分光计的调节和三棱镜顶角的测量教案.docx

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分光计的调节和三棱镜顶角的测量教案

分光计的调节和三棱镜顶角的测量

分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪。

光学中的许多基本量如波长，折射率等都可以直接或间接的表现为光线的偏转角，因而利用它可测量波长、折射率，此外还能精确的测量光学平面间的夹角。

许多光学仪器（棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等）的基本结构也是以它为基础的，所以分光计是光学实验中的基本仪器之一。

使用分光计时必须经过一系列的精细的调整才能得到准确的结果，他的调整技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。

本实验的目的就在于着重训练分光计的调整技术和技巧，并用它来测量三棱镜的顶角。

一、实验目的

1.熟悉分光计的调节和使用方法。

2.掌握用自准直法测三棱镜的顶角。

二、实验仪器

JJY1′型分光计、三棱镜、双面平行平面镜。

三、实验原理

用自准直测三棱镜的顶角。

图1自准直法测三棱镜顶角原理图

由图1可知，只要测出三棱镜两个光学面法线之间的夹角，即可求得顶角A。

四、分光计的结构及调节方法

1．分光计的结构：

分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。

外形如图3所示。

图2分光计结构图

1——狭缝装置；2——狭缝装置锁紧螺钉；3——平行光管；4——制动架

（二）；

5——载物台；6——载物台调节螺钉（3只）；7——载物台锁紧螺钉；8——

望远镜；9——目镜锁紧螺钉；10——阿贝式自准直目镜；11——目镜调节手轮；12——望远镜仰角调节螺钉；13——望远镜水平调节螺钉；14——望远镜微调螺钉；15——望远镜制动螺钉；16——制动架

（一）；17——底座；18——转座；19——刻度盘；20——游标盘；21——游标盘微调螺钉；22——游标盘制动螺钉；23——平行光管水平调节螺钉；24——平行光管仰角调节螺钉；25——狭缝宽度调节螺钉

图3望远镜的结构

（1）底座——中心有一竖轴，望远镜和读数圆盘可绕该轴转动，该轴也称为仪器的公共轴或主轴。

（2）平行光管——产生平行光的装置，平行光管的一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝的圆筒，狭缝宽度可以根据需要调节。

（3）望远镜——观测用，由物镜和目镜系统组成，为了调节和测量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼此可以相互移动，也可以用螺钉固定。

参看图4，目镜在内管中，分划板在中管中，分划板下方紧贴一块45°的全反射棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留一个绿色的小十字窗口。

光线从小棱镜的另一直角边入射，从45°反射面反射到分划板上，透光部分便形成一个在分划板上的明亮的十字窗。

（4）载物台——放平面镜、三棱镜等光学元件用。

台面下三个螺钉可调节台面的倾斜度。

（5）读数圆盘——是读数装置。

由可绕仪器公共主轴转动的刻度盘和游标盘组成。

度盘上有720等分刻线，格值为30′。

有两个角游标。

这是因为读数时，要读出两个游标处的读数值，然后取平均值，这样可以消除偏心误差。

读数方法和游标卡尺相似，这里读出的是角度。

读数时，以角游标零刻线为准，读出刻度盘上的度值，再找游标上与刻度盘上刚好重合的刻线为所求分值。

读数例子：

如下图所示游标，游标0对应主刻度盘70°和71°之间，而且没有超过半度的刻度线，所以角度值为70°。

游标读数看游标与主刻度盘的对齐线的位置，下图中游标第10条刻度线与主刻度盘会对其，所以游标值为10′。

故下图的读数值为：

70°10′

图4读数示例图

2．分光计的调节：

分光计的调整必须达到三个要求：

①望远镜调焦于无穷远；

②望远镜光轴垂直于仪器主轴和元件光学面；

③平行光管发出平行光，其光轴光轴垂直于仪器主轴，且与望远镜光轴等高同轴。

分光计调整的关键是调好望远镜，其他的调整可以以望远镜为标准。

●望远镜的调节：

1）、目镜调焦：

这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到图5所示分划板上的刻线“

”。

调焦方法是把目镜调焦手轮轻轻旋出，或旋进，从目镜中观看，直到分划板刻线“

”清晰为止。

2）、调望远镜对平行光聚焦：

这是要将分划板调到物镜焦平面上，调整方法是：

（a）点亮小灯，把分划板照明，将双面平面镜放到载物台上。

为了便于调节，平面镜与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图6，平面镜与载物台的两个螺钉连线垂直而与另一个螺钉重合。

