18实验十八分光计调整及测棱镜折射率.docx
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18实验十八分光计调整及测棱镜折射率
实验十八分光计的调整与折射率的测定
Experiment18Adjustmentofspectrometersandmeasurementofrefractiveindex
光线在传播过程中，遇到不同介质的分界面时，会发生反射和折射，光线将改变传播的方向，结果在入射光与反射光或折射光之间就存在一定的夹角。
通过对这些角度的测量，可以测定折射率、光栅常数、光波波长、色散率等许多物理量。
因而精确测量这些角度，在光学实验中显得十分重要。
分光计是一种能精确测量上述要求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。
分光计的调整思想、方法与技巧，在光学仪器中有一定的代表性，学会对它的调节和使用方法，有助于掌握操作更为复杂的光学仪器。
对于初次使用者来说，往往会遇到一些困难。
但只要在实验调整观察中，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，在反复练习之后才开始正式实验，一般也能掌握分光计的使用方法，并顺利地完成实验任务。
实验原理Experimentalprinciple
三棱镜如图1所示，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角
称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。
1．反射法测三棱镜顶角
（determiningtripleprism’sapexanglebyreflection）
如图2所示，一束平行光入射于三棱镜，经过AB面和AC面反射的光线分别沿
和
方位射出，
和
方向的夹角记为
，由几何学关系可知：
2．最小偏向角法测三棱镜玻璃的折射率（determiningreflectiveindexoftripleprismbyminimumdeviativeanglemethod）
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
称为偏向角，如图3所示。
转动三棱镜，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
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
。
可以证明棱镜材料的折射率
与顶角
及最小偏向角的关系式为
图3测棱镜最小偏向角
实验中，利用分光镜测出三棱镜的顶角
及最小偏向角
，即可由上式算出棱镜材料的折射率
。
仪器介绍Introductionexperimentaldevice
1．JJY型分光计（JJYtypespectrometer）
分光计由平行光管、望远镜、载物台、读数系统和底座五个部分组成，如图4所示。
平行光管由狭缝、物镜筒及物镜等组成。
狭缝被光源照亮时，就成为分光计的线状光源，这个线状光源的像，一旦被望远镜接收，就形成“谱线”。
望远镜由物镜、物镜套筒、分划板、自准棱镜、自准灯及目镜等组成。
分划板用来接收和对准“谱线”，物镜到分划板的距离可以调节，使“谱线”清晰。
载物台由水
1一平行光管狭缝装置2一狭缝装置锁紧螺钉3一平行光管镜筒4一平行光管物镜5一载物台6一载物台调平螺钉7一望远镜物镜8一望远镜筒9一目镜筒锁紧螺钉10一阿贝式自准直目镜11一目镜视度调节手轮12一望远镜光轴俯仰角调节螺钉13一望远镜光轴水平方位调节螺钉14一支持臂15一望远镜方位角微调螺钉16一望远镜锁紧螺钉17一望远镜转座与度盘锁紧螺钉18一望远镜制动架19一底座20一望远镜转座21一主刻度盘22一游标内盘23一立柱24一游标盘微调螺钉25一游标盘锁紧鲜26一平行光管光轴水平方位调节螺钉27一平行光管光轴俯仰角调节螺钉28一狭缝宽度调节手轮29—灯丝电源
平台和三个呈正三角分布的螺钉组成，小平台上放置被测样品，三个螺钉
用图来调节小平台的倾角。
读数装置由圆刻度盘（3600）和圆游标组成，分度值为1＇，圆游标既可与望远镜筒联动，用以测量望远镜转过的角度，也可与载物台联动，用以测量载物台转过的角度。
