分光计实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：大学物理实验实验名称：分光计调整及光栅常数测量学院：生命科学学院专业班级：水产养殖学151学生姓名：邱静学号：5601215014实验地点：基础实验大楼座位号：实验时间：第14周星期六上午下午四点开始一、实验目的：1．了解分光计构造的基本原理。2．学习分光计的调整技术，掌握分光计的正确使用方法。3．利用分光计测定光栅常数。二、实验原理：1．分光计光线入射到光学元件上，由于反射或折射等作用，使光线产生偏离，分光计就是用来测量入射光与出射光之间偏离角度的一种仪器。要测定此角，必须满足两个条件：⑴入射光与出射光均为平行光；⑵入射光、出射光以及反射面或折射面的法线都与分光计的刻度盘平行。为此，分光计上装有能造成平行光的平行光管、观察平行光的望远镜及放置光学元件的载物台，它们都装有调节水平的螺钉。为了读出测量时望远镜转过的角度，配有与望远镜连接在一起的刻度盘，如图4-1所示。各部分别介绍如下：⑴读数装置。在底座19的中央固定一中心轴，度盘22和游标盘21套在中心轴上，可以绕中心轴旋转；度盘下端有轴承支撑，使旋转轻便灵活；度盘上的刻线把360°圆周角分成720等份，每份为30′。同一直径方向两端各有一个游标读数装置，测量时，对望远镜的两个位置中每一位置都读出两个数值，然后对同侧的差值读数取平均值，这样可以消除因偏心引起的误差（见本实验参考资料）。⑵平行光管。立柱23固定在底座上，平行光管3安装在立柱上，平行光管的光轴位置可以通过立柱上的调节螺钉26、27分别进行左右、水平微调，平行光管有一狭缝装置1。旋松螺钉2，转动装有狭缝的内套筒使狭缝成严格的垂直状，前后移动内套筒，使狭缝严格地处在透镜焦平面上，则平行光管发出狭缝平行光。⑶望远镜。阿贝自准直望远镜8安装在支臂14上，支臂和转座20固定在一起并套在度盘上。当松开制动螺钉16时，转座和度盘可以相对转动，当旋紧此制动螺钉，转座和度盘一起旋转。旋紧制动架18与底座上的制动螺钉17时，借助于此制动架末端上的调节螺钉15可以对望远镜进行左右转动微调。望远镜的光轴位置，可以通过螺钉12、13分别进行水平、左右微调。阿贝自准直望远镜内部结构如图12-2所示，从目镜所见分划板视场如图4-3。旋目镜调焦手轮11，使目镜中能十分清晰地看到分划板上的分划线。旋松螺钉9，转动目镜组10使分划线成水平状。前后移动目镜组，使分划板处在物镜的焦平面上，则亮十字经物镜发出的光为平行光，当它被反射回望远镜时，将在分划板上成清晰的亮十字像，且与实物亮十字无视差。⑷载物台。载物台5套在游标盘上，可绕中心轴旋转，旋紧载物台锁紧螺钉7和制动架4与游标盘的制动螺钉25时，借助于立柱23的调节螺钉24可以对载物台进行微调。放松载物台锁紧螺钉时，载物台可根据需要升高或降低。调到所需位置后，再把锁紧螺钉锁紧。载物台有三只调平螺钉6，可用来调节载物台面，使之与旋转主轴垂直。⑸照明。外接6.3V电源，插头插在底座的插座上，经导电环通到转座的插座上，望远镜系统的照明器插头与之相接，这样可以避免望远镜系统旋转时电线拖动。2．光栅光栅是由许多等宽度a（透光部分）、等间距b（不透光部分）的平行缝组成的一种分光元件。当波长为λ的单色光垂直照射在光栅面上时，则透过各狭缝的光线因衍射将向各方向传播，经透镜会聚后相互干涉，并在透镜焦平面上形成一系列间距不同的明条纹。根据夫琅和费衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：（a+b）sinφk=kλ（k=0，±1，±2，…）（4-1）式中a+b=d称为光栅常数，k为光谱级数，φk为第k级谱线的衍射角。