大学物理实验分光计实验报告

1分光计法测光栅常数3.7分光计的调节及光栅常数的测定分光计又称光学测角仪，是一种分光测角光学实验仪器。它常用来测量折射率、色散率、光波波长、光栅常数和观测光谱等。分光计是一种具有代表性的基本光学仪器，学好分光计的调整和使用，可为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。3.7.1分光计的调节【实验目的】了解分光计的结构和基本原理，学习调整和使用方法。【分光计的结构和原理】分光计主要由五个部分构成：底座、平行光管、自准直望远镜、载物台和读数装置。不同型号分光计的光学原理基本相同。JJY型分光计如图3-7-1所示。图3-7-1JJY型分光计12357648916101218(back)1711151413192021222321．狭缝装置2．狭缝装置锁紧螺钉3．平行光管4．元件夹5．望远镜6．目镜锁紧螺钉7．阿贝式自准直目镜8．狭缝宽度调节旋钮9．平行光管光轴高低调节螺钉10．平行光管光轴水平调节螺钉11．游标盘止动螺钉12．游标盘微调螺钉13．载物台调平螺钉（3只）14．度盘15．游标盘16．度盘止动螺钉17．底座18．望远镜止动螺钉19．载物台止动螺钉20．望远镜微调螺钉21．望远镜光轴水平调节螺钉22．望远镜光轴高低调节螺钉23．目镜视度调节手轮1．底座分光计底座（17）中心固定有一中心轴，望远镜、度盘和游标盘套在中心轴上，可绕中心轴旋转。2．平行光管平行光管安装在固定立柱上，它的作用是产生平行光。平行光管由狭缝和透镜组成，如图3-7-2。狭缝宽度可调（范围0.02~2mm），透镜与狭缝间距可以通过伸缩狭缝筒进行调节。当狭缝位于透镜焦平面上时，由狭缝经过透镜出射的光为平行光。图3-7-2平行光管3．自准直望远镜阿贝式自准直望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起并套装在度盘上。它用来观察和确定光线行进方向。自准直望远镜由物镜、目镜、分划板等组成（如图3-7-3），三者间距可调。其中，分划板上刻有“”形叉丝；分划板下方与一块45º全反射小棱镜的直角面相贴，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上划有一个“十”形透光的窗口，当小电珠光从管侧经另一直角面入射到棱镜上，即照亮“十”字窗口。调节目镜，使目镜视场中出现清晰的“”形叉丝。在物镜前方放置一平面镜，然后调节物镜，使分划板位于物境焦平面上，那么从棱镜“十”字口发出的绿光经物镜后成为平行光射向前方平面境，其反射光又经物镜成像于分划板上。这时，从目镜中可以看到清晰的“”形叉丝和绿色“十”字像。此时望远镜已调焦至无穷远，适合观察平行光了。如果平面境的法线与望远镜光轴方向一致，则绿色“十”字像位于分划板“”形叉丝的上横线上，如图3-7-3中的视场。3图3-7-3阿贝式自准直望远镜的构造1．平面镜2．物镜3．分化板4．小电珠5．小棱镜6．目镜7．目镜视场8．绿十字反射镜4．载物台载物台套装在游标盘上，可以绕中心轴转动，它用来放置光学元件。载物台的高低、水平状态可调。5．读数装置读数装置由度盘和游标盘组成。度盘圆周被分为720份，分度值为30′，30′以下需用游标来读数。游标盘采用相隔180º的双窗口读数；游标上的30格与度盘上的29格角度相等，故游标的最小分度值为1′，图3-7-4所示的位置应读作113º45′。图3-7-4角游标的读法采用双游标读数，是为了消除度盘中心与仪器中心轴不重合而引起的偏心差。测量时记录下两个窗口读数然后取平均值即可。如图3-7-5所示，当度盘中心O′与分光计中心轴O不重合时，转过角度所对应游标数PO和PQ均不等于OO′重合时转过角所对应正确读数MN和()MNMNMN，但根据平面几何知识很容易证明：1()2PQPQMNMN，采用双游标可使偏心差得以消除。4图3-7-5偏心差图示【实验步骤】在进行分光计的调节前，首先应明确对分光计的调节要求：①望远镜适合观察平行光，或称望远镜聚焦于无穷远；②平行光管能发射平行光；③望远镜和平行光管的光轴均与分光计中心轴正交。然后对照仪器熟悉结构和各调节螺钉的作用。一、目测粗调用眼睛直接观察，调节望远镜和平行光管的光轴高低调节螺钉（22和9），使两者的光轴尽量呈水平状态；调节载物台下三只调平螺钉13，使载物台呈水平状态。粗调完成得好，可以减少后面细调的盲目性，使实验顺利进行。二、细调1．调节望远镜合适观察平行光（1）目镜的调焦。调节目镜视度调节手轮23，使视场中能看到分划板上清晰的“”形叉丝像。（2）接通望远镜灯源，把平面镜按图3-7-6所示位置放在载物台上，缓慢转动载物台，从望远镜中可见一光斑，若找不到说明粗调未调好，这时可用眼睛观察平面镜，找到反射光束，调节载物台和望远镜光轴位置，使望远镜能接收到反射光束，从目镜视场中看到光斑。图3-7-6平台镜在载物台上的位置（3）望远镜的调焦。松开目镜锁紧螺钉6，前后移动目镜筒，当光斑变为清晰的绿“十”字像，并且与分划板“”形叉丝无视差时，望远镜已调焦至无穷远，适合观察平行光了。52．调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴转动载物台180º，观察视场中有无绿“十”字像，若没有则应适当调节载物台水平和望远镜光轴的高低，直至任意转动载物台180º均能在望远镜中看到经平面镜正、反两面反射的绿“十”字像。