分光仪测三棱镜顶角.docx
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分光仪测三棱镜顶角
北航物理研究性实验报告
分光仪测三棱镜顶角
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摘要2
分光仪测三棱镜顶角3
一、实验目的3
二、实验仪器3
三、实验原理3
3.1分光仪的结构3
3.2分光仪的调整5
四、实验步骤6
（1）三棱镜的调整6
（2）三棱镜顶角的测量原理7
五、数据处理8
1）原始数据列表8
2）不确定度的计算8
六、误差分析9
七、实验技巧10
八、仪器改进11
九、实验感想11
十、参考文献11
摘要
经过分光仪的实验后，我学会了如何调整分光仪以及如何用分光仪测三棱镜的顶角，因为中学没有接触过分光仪，因此对它比较感兴趣，选择了分光仪作为物理研究性实验报告的研究课题。
文章内容主要包括分光仪的构造，调节方法，如何利用分光仪测三棱镜顶角，误差分析和仪器的改进。
关键词：
分光仪三棱镜顶角反射法
分光仪测三棱镜顶角
一、实验目的
1、了解分光仪的构造及主要部件的作用
2、学习并掌握分光仪的调节原理与调节方法
3、掌握子准直发和逐次逼近调节阀，巩固消视差调节技术
4、学会用反射法测量三棱镜的顶角
二、实验仪器
分光仪、钠灯、三棱镜、双面平面镜。
三、实验原理
3.1分光仪的结构
1．三角底座
在三角底座中心，装有一垂直的固定轴，望远镜、主刻度圆盘、游标刻度圆盘都可以绕它旋转，这一固定轴称分光仪主轴。
2．刻度圆盘
圆盘上刻有角度数值的称主刻度盘，在其内侧有一游标盘，在游标盘上相对180°处刻有两个游标。
主刻度盘和游标刻度盘都垂直于仪器主轴，并可绕主轴转动。
读数系统由主刻度盘和游标盘组成，沿度盘一周刻有360个大格，每格1°，每大格又分成两小格，所以每小格为30’。
主刻度盘内侧有一游标盘。
主刻度盘可以和望远镜一起转动，游标盘可以和载物台一起转动。
游标盘在它的对径方向有两个游标刻度，游标刻度的30个小格对应主刻度盘刻度的29个小格，所以这一读数系统的准确度为1’。
3．自准直望远镜
此图中6-A筒，5-B筒，2-C筒
自准直望远镜由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板及物镜组成。
目镜装在A筒中，全反射棱镜和叉丝分划板装在B筒内，物镜装在C筒顶部，A筒通过手轮可在B筒内前后移动，B筒可在C筒内移动。
叉丝分划板上刻有双十字形叉丝和透光小十字刻线，并且上叉丝与小十字刻线对称于中心叉丝，全反射棱镜紧贴其上。
开启光源S时，光线经全反射棱镜照亮小十字刻线。
当小十字刻线平面处在物镜的焦平面上时，从刻线发出的光线经物镜成平行光。
如果有一平面镜将这个平行光反射回来，再经物镜，必成像与焦平面上，于是从目镜中可以同时看到叉丝和小十字刻线的反射像，并且无视差。
如果望远镜光轴垂直于平面反射镜，反射像将与上叉丝重合。
这种调望远镜使之适于观察平行光的方法称为自准直法，这种望远镜称为自准直望远镜。
4.平行光管
平行光管与底座固联，靠近仪器主轴的一端装有平行光管的物镜，另一端装有可调狭缝套管，前后移动套管，使狭缝处在物镜的焦平面上，于是由狭缝产生的光通过物镜后成平行光。
3.2分光仪的调整
1）目测粗调
目测粗调“望远镜光轴倾斜调节螺丝”、“载物台调平螺丝”、“平行光管光轴倾斜调节螺丝”分别使望远镜筒、载物台面、平行光管镜筒均大致处于水平状态，并与仪器中心转轴基本垂直。
2）用自准法调整望远镜聚焦于无穷远
（1）旋转“目镜视度调节螺母”，改变目镜到分划板之间的距离（目镜对分划板调焦），直到分划板上的叉丝线和十字窗口成像清晰为止。
（2）改变分划板到物镜之间的距离，直到十字像成像最清晰，并且十字像与叉丝线无视差。
3）调整望远镜光轴与分光仪的转轴相垂直
