節(jié)手輪；12望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)節(jié)螺釘；13望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)螺釘；14望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘；15轉(zhuǎn)座與刻度盤止動(dòng)螺釘；16望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺釘；17制動(dòng)架(一)；18底座；19轉(zhuǎn)座；20刻度盤；21游標(biāo)盤；22游標(biāo)盤微調(diào)螺釘；23游標(biāo)盤止動(dòng)螺釘；24平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘；25平行光管仰角調(diào)節(jié)螺釘；26狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪 (1)底座中心有一豎軸，望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)圓盤可繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸也稱為儀器的公共軸或主軸。(2)平行光管是產(chǎn)生平行光的裝置，管的一端裝一會(huì)聚透鏡，另一端是帶有狹縫的圓筒，狹縫寬度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。(3)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)用，由目鏡系統(tǒng)和物鏡組成，為了調(diào)節(jié)和測(cè)量，物鏡和目鏡之間還裝有分劃板，它們分別置于內(nèi)管、外管和中管內(nèi)，三個(gè)管彼此可以相互移動(dòng)，也可以用螺釘固定。參看圖2，在中管的分劃板下方緊貼一塊45全反射小棱鏡，棱鏡與分劃板的粘貼部分涂成黑色，僅留一個(gè)綠色的小十字窗口。光線從小棱鏡的另一直角邊入射，從45反射面反射到分劃板上，透光部分便形成一個(gè)在分劃板上的明亮的十字窗。 (4)載物臺(tái)放平面鏡、棱鏡等光學(xué)元件用。臺(tái)面下三個(gè)螺釘可調(diào)節(jié)臺(tái)面的傾斜角度，平臺(tái)的高度可旋松螺釘(7)升降，調(diào)到合適位置再鎖緊螺釘。(5)讀數(shù)圓盤是讀數(shù)裝置。由可繞儀器公共軸轉(zhuǎn)動(dòng)的刻度盤和游標(biāo)盤組成。度盤上刻有720等分刻線，格值為30分。在游標(biāo)盤對(duì)稱方向設(shè)有兩個(gè)角游標(biāo)。這是因?yàn)樽x數(shù)時(shí)，要讀出兩個(gè)游標(biāo)處的讀數(shù)值，然后取平均值，這樣可消除刻度盤和游標(biāo)盤的圓心與儀器主軸的軸心不重合所引起的偏心誤差。圖2望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺相似，這里讀出的是角度。讀數(shù)時(shí)，以角游標(biāo)零線為準(zhǔn)，讀出刻度盤上的度值，再找游標(biāo)上與刻度盤上剛好重合的刻線為所求之分值。如果游標(biāo)零線落在半度刻線之外，則讀數(shù)應(yīng)加上30。2.分光計(jì)的調(diào)整原理和方法調(diào)整分光計(jì)，最后要達(dá)到下列要求：平行光管發(fā)出平行光；望遠(yuǎn)鏡對(duì)平行光聚焦(即接收平行光)；望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸。分光計(jì)調(diào)整的關(guān)鍵是調(diào)好望遠(yuǎn)鏡，其他的調(diào)整可以以望遠(yuǎn)鏡為標(biāo)準(zhǔn)。(1)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡1)目鏡調(diào)焦這是為了使眼睛通過目鏡能清楚的看到圖3所示分劃板上的刻線。調(diào)焦方法是把目鏡調(diào)焦手輪輕輕旋出，或旋進(jìn)，從目鏡中觀看，直到分劃板刻線清晰為止。2)調(diào)望遠(yuǎn)鏡對(duì)平行光聚焦 圖3從目鏡中看到的分劃板 圖4載物臺(tái)上雙面鏡放置的俯視圖這是要將分劃板調(diào)到物鏡焦平面上，調(diào)整方法是：(a)把目鏡照明，將雙面平面鏡放到載物臺(tái)上。為了便于調(diào)節(jié)，平面鏡與載物臺(tái)下三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘?shù)南鄬?duì)位置如圖4。(b)粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與鏡面垂直用眼睛估測(cè)一下，把望遠(yuǎn)鏡調(diào)成水平，再調(diào)載物臺(tái)螺釘，使鏡面大致與望遠(yuǎn)鏡垂直。