课时教案 光学实验共26页.docx

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课时教案光学实验共26页

光学（guāngxué）实验教案　　

实验（shíyàn）一　分光计的调节

【实验（shíyàn）目的】

了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法；

【仪器和用具】

分光计，三棱镜。

【实验原理】

 分光计是一种能精确测量上述角度的典型光学仪器，经常用来测量材料的折射率、色散率、光波波长和进行光谱观测等。

由于该装置比较精密，控制部件较多而且操作复杂，所以使用时必须严格按照一定的规则和程序进行调整，方能获得较高精度的测量结果。

图26-3是JJY型分光计的结构图，它主要由自准直望远镜、平行光管、载物台和读数装置组成。

现分别介绍如下：

图26-3JJY型分光计结构图

1.狭缝（xiáfénɡ）装置；2.狭缝（xiáfénɡ）装置锁紧螺丝（luósī）；3.平行光管；4.止动架

（二）；5.载物台；6.载物台调节螺丝（共3只）；7.载物台和游标盘间锁紧螺丝；8.望远镜；9.目镜筒锁紧螺丝；10.阿贝式自准目镜；11.目镜调焦手轮；12.望远镜光轴倾斜调节螺丝；13.望远镜光轴左右偏斜度调节螺丝；14.望远镜微动螺丝；15.望远镜和度盘间锁紧螺丝；16.望远镜止动螺丝（另侧）；17.止动架

（一）；18.底座；19.转座；20.刻度盘；21.游标盘；22.游标盘微动螺丝；23.游标盘止动螺丝；24.平行光管光轴左右偏斜度调节螺丝；25.平行光管光轴倾斜调节螺丝；26.狭缝宽度调节螺丝

1.调节用叉丝；2.测量用叉丝；3.亮“十”字；4.绿色背景；5.亮“十”字的反射像

图26-5分划板像示意图

（1）自准直望远镜。

望远镜的作用是接收平行光以确定该光的传播方向，结构如图26-4所示，它由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板和物镜等组成。

目镜、全反射镜和叉丝分划板以及物镜分别装在可以前后移动的３个套筒中。

分划板上刻有双十字叉丝和透光小“十”字刻线，即十字窗口，它和调节用叉丝相对于测量用叉丝对称。

图26-5中画出了视场中看到的分划板像。

照明灯泡发出的光经棱镜反射后，由十字窗口射出，以便进行自准调节。

（2）平行光管。

平行光管的作用（zuòyòng）是产生平行光，如图26-3中3所示，它的右端装有消色差的复合物镜，另一端是套筒，套筒末端有一宽度可调的狭缝装置。

前后移动套筒可改变狭缝和物镜之间的距离。

当狭缝位于物镜的焦平面时，从狭缝入射的光束经物镜后成为平行光束。

整个平行光管与分光计的底座连接在一起（yīqǐ），是不能转动的。

（3）载物平台。

载物台是用来放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的。

它下面有三个调节螺丝，用来调节载物台的倾斜，使载物台上的元件达到测量状态的要求。

载物台和游标（yóubiāo）盘一起可绕仪器轴旋转。

载物台还可沿轴向升降，以适应不同高度的待测元件。

（4）读数装置。

读数装置有内外两层盘，外盘为刻度盘（简称度盘），它通过螺丝15锁紧后，可和望远镜相连，并能随望远镜一起绕轴转动。

度盘上有把圆周等分为720份的刻线，格值为30′。

内层为游标盘，游标上刻有30等份刻线，角宽为14.5°，格值为28′，因此精度为1′。

圆游标的读数规则与游标卡尺的读数规则相同，如图26-6所示，读数为116°13′。

图26-6分光计的读数盘示意图

为了消除分光计的度盘中心与仪器转轴不重合而产生的偏心差，在游标盘某一直径的两端对称地设置（shèzhì）了两个读数游标。

为了（wèile）测定望远镜转过的角度，应在望远镜的初始位置记下两游标读数和，再记下望远镜在末位置（wèizhi）时两游标的读数和，则望远镜转过的角度为

 （26-4）

若转动时游标零线越过了度盘上0°刻线，则应在或上加360°。

为了满足测量要求和减小测量误差，必须将分光计的观察平面、光路面和读数平面调到相互平行，而且共轴。

【实验步骤与内容】

1．分光计的调整

 