从前面分光计的调节原理知道，当望远镜光轴垂直于分光计中心轴时，经平面镜正、反两面反射的“十”字像均应重合在分划板“”叉丝的上的横丝上（如图3-7-7所示）。在一般情况下，视场中看到两面绿“十”字像并不重合，需要继续仔细配合调节载物台和望远镜。可先调载物台调平螺钉（a2或a3）使绿“十”字像到“”形叉丝上横丝距离减少一半；再调望远镜光轴的俯仰调节螺钉使绿“十”字像与上横丝重合。然后转动载物台180º，重复上面调节步骤，反复几次即可调好。此后望远镜光轴高低调节螺钉不可再动。图3-7-73．调节载物平台法线与分光计中心轴平行将平面镜相对载物台转动90º，然后转动载物台90º，调平台调平螺钉a1使平面镜反射的绿“十”字像与“”形叉丝上横形重合。4．调节平行光管能发射平行光关闭望远镜灯源，点燃光源使光照亮平行光管狭缝。用已调好的望远镜对准平行光管观察，松开狭缝装置锁紧螺钉2，前后移动狭缝套筒，使望远镜中看到清晰的狭缝像，并且与叉丝无视差，此时平行光管发出平行光；调节狭缝宽度调节手轮8，从望远镜中观察到缝宽约1mm左右。5．调节平行光管光轴垂直于分光计中心轴松开狭缝装置锁紧螺钉2，转动狭缝成水平状态，调节平行光管光轴高低调节螺钉9，使望远镜中看到狭缝像的缝宽被分划板中央横丝上下平分（如图3-7-8所示），再转动狭缝90º成竖直状态，狭缝被中央横丝上下平分。此时，平行光管光轴与分光计中心轴垂直。在调节过程中应始终保持狭缝像清晰。6图3-7-83.7.2光栅常数的测定衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成，常分为透射光栅和反射光栅，是一种精密的分光元件。【实验目的】（1）观察光栅衍射现象，理解光栅衍射基本规律。（2）学会用分光计测光栅常数。【实验原理】设透射光栅的缝宽为a，不透光部分宽度为b，()abd称为光栅常数。当单色平行光垂直入射到衍射光栅上，通过每个缝的光都将发生衍射，不同缝的光彼此干涉，当衍射角满足光栅方程sindk0,1,2,k（3-7-1）时，光波加强，产生主极大。若在光栅后加一会聚透镜，则在其焦平面上形成分隔开的对称分布的细锐明条纹（见图*-9）。（a）（b）71．光栅2．透镜3．光强分布图光栅衍射条纹图3-7-9光栅衍射原理图在式（3-7-1）中，为单色光波长，k是明条纹级数。如果光源是包含有不同波长光波的复色光，经光栅衍射后，对不同波长的光，除零级外，由于同一级主极大有不同的衍射角，因此在零级主极大两边出现对称分布、按波长次序排列的谱线，称为光栅光谱。根据光栅方程，若以已知波长的单色平行光垂直入射，只要测出对应级次条纹的衍射角，即可求出光栅常数d。同样，若d已知，即可求得入射光波长。【实验仪器】分光计（JJY型），衍射光栅，光源（钠光灯）【实验内容】（1）按练习一的要求调节好分光计。（2）将衍射光栅放在载物台上（按图3-7-6中平面镜位置）。（3）调节光栅平面与望远镜光轴垂直。接通望远镜灯源，仔细观察被光栅平面反射的“十”字像，调节载物台调平螺钉2a或3a，使“十”字像与分划板“”形叉形上横丝重合。（4）调节光栅的刻痕线平行于分光计中心轴。转动望远镜，观察衍射条纹，仔细调节载物台调平螺钉a1，使视场中见到的各级亮纹都被分化板中央横丝上下等分。（5）测量衍射角k（本实验中测量左右k级条纹的夹角即2k），固定游标盘和载物台，推动支臂使望远镜和度盘一起转动，将望远镜分划板竖直线移至左边第三级条纹外，然后向右推动支臂使分划板竖直线靠近第三级明纹的左边缘（或右边缘），利用望远镜微调螺钉（20）使条纹边缘与分划板竖线严格对准，记录此时游标盘左、右窗读数3a和3，继续向右移动望远镜依次记录左边第二级、第一级明纹读数k和k以及右边一、二、三级明纹读数k和k，各级条纹都以对准左边缘（或右边缘）时读数。【数据处理】（1）按下式计算第k级衍射角k：1[()()]4kkkkka（2）按式（3-7-1）计算：sinkkkd313kkdd（3）计算光栅常数d的标准不确定度()ud：简化处理，以1k时的1()ud近似表示。8衍射角测量的仪器误差限：412.90810仪弧度，1()1.6793u仪弧度忽略的不确定度11121cos()()sinudud1的扩展不确定度12()Uud（4）写出结果表达式：ddU)(A。dkDi1692.5171659.1451674.9801658.489谱线D1D2(内测线D2=588.996nmD1（外侧线）D1=589.593nm级K1212游标标记Dki左游标'12D右游标''12D左游标'22D右游标''22D左游标'11D右游标''11D左游标'21D右游标''21D右侧明纹kiD244°12'64°00'218°50'38°46'244°11'64°02'218°46'38°41'左侧明纹kDi285°39'105°08'309°15'129°15'285°37′105°09'309°21'129°20'望远镜转角kkDiiD41°27'41°08'90°25'90°29'41°26'41°01'90°35'90°24'衍射角kiD20°38'45°13'20°38'45°13'kiDsin0.3480.7100.3520.7119)A(。d1671.283)(A。dkDi0.0020.0010.0020.001）（。Ad0.001510