(c)觀察與調(diào)節(jié)鏡面反射像固定望遠(yuǎn)鏡，雙手轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤，于是載物臺(tái)跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)到平面鏡正好對(duì)著望遠(yuǎn)鏡時(shí)，在目鏡中應(yīng)看到一個(gè)綠色亮十字隨著鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)而動(dòng)，這就是鏡面反射像。如果像有些模糊，只要沿軸向移動(dòng)目鏡筒，直到像清晰，再旋緊螺釘，則望遠(yuǎn)鏡已對(duì)平行光聚焦。3)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直儀器主軸當(dāng)鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直時(shí)，它的反射像應(yīng)落在目鏡分劃板上與下方十字窗對(duì)稱的上十字線中心，見圖3平面鏡繞軸轉(zhuǎn)180后，如果另一鏡面的反射像也落在此處，這表明鏡面平行儀器主軸。當(dāng)然，此時(shí)與鏡面垂直的望遠(yuǎn)鏡光軸也垂直儀器主軸。在調(diào)整過程中出現(xiàn)的某些現(xiàn)象是何原因?調(diào)整什么?應(yīng)如何調(diào)整，這是要分析清楚的。例如，是調(diào)載物臺(tái)?還是調(diào)望遠(yuǎn)鏡?調(diào)到什么程度?下面簡(jiǎn)述之。(a)載物臺(tái)傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整假設(shè)望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直儀器主軸，但載物臺(tái)傾角沒調(diào)好，見圖5平面鏡面反射光偏上，載物臺(tái)轉(zhuǎn)180后，面反射光偏下，在目鏡中看到的現(xiàn)象是面反射像在面反射像的上方。顯然，調(diào)整方法是把面像(或面像)向上(向下)調(diào)到兩像點(diǎn)距離的一半，使鏡面和的像落在分劃板上同一高度。(b)望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整假設(shè)載物臺(tái)已調(diào)好，但望遠(yuǎn)鏡光軸不垂直儀器主軸，見圖6在圖(a)中，無論平面鏡面還是面，反射光都偏上，反射像落在分劃板上十字線的上方。在圖(b)中，鏡面反射光都偏下，反射像像落在上十字線的下方。顯然，調(diào)整方法是只要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)切螺釘(12)，把像調(diào)到上十字線上即可，見圖(c)。(c)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡光軸都沒調(diào)好的表現(xiàn)和調(diào)整方法表現(xiàn)是兩鏡面反射像一上一下。先調(diào)載物臺(tái)螺釘，使兩鏡面反射像像點(diǎn)等高(但像點(diǎn)沒落在上十字線上)，再把像調(diào)到上十字線上，見圖6(c)。圖5載物臺(tái)傾角沒調(diào)好的圖6望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理(2)調(diào)整平行光管發(fā)出平行光并垂直儀器主軸將被照明的狹縫調(diào)到平行光管物鏡焦平面上，物鏡將出射平行光。調(diào)整方法是：取下平面鏡和目鏡照明光源，狹縫對(duì)準(zhǔn)前方水銀燈光源，使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向平行光管方向，在目鏡中觀察狹縫像，沿軸向移動(dòng)狹縫筒，直到像清晰。這表明光管已發(fā)出平行光，為什么?再將狹縫轉(zhuǎn)向橫向，調(diào)螺釘(25)，將像調(diào)到中心橫線上，見圖7(a)。這表明平行光管光軸已與望遠(yuǎn)鏡光軸共線，所以也垂直儀器主軸。螺釘(25)不能再動(dòng)。(為什么)?再將狹縫調(diào)成垂直，鎖緊螺釘，見圖7(b)圖7平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線圖 圖8三棱鏡最小偏向角原理圖3.用最小偏向角法測(cè)三棱鏡材料的折射率見圖8，一束單色光以角入射到面上，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從面射出來，出射角為。入射光和出射光之間的夾角稱為偏向角。當(dāng)棱鏡頂角一定時(shí)，偏向角的大小隨入射角的變化而變化。而當(dāng)時(shí)，為最小(證明略)。這時(shí)的偏向角稱為最小偏向角，記為。