底座是金属铸件，既坚固又厚重，稳定性好，整个仪器都由它来承载。
图5自准直望远镜示意图
阿贝式自准直望远镜由阿贝式自准直目镜和消色差物镜组成（图5），用以观察图像和确定光线方位。
转动图4中望远镜光轴俯仰角调节螺钉12和望远镜光轴水平调节螺钉13，可以调节望远镜光轴的水平度和方位。
望远镜目镜可以在目镜套筒内滑动，刻有准线的分划板则固定在目镜套筒内，调节图4中的目镜视度调节手轮11可以改变目镜和分划板的相对位置。
分划板下边粘了一块45
小棱镜，其下侧光源发出的光经棱镜反射后可通过分划板上的透光小十字窗射出。
物镜固定在望远镜筒的一端。
松开图4中的锁紧螺钉9，目镜套筒可以在望远镜筒内前后移动，当分划板被调到物镜的焦平面上时，从透光十字窗出射的光线通过物镜将成为平行光。
若在望远镜前置一平面反射镜，且使镜面与望远镜光轴垂直，则经镜面反射的平行光将再次通过物镜并在物镜的焦平面上成像（自准直），此时在目镜视场中可以看到反射光在分划板上部准线交叉点上，形成的清晰的绿色亮十字像。
（为什么？
）
平行光管由透镜和狭缝组成，结构如图6所示。
狭缝与透镜之间距离可以通过伸缩狭缝套筒来调节，只要将狭缝调到透镜的焦平面上，则从狭缝发出的光经
图6平行光管示意图
透镜后就成为平行光。
狭缝的刀口是经过研磨制成的，为避免损伤狭缝，只有在望远镜中看到狭缝像的情况下才能调节狭缝宽度。
载物台5是放置待测光学元件的圆型平台，拧紧锁紧螺钉，载物台可以和游标内盘一起绕中心轴转动，松开螺钉则可单独旋转和升降。
载物台的小平台下面有三个调平螺钉，用来调节平台的高度和倾斜度。
读数装置由主刻度盘21和游标内盘22组成。
主刻度盘分为360
，最小分度0.5
（30'）。
为了消除主刻度盘刻度中心与游标内盘中心不重合产生的偏心差，游标内盘上相隔180
对称设置了两个游标，测量光线角位置时应同时记下左右两个游标的读数。
游标上有30格，最小读数为1′。
角游标的读数方法与游标卡尺相似，从主刻度盘上读出游标上的0刻线所对的角度值，不满一格的数值，由游标上与主刻度盘刻线对得最准的游标分度值读出。
例如（如图7所示），游标上的0刻线对着主刻度盘上的87.5
过一点，游标上的第15条刻线与主刻度盘上的某条刻线对得最准，则角度数值为87045′。
测量前可以先松开望远镜转座和度盘间的锁紧螺钉17，将度盘的零度置于望远镜下以避免由于游标过零度引起的读数不便。
但测量时必须拧紧螺钉，使度盘和望远镜一起转动。
拧紧望远镜止动螺钉16后可以使用望远镜方位角微调螺钉15微调望远镜。
实验任务与方法Experimentalassignmentandmethod
1．分光计的调整（adjustingspectrometer）
在进行调整前，应先熟悉所使用的分光计中下列螺丝的位置：
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控制望远镜（连同刻度盘）转动的制动螺丝；⑤调整载物台水平状态的螺丝；⑥控制载物台转动的制动螺丝；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。
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8所示的“准线”和带有绿色小十字的窗口。
图8从目镜中看到的分划板示意图
③将三棱镜ABC按图9所示方位放置在载物台上，使平台下三个螺丝
中每两个的连线与三棱镜的镜面正交，轻轻地放下弹簧压片夹，夹住三棱镜。
图9载物台
④放松控制游标盘（连同载物台）转动的制动螺丝，转动游标盘（连同载物台）使三棱镜的一个镜面，例如AB面与望远镜光轴大致正交。
然后慢慢地左、右转动游标盘，同时从望远镜中观察和寻找由镜面AB反射回来的绿色小十字像。
随着游标盘的旋转该像应该左、右晃动。
当游标盘自左向右转动，绿色小十字像也自左向右移动。
因此，仔细缓慢地转动游标盘可使小十字像调至视场中央，实现小十字线和准线中的竖线相重合。
如果在游标盘转动过程中，望远镜中看不到小十字像，则说明粗调尚未调好，应调节望远镜高低倾斜螺丝或载物台水平调节螺丝，使镜面与望远镜轴基本正交后，即可看到。