图5从目镜中看到的分划板图6载物台上双面镜放置的俯视图

（b）粗调望远镜光轴与镜面垂直——用眼睛估测一下，调望远镜倾斜度调节螺钉把望远镜调成基本水平，使望远镜与镜面大致垂直。

（c）观察与调节镜面反射像——望远镜固定不动，转动游标盘，此时载物台跟着一起转动。

转到平面镜正好对着望远镜时，在目镜中应该看到一个绿色的亮十字随着镜面的转动而动，这是镜面反射像。

如果有些模糊，只要沿着轴向移动中管，这时应前后移动望远镜的叉丝套筒，使从望远镜中能清楚地看到被反射回来的绿色十字叉丝像，再旋紧目镜锁紧螺钉，则望远镜已对平行光聚焦。

注意：

当绿色“+”形叉丝像与“

”形叉丝像有视差时，应当眼睛一边左右动，一边前后移动目镜套筒和旋转目镜直至没有视差，这个在仿真实验的时候没有体现出来。

3）、调整望远镜光轴垂直于仪器主轴：

当平面镜的镜面与望远镜光轴垂直时，它反射的绿色十字叉丝像会落到分划板“

”的上十字中心，见图5。

平面镜绕主轴旋转180°以后，如果另一镜面反射的绿色十字叉丝像也落在此处，则表明平面镜的镜面平行于仪器主轴。

所以，只有平面镜两个镜面反射回来的绿色“+”形叉丝像都能够与“

”形叉丝像的上交点重合，望远镜的光轴才会垂直于仪器主轴。

A．平面镜的两反射面分别正对望远镜时都能在望远镜中看到叉丝像。

转动游标盘，使望远镜正对平面镜，在望远镜中寻找由平面镜反射回来的绿色十字叉丝像。

一个面有像之后，再转动游标盘180°左右，使平面镜的另一面正对望远镜，此时，若在望远镜中看不到由平面镜反射回来的绿色十字叉丝像，则先通过调节望远镜的倾斜度调节螺钉将第一个面反射的像调到视场中间位置，然后再转到看不到像的那个面。

通过上下调节载物台下方与镜面垂直的螺钉找出绿色十字叉丝像。

这样旋转游标盘180°前后，使望远镜分别对着平面镜的两个反射面时都能看到反射回来的叉丝像。



B．使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合。

当旋转平台使双面平行平面镜两个反射面分别正对望远镜时，都能从望远镜中看到绿色十字叉丝像，此时采用各半调节方法使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合。

设平面镜一反射面反射回来的绿色十字叉丝像位置如图7（a）所示，另一反射面反射回来的绿色十字叉丝像位置如图7（b）所示，即平面镜正、反两反射面反射回望远镜的叉丝像绿色十字叉丝像高度差为H，我们先调节载物台与镜面垂直的垂直螺丝，使图7（a）中的绿色十字叉丝像下降

（（a）绿色十字叉丝像下降

，（b）绿色十字叉丝像就自动上升

）。

这时，正反两面绿色十字叉丝像接近等高，即平面镜镜面也接近于与仪器转轴平行。

然后调节望远镜倾斜度调节螺钉使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合，如图5所示。

将载物台转180°，如果绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点还有一点不重合，则再按以上各半调节的方法再进行调节，使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合，如此反复几次，最后平面镜正、反两面反射的绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合，此时，望远镜光轴垂直分光计主轴。