由圖8中可以看出，這時(shí) (1)設(shè)棱鏡材料折射率為，則故 (2)由此可知，要求得棱鏡材料的折射率，必須測(cè)出其頂角和最小偏向角。二、實(shí)驗(yàn)步驟1.調(diào)整分光計(jì)(要求與調(diào)整方法見原理部分)2.使三棱鏡光學(xué)側(cè)面垂直望遠(yuǎn)鏡光軸(1)調(diào)載物臺(tái)的上下臺(tái)面大致平行，將棱鏡放到平臺(tái)上，使棱鏡三邊與臺(tái)下三螺釘?shù)倪B線成三連互相垂直，見圖9。試分析這樣放置的好處。圖9三棱鏡在載物臺(tái)上的正確放法 圖10測(cè)棱鏡頂角(2)接通目鏡照明光源，遮住從平行光管來的光。轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，在望遠(yuǎn)鏡中觀察從側(cè)面和反射回來的十字像，只調(diào)臺(tái)下三螺釘，使其反射像都落到上十字線處，見圖10調(diào)節(jié)時(shí)，切莫?jiǎng)勇葆?12)(為什么?)。注意：每個(gè)螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)要輕微，要同時(shí)觀察它對(duì)各側(cè)面反射像的影響。調(diào)好后的棱鏡，其位置不能再動(dòng)。3.測(cè)棱鏡頂角對(duì)兩游標(biāo)作一適當(dāng)標(biāo)記，分別稱游標(biāo)1和游標(biāo)2，切記勿顛倒。旋緊度盤下螺釘(16)、(17)，望遠(yuǎn)鏡和刻度盤固定不動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤，使棱鏡面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，見圖10記下游標(biāo)1的讀數(shù)和游標(biāo)2的讀數(shù)。再轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤，再使面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，記下游標(biāo)1的讀數(shù)和游標(biāo)2的讀數(shù)。同一游標(biāo)兩次讀數(shù)之差或，即是載物臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度，而是角的補(bǔ)角，4.測(cè)三棱鏡的最小偏向角(1)平行光管狹縫對(duì)準(zhǔn)前方水銀燈光源。(2)旋松望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺釘(16)和游標(biāo)盤止動(dòng)螺釘(23)，把載物臺(tái)及望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至如圖11中所示的位置(1)處，再左右微微轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，找出棱鏡出射的各種顏色的水銀燈光譜線(各種波長(zhǎng)的狹縫像)。(3)輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)(改變?nèi)肷浣?，在望遠(yuǎn)鏡中將看到譜線跟著動(dòng)。改變，應(yīng)使譜線往減小的方向移動(dòng)(向頂角方向移動(dòng))。望遠(yuǎn)鏡要跟蹤光譜線轉(zhuǎn)動(dòng)，直到棱鏡繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而譜線開始要反向移動(dòng)(即偏向角反而變大)為止。這個(gè)反向移動(dòng)的轉(zhuǎn)折位置，就是光線以最小偏向角射出的方向。固定載物臺(tái)(鎖緊23)，再使望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)，使其分劃板上的中心豎線對(duì)準(zhǔn)其中的那條綠譜線(546.1mm)。圖11測(cè)最小偏向角方法 (4)測(cè)量記下此時(shí)兩游標(biāo)處的讀數(shù)和，取下三棱鏡(載物臺(tái)保持不動(dòng))，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管，即圖11中(2)的位置，以確定入射光的方向，再記下兩游標(biāo)處的讀數(shù)和。此時(shí)綠譜線的最小偏向角將值和測(cè)得的棱鏡角平均值代入式(2)計(jì)算。5.注意事項(xiàng)(1)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，都是指轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤帶動(dòng)載物臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)狹縫寬度1mm左右