平面镜仍竖直置于载物台上，如果望远镜光轴与平面镜镜面垂直，则反射回来的亮十字像与分划板中上叉丝线交叉点完全重合，将载物台旋转180°（因而平面镜也随着转过180°）之后，如果亮十字像与上叉丝线交叉点仍然完全重合，则说明望远镜光轴与分光仪的中心轴垂直。
（1）首先转动载物台使平面镜的一个面对准望远镜，从望远镜中找到由平面镜反射的十字像，然后再转动载物台使镜面转过180°，从望远镜中再一次看到由另一面反射的十字像（此时不用考虑十字像与上叉丝线交叉点是否重合）。
（2）用逐次逼近各半调整法，仔细调节每一个反射十字像的位置。
先用望远镜找到一个反射十字像，当十字像与上叉丝线交叉点不重合时，此时调节“望远镜光轴倾斜调节螺丝”使十字像与上叉丝线交叉点之间的距离减小二分之一，再调节载物台下面的水平调节螺丝（a1或a2）消除另一半距离，使上叉丝线与亮十字像重合。
再将载物台旋转180°，使望远镜对准平面镜的另一面，采用同样的方法调节，如此重复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两个面反射回来的亮十字像都能与分划板的上叉丝线重合为止。
4）调整平行光管
使平行光管发出平行光、平行光管的光轴与中心轴垂直。
用前面已调好的望远镜（适合于平行光、光轴与中心轴垂直）为标准调节平行光管。
（1）、调整平行光管产生平行光。
取下载物台上的平面镜。
用钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，放松“狭缝筒锁紧螺丝”，移动狭缝筒，改变狭缝到会聚透镜之间的距离，直到看见清晰的狭缝像，并与分划板上的叉丝线无视差。
此时狭缝处于透镜的焦平面上，平行光管产生平行光。
（2）、调整平行光管的光轴与分光仪中心轴相垂直。
看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但前后不能移动）狭缝像呈水平状态，调节“平行光管光轴倾斜调节螺丝”，使水平狭缝像被分划板的中央叉丝线上下平分，这时平行光管的光轴已与望远镜的光轴在同一平面内，并与分光仪的中心轴垂直。
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。
四、实验步骤
（1）三棱镜的调整
1）调整要求
欲测三棱镜顶角，必须使望远镜的广州旋转平面垂直于待测顶角A的两光学平面AB面和AC面，如图4.1.1所示，即望远镜分别对准AB面和AC面时均应有绿十字与上叉丝重合。
图4.1.1三棱镜放置方法
2）三棱镜的放置
如图4.1.1按逆时针方向称三棱镜的三个顶角为A、B、C，AB、AC构成待测顶角A的光学面，BC为磨砂面。
放置时，令三棱镜的AB（BC,AC）边平行于载物台上的经线Oa（Ob、Oc）。
这样一来，在调节Oa（Oc）线下的调平螺钉a（c）时，整个棱镜将以bc（ba）为轴转动，由于AB（AC）面与bc（ba）垂直，故不会影响AB（AC）面与仪器主轴的相对关系。
3）调三棱镜的AB面和AC面与望远镜光轴垂直
先用自准直法调AB面与望远镜光轴垂直，如不垂直，可调节调平螺钉b或c；再转动载物台将AC面转向望远镜，此时可且只可调节调平螺钉a，使AC面与望远镜光轴垂直，因为调a不会破环已调好的AB面与望远镜光轴的垂直关系。
最后将三棱镜放置于载物台上，使待测顶角A靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根经线平行，用压杆固定好棱镜。
将望远镜对准三棱镜某光学平面，调节与另一光学平面平行的载物台经线螺钉，使绿色十字与上叉重合。
同理再调整另一光学平面。
（2）三棱镜顶角的测量原理
平行光管射出的光束照射在三棱镜的两个光学面上。
将望远镜转到一侧（如左边）的反射方向上观察，把望远镜叉丝对准狭缝像，此时读出两个窗口的方位角读数
与
；再将望远镜转到另一侧，把叉丝对准狭缝像后读出
'和
'，则三棱镜的顶角为
五、数据处理
1）原始数据列表
组别
1
154°56’
34°53’
334°56’