图7平面镜反射的绿色十字叉丝像

●三棱镜的调节：

对于各种待测光学元件都有一个要求，即其光学表面的法线与望远镜和平行光管的光轴在同一平面内，且该平面垂直于分光计的转轴。

按图8将三棱镜放置在载物台上，使三棱镜三个边分别垂直于平台下三个螺丝的连线。

图8

调节螺钉1，可改变AC面法线方向，而不改变AB面法线方向。

调节螺钉2，可改变AB面法线方向，而不改变AC面法线方向。

转动平台，使三棱镜AB面正对望远镜，这时在望远镜中应能看到从AB面反射回来的叉丝像（若看不到，应检查一下平台高低是否合适），调节螺丝2（不调节螺丝3）使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合。

再转动望远镜使正对AC面，调节螺丝1（不调节螺丝3）使绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合，如此反复调节，直至从三棱镜的两个光学面（AB、AC）反射的绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点都能重合为止。

至此，三棱镜的调节已达到要求。

调整好后的三棱镜，其位置不能再动。

五、实验测量

用自准法测三棱镜顶角A

固定载物台，转动望远镜找出三棱镜AB面反射的绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合时望远镜的位置T1，记下A、B两游标读数α1、β1，再转动望远镜对准AC面，找到AC面反射的绿色十字叉丝像与“

”形叉丝像的上交点重合重合时望远镜位置T2，再记下此时A、B两游标读数α2、β2。

望远镜位置T1

望远镜位置T2

α1

β1

α2

β2

＝

六、注意事项

1.分光计上已调好的部件不要再调动，例如调好望远镜之后，在调平行光管或待测光学元件时，不得再调节望远镜的倾斜度调节螺钉。

2.在本实验中，转动载物台，都是指转动游标盘带动载物台一起转动。

3.在计算望远镜（或载物台）转过的角度时，要注意游标是否经过了刻度盘的零点，例如望远镜在T1、T2位置时，读数分别为

望远镜位置T1

望远镜位置T2

α1

β1

α2

β2

141°41′

321°40′

261°43′

81°41′

从游标A得望远镜转过的角度为

由于游标B经过了刻度盘零点，所以从游标B得望远镜的转角为

简单地说，在计算转角时，如遇到

或

大于180°应以360°减去此值，如上例

，则应取

。

七、仿真实验指导：

1．双击打开分光计的调节面板，如下图所示。

2.单击上图中红色方框内的区域弹出放大的观察窗口，如下图所示。

3．调节目镜调节旋钮使分划板清晰。

4．单击“选择要调节部位”中的载物台（如下图所示红色框中的区域），弹出载物台的调节区域（如下图所示绿色框中）。

5．点击双面镜单选按钮把双面镜放在载物台上，点击顺时针或逆时针按钮让镜面平行于载物台某条刻痕，并点击“旋转望远镜和游标盘”中游标盘的转动按钮，转动载物台使镜面对准望远镜。

单击打开目镜照明开关，如下图所示。

6．在“选择要调节的部位”中单击打开目镜照明开关，如下图所示。

7．转动游标盘使望远镜的观察窗口中出现绿十字像，点击下图中红色方框中的区域弹出目镜的伸缩调节区域，并进行目镜伸缩调节使绿十字清晰，如下图所示。

8．选择目镜锁紧螺钉并单击锁紧该螺钉，如下图所示。

9．转动游标盘使双面镜正对望远镜，点击调节望远镜仰角调节螺钉和双面镜后面的载物台螺钉使望远镜垂直于仪器主轴，如下图所示。

10．将狭缝竖直放置，并将三棱镜置于载物台上。

通过点击顺时针或逆时针按钮使棱镜三边与台下三螺丝的连线互相垂直，并转动游标盘使棱镜的一个光学表面正对望远镜，如下图所示。

11．调节载物台的调平螺钉使棱镜的两个光学表面平行于仪器主轴，如下图所示。

12．测量棱镜的顶角。

固定望远镜，转动游标盘。

先将棱镜的一个光学表面对准望远镜，使绿十字像与分划板的上叉丝重合，记下此时两个游标盘的读数；转动游标盘将棱镜的另一个光学表面对准望远镜，使绿十字像与分划板的上叉丝重合，记下此时两个游标盘的读数，如下图所示。