（1）在进行调整前，应先熟悉所使用的分光计中各调节螺丝的位置：

 ①目镜调焦（看清分划板准线）手轮。

②望远镜调焦（看清物体）调节手轮（或螺丝）。

③调节望远镜高低倾斜度的螺丝。

④控制（kòngzhì）望远镜（连同刻度盘）转动的制动螺丝。

⑤调整载物台水平（shuǐpíng）状态的螺丝。

⑥控制载物台转动的制动（zhìdònɡ）螺丝。

⑦调整平行光管上狭缝宽度的螺丝。

⑧调整平行光管高低倾斜度的螺丝。

⑨平行光管调焦的狭缝套筒制动螺丝。

（2）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。

（3）用自准法调整望远镜，使其聚焦于无穷远，具体调节如下：

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26-5所示的分划板像和带有绿色小十字的窗口。

③将三棱镜或双面镜按图26-8所示方位放置在载物台上。

这样放置是出于这样的考虑：

注意放置方位，如图放置则主要由一个螺钉控制一个反射面的倾斜。

图26-8三棱镜或平面镜的放置

 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，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。

 （4）调整望远镜光轴，使之与分光计的中心（zhōngxīn）轴垂直：

 平行光管与望远镜的光轴各代表入射光和出射光的方向。

为了测准角度，必须分别使它们的光轴与刻度盘平行。

刻度盘在制造时已垂直于分光计的中心（zhōngxīn）轴。

因此，当望远镜与分光计的中心轴垂直时，就达到了与刻度盘平行的要求。

具体调整方法为：

①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（kěyǐ）分别观察到两个亮十字的反射像。

②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26-9（c）所示。

③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。

④这时应先粗调：

即先从望远镜外面目测，调节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，均能观察到亮十字像。

⑤但如果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26-9（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26-9（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26-9（c）所示。

⑥再将载物台旋转（xuánzhuǎn）180o，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样（tóngyàng）的方法调节。

⑦如此反复（fǎnfù）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26-9亮十字像与分划板准线的位置

 （5）调整平行光管

 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。

具体如下：

 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，用汞灯照亮狭缝，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。

图26-10狭缝像与分划位置

 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26-10（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26-10（b）所示。

 至此分光计已全部调整好，使用（shǐyòng）时必须注意分光计上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。

 思考题

（１）本实验对分光计的调整有何特殊要求？

如何调节才能（cáinéng）满足测量要求？

【注意事项】：

   1、望远镜、平行光管上的镜头，三棱镜、平面镜的镜面不能用手摸、揩。

如发现有尘埃时，应该用镜头纸轻轻揩擦。

三棱镜、平面镜不准磕碰或跌落，以免（yǐmiǎn）损坏。

2、分光计是较精密的光学仪器，要加倍爱护，不应在制动螺丝锁紧时强行转动望远镜，也不要随意拧动狭缝。

3、在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧，若未锁紧，取得的数据会不可靠。

4、测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝，以便提高工作效率和测量准确度。

5、在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度的零点。

6、调整时应调整好一个方向，这时已调好部分的螺丝不能再随便拧动，否则会造成前功尽弃。

7、望远镜的调整是一个重点。

首先转动目镜（mùjìng）手轮看清分划板上的十字线，而后伸缩目镜筒看清亮十字。

实验（shíyàn）2用牛顿环干涉测透镜（tòujìng）曲率半径

【实验目的】

1.掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法；

2.通过实验加深对等厚干涉原理的理解；

【仪器和用具】

牛顿环、钠光灯、读数显微镜（带45°反光玻璃片）

【实验原理】

将一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面放置在平板玻璃上，在透镜凸面和平玻璃板之间就形成很薄的空气层，其厚度从中心到边缘逐渐增加，离接触点等距离的地方，厚度相同。

如图1所示。

若以波长为的平行单色光垂直入射时，由空气薄膜上下两表面反射的两束光在透镜凸表面附近相遇发生等厚干涉，其干涉图样是以接触点O为中心的一系列明暗交替的同心圆环（中心处是一个暗斑）。

这些圆形干涉条纹是牛顿当年在制作天文望远镜时，偶然将一个望远镜物镜放在平板玻璃上发现的，故称为牛顿环。

图（17-1）牛顿（niúdùn）环干涉

在干涉条纹（tiáowén）上，光程差相等处，是以接触点O为中心（zhōngxīn），半径为r的明暗相间的同心圆。

设透镜的曲率半径为，形成的k级干涉暗纹的半径为，

空气膜厚度为d。

由图中的几何关系可得：

由此得（17-1）

因R»d（R为几米，d为几分之一厘米），所以

（17-2）

空气膜上下两表面反射回去的两束光的光程差为

（17-3）

式中λ为入射光的波长（bōcháng），λ/2项是光在下表面（biǎomiàn）反射时产生的半波损失，或称为额外（éwài）光程差。

在反射光中观察到亮环纹时有

（17-4）

在反射光中观察到暗环纹时有

（17-5）

由此得：

（17-6）

或（17-7）

如果已知入射光的波长，并测得第级暗纹的半径，则可由式（17-6）算出透镜的曲率半径。

但实际上在观察牛顿环时发现，牛顿环的中心不是一个几何点，而是一个不甚清晰的暗的或亮的圆斑。

其原因是透