214°53’
120°03’
120°03’
2
99°00’
338°59’
279°00’
158°59’
120°01’
120°01’
3
42°40’
282°40’
222°40’
102°40’
120°00’
120°00’
4
228°03’
348°2’
408°03’
168°03’
119°59’
120°00’
5
291°00’
171°03’
111°01’
351°04’
119°57’
119°57’
=
2）不确定度的计算
由
得：
则：
（1）计算
的不确定度
=1′
=
=0.577′
则
（2）计算
的不确定度
=1′
=
=0.577′
（2）A的不确定度
=0.436’=0.007
最终结果表示为：
用弧度制表示为：
六、误差分析
1、我们为了消除偏心差，所有读数时左右游标示数都要读，但是仍不能避免读数和刻度盘不均匀产生的误差。
2、旋转望远镜的时候是和刻度盘锁紧的，但也会有不可避免的滑动，此时会产生读数的误差。
3、狭缝是有一定宽度的，因此不能完全保证叉丝在狭缝中心。
4、我们调整分光仪保证光轴和望远镜垂直，但是绿十字和反射像不会完全重合，会存在一点误差，这种误差会导致读数时的系统误差。
七、实验技巧
1、在用自准法调整望远镜这一过程中，首先就是要对整个仪器进行粗调，粗调不等于大概调正，此步骤也非常重要，否则就会给后面的调整带来不必要的麻烦。
望远镜上面有两个透镜，这两个透镜的功能我们要清楚，阿贝目镜的功能就是我们通过对它的调节，使得分划板处于目镜的焦平面上，此时眼睛观察到的分划板上的黑色十字叉丝才会非常的清晰，以便于我们以叉丝为基准来观察反射像与光谱，进而比较精确地确定它们的位置。
2、调整载物台技巧
按图5.1.1放置平面镜。
这样放置的优点在于:
Z1和Z2两个螺钉分别控制平面镜两个反射面的倾斜度,而Z3螺钉不改变反射面的倾斜度，更便于调节。
图5.1.1
3、实验要求调整三棱镜，使AB、AC面的绿十字与上叉丝重合。
调节好后，平移顶角A靠近载物台中心。
但通过做实验我发现应该事先就将顶角A移到载物台中心，来避免移动过程中有可能因载物台不平整而造成的光轴和目镜不垂直。
4、应当按顺序操作，先调节望远镜垂直主轴，此时应先调节望远镜的调节螺钉，使其前部抬头，使叉丝像更靠近水平叉丝的那个面反射回来的叉丝像正好落在水平叉丝上。
再观察另一个面反射回来的叉丝像到水平叉丝的距离，通过目测把另一个面叉丝的像向水平叉丝靠近原来的二分之一，此时将三棱镜旋转180
得到的反射像关于水平叉丝是对称的。
再调节载物台，此时不论调节哪个面底部的载物台螺钉，只要其中一个面的反射像在叉丝上，另一个面的叉丝像也会在叉丝上。
5、每次旋转一次望远镜找到反射像后，固定望远镜和载物台，旋转游标，这样可免去改变游标位置而需要再一次寻找反射像的麻烦。
6、在记录数据时，要注意游标是否经过刻度盘0°或360°刻线，若经过，则望远镜旋转角度要修正：
=360°—│
│
八、仪器改进
1、我们观察反射像时眼睛贴在目镜上可能会触碰目镜使其转动而影响观察，建议在目镜和望远镜之间增加固定装置。
2、每次旋转望远镜去找反射像时望远镜和游标可能会有轻微的旋动而造成误差，我认为可以增加一个望远镜，用来寻找反射像，从而避免了旋转望远镜产生的误差。
九、实验感想
经过对于分光仪的知识的更加深入的了解，我深切感受到了那些伟大的物理学先哲的伟大。
正是他们巧妙的构想，才能让我们有这么多可以使用的正确的结论和精确的数据。
除此之外，我还要感谢物理实验中心为我们安排这样的课程与机会，让我们亲自动手去实践书本上的理论知识，为我们的动手能力的提高，以及对于理论知识的更深入的理解搭建了一个很好的平台，感谢老师们的辛苦付出。
十、参考文献
《基础物理实验》——北京航空航天大学出版社
《浅谈分光仪的调整及常见问题处理》
附：
原始数据照片
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