待看到随着游标盘转动而移动的小十字像后，再转动游标盘，使三棱镜另一透光面AC对准望远镜，找反射像。
当AC与AB两面均能看到反射的小十字像后，都要调节望远镜聚焦手轮，使小十字像清晰并消除视差。
3）调节望远镜光轴垂直于分光计主轴：
当望远镜中分别能看到三棱镜AC与AB两面上反射的小十字像时，说明望远镜光轴与仪器中心轴线基本正交，尚需进一步调整到完全正交。
先使望远镜对准AB面，看到反射的小十字像，它与分划板上部的十字丝一般并不重合。
竖直线重合可由缓慢地转动载物台来实现，如图10（a）。
水平线重合的调节，可采用“减半逐步逼近调节法”，调整望远镜高低倾斜螺丝，使两水平线的间距由h减半缩小为（1/2）h，如图10（b），然后调节螺丝a3，使两水平线“完全重合”。
再转动载物台，使三棱镜另一面AC对准望远镜，以同样方法调整，但这时应调节螺丝a2使两水平线“完全重合”。
经反复调整，直到三棱镜不论AC、AB哪一面对准望远镜时，反射回来的小十字像均能和分划板准线的上部十字线重合为止，如图10（c）。
这时望远镜光轴和分光计主轴线已经完全正交了。
4）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。
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。
（b）
（a）
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11（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11（b）所示。
至此分光计已全部调整好，使用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。
2．测量（measurement）
在正式测量之前，请先弄清你所使用的分光计中下列各螺丝的位置：
①控制望远镜（连同刻度盘）转动的制动螺丝；②控制望远镜微动的螺丝。
1）用反射法测三棱镜的顶角
如图2示，使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
、
。
转动望远镜至AC面进行同样的测量得
、
。
可得
三棱镜的顶角
为
重复测量三次取平均。
2）最小偏向角的测量
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，当随着游标盘转动而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
、
；然后取下三棱镜，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
、
，可得
重复测量三次求平均。
列表记录所有的数据，表格自拟。
由所测最小偏向角计算棱镜的折射率。
注意事项Cautions
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。
如越过刻度零点，则必须按式（
）来计算望远镜的转角。
例如当望远镜由位置Ⅰ转到位置Ⅱ时，双游标的读数分别如下表所示：
望远镜位置
Ⅰ
Ⅱ
左游标读数
175
45′
295
43
右游标读数
355
45′
115
43
由左游标读数可得望远镜转角为：
由右游标读数可得望远镜转角为：
=119058′。
6．一定要认清每个螺丝的作用再调整分光计，不能随便乱拧。
掌握各个螺丝的作用可使分光计的调节与使用事半功倍。
7．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。
8．望远镜的调整是一个重点。
首先转动目镜手轮看清分划板上的十字线，而后伸缩目镜筒看清亮十字。
思考题Exercises
1．分光计调整的要求是什么？
2．转动载物台上的平面镜时，望远镜中看不到由镜面反射的绿十字像，应如何调节？
3．分析分光计的设计原理。
4．分光计为什么要调整为望远镜光轴与分光计中心轴相垂直？
如果两者不垂直对测量结果有何影响？
5．用反射法测量三棱镜顶角时，为什么必须将三棱镜的顶角置于载物台中心附近？
试作图说明。
关键词Keywords
分光计spectrometer；三棱镜triangularprism；折射率refractiveindex
自准直法autocollimation；最小偏向角leastdeflectionangle
阅读材料Readingmaterial
用平面镜调整分光计方法研究
1．“十字像”的作用及调节（functionandadjustmentofthecross）
“十字像”在分光计调节及实验中所起的作用可归纳为如下四点：
1）自准值法调望远镜聚焦于无穷远的标志；
2）调节光轴与转轴垂直的标志；
3）作为测量标志，如垂直法测棱镜顶角；
4）元件放置标志，如光栅放置（十字像、叉丝、狭缝像三重合）。
可见“十字像”在分光计调节和测量中起着重要作用。
在对“十字像”进行捕捉和调节之前必须先明确两点，即如果叉丝没有位于物镜的焦平面上，则“十字像”将是模糊的或消失；如果望远镜与平面镜法线有夹角（即使很小）“十字像”将偏离或消失。
还应指出的是“十字像”出现在很小的空间立体角内（不大于20分），从而说明对望远镜及平台倾度调节的幅度都很小，且要求调节过程是足够细致的。
2．调节技巧研究（studyingadjustingskill）
分光计调节的几项要求中，难点是掌握使望远镜轴线与平台转轴垂直的方法与技巧。
认真细致的粗调和“半调法”是实现这一步调节的前提和基础，必须熟练掌握。
在实际调节中往往很难保证粗调的质量，仅用半调法是不够的。
下面补充几点辅助调节技巧：
1）单像跟踪法
分光计调节的程序一般是先调节目镜看清叉丝，再目视整个系统进行细致的粗调，然后是用自准值法调节望远镜聚焦于无穷远，下一步就是要调节望远镜光轴与平台转轴垂直。
现在我们分析一下“十字像”的情况，如果平台转动180度前后都能看到“十字像”且位置较合适，那么直接用半调法即可。
如果平台转动用180度前后只有一面能看到“十字像”，则无法往下调节。
原因显然是粗调质量不够好，。
这里可以采用所谓的“单像跟踪法”进行调节，具体做法是使望远镜对准己看到的“十字像”，将其按一定步长（适当选择）用半调法使之移动，再转动平台观察另一面有否“十字像”，如没有，转回平台重复开始的操作，直至两面都能看到十字像，继续使用半调法即可完成调节任务。
2）边缘像的处理
在细致粗调的基础上，转动平台两面都能看到“十字像”，但位置紧靠视场的边缘，这时如直接用半调法很可能使其中一面的“十字像”消失。
本着有像胜无像的原则，我们应当思考的慎重的处理边缘像。
这里分三种情况进行处理。
第一种情况是两面“十字像”都在同一边缘，据光路分析，此时是望远镜光轴有所偏离，只调望远镜倾度螺丝即可；
第二种情况是两面“十字像”分别在两侧的边缘，这时说明平台有一定偏离，所以只调平台倾度螺丝即可；
第三种情况是只有一面“十字像”在边缘，这时只需对边缘“十字像”用半调法往里收缩即可。
需要指出的是，不管是那一种情况，对边缘像的处理都要求是十分细致的。
3）动态平衡调节法
这里我还要举出一种新的调节法，即“动态平衡调节法”。
具体做法是先做认真细致的粗调（望远镜与平行光管同轴、平台转轴尽量与望远镜光轴同轴），然后是正确放置光学元件（平面镜要垂直于平台下两倾度螺丝连线、三棱镜的两光学表面要对准平台下两倾度螺丝），在此基础上，开始搜索两调节面的“十字像”，并记忆此时望远镜筒高度（其中一面），然后对另一面进行调节，使看到“十字像”，此时对望远镜高度可任意调节，但需要进一步对平台倾度的谐调节，使望远镜高度基本恢复，然后对第二个面进行同样调节，并再重复此调节，使两光学表面都反射位置合适的“十字像”，再进一步细调（半调法），即可完成此步调节。
这个调节过程是望远镜高度始终在调，而其平衡位置基本不变，故谓之“动态平衡调节法”。
此方法尤其适用于三棱镜的调节。
3．CCD演示辅助教学（CCD-aidedinstruction）
CCD演示辅助教学，是我们最近引进的辅助教学手段，它可以将各步调节过程直观的演示给学生，确实提高了课堂教学效率，但它不可能完全代替前面所提到的综合教学手段。
创新园地Creationgarden
1．设计用“自准直法”测三棱镜顶角的实验方案，并画出数据记录表格。
2．如何用平面镜对分光计进行调整，简单叙述调节步骤。
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