见图4-4，k=0对应于φ=0，称为中央明条纹，其它级数的谱线对称分布在零级谱线的两侧。如果入射光不是单色光，则由式（4-1）可知，λ不同，φk也各不相同，于是将复色光分解。而在中央k=0，φk=0处，各色光仍然重叠在一起，组成中央明条纹。在中央明条纹两侧对称地分布k=1，2，…级光谱线，各级谱线都按波长由小到大，依次排列成一组彩色谱线，如图4-5所示。根据式（4-1），如能测出各种波长谱线的衍射角φk，则从已知波长λ的大小，可以算出光栅常数d；反之，已知光栅常数d，则可以算出波长λ。三、实验仪器：分光计，钠光灯，双平面镜，光栅。四、实验内容和步骤：1．首先，检查仪器及用具是否齐全、完好，然后将钠灯电源插头插于墙上，打开钠光灯预热。打开6V变压器开关。2．目镜的调焦：转动接目镜调焦手轮11直至视场中分划线清晰。3．望远镜调焦：取出双平面镜，扣在望远镜8的前端，即使平面镜平面与望远镜光轴垂直。从目镜中观察，可以看到一亮斑，旋松螺钉9，前后微动目镜组，对望远镜进行调焦，使亮斑成为清晰的十字像，旋紧螺钉9。4．调整望远镜光轴、载物台平面垂直于旋转主轴：①粗调：调节载物台a、b、c三只螺钉使两圆盘夹缝处螺钉螺纹数大致相等（6个螺纹数最佳）；调节目镜下方螺钉12使望远镜大致水平。②细调：把双平面镜按图12--6所示方位放置于载物台上，左手使灰台板左右小角度转动，使平面镜平面与望远镜光轴有横向垂直机会，眼看目镜，同时用右手调节望远镜水平调节螺钉12（寻找纵向垂直机会）至视场中出现亮十字像，并调12使十字像处于图4-3所示位置（实际操作中可简化为十字像横与分划线重和）。转动灰台板使双平面镜转到反面，用手小角度左右转动，寻找反面垂直机会，若无十字像出现，立即把平面镜转回正面。观察望远镜状态，看目镜一端是向上还是向下倾斜?判分划线十字叉丝断后，调节螺钉12校正望远镜水平，此时，视场中十字像偏离了分划线（注意：上----不可出视场；下----不过横叉丝），调节载物台螺钉a，使亮十字像回到分划线，经过一次或多次判断、调节，反面视场中定会看到十字像。但此时反面十字像横与分划线不重和。调节螺钉12使十字像向分划线趋近一半，再调节载物台螺钉b使二者重合（以下称‘一半一半’法）；转回正面，十字像横与分划线又不重和了，调螺钉12使十字像向分划线趋近一半，再调节螺钉a使二者重合。这样反复多次‘一半一半’地调节，就会使得两面的十字像横均与分划线重合，望远镜光轴与旋转主轴垂直了，但此时载物台平面不一定与旋转主轴垂直，这是由于两条直线确定一个平面。以上仅调了一条直线，即a、b螺钉顶端所在的直线。这时可把双面镜按图4--7所示放置，调节螺钉c（此时不能再动螺钉a、b、12）使双面镜正面对应十字像横与分划线重合，这时载物台平面与旋转主轴垂直了。5．调节分划板成水平和竖直当载物台连同双平面镜相对望远镜旋转时观察，如果分划线与亮十字的移动方向不平行，就要转动目镜组，使亮十字的移动方向与分划线平行。注意，此时不可破坏望远镜的调焦，然后将目镜的锁紧螺钉旋紧。6．平行光管的调焦首先关掉望远镜目镜照明器上的光源，拿走载物台上的双平面镜。打开狭缝28，用漫反射光照明狭缝，前后移动狭缝装置1，使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上。然后把平行光管光轴左右调整螺钉26调到适中位置，并调节望远镜光轴左右调整螺钉13和平行光管水平调整螺钉27，使狭缝位于视场中心。最后，旋转狭缝装置，使狭缝与目镜分划板的叉丝竖线平行，注意不要破坏平行光管的调焦，然后将狭缝装置锁紧螺钉旋紧。7．用绿光（λ=546.1nm）测衍射角：将平行光管正对钠光灯，并将光栅放在载物台上使其与平行光管光轴垂直，观察其零级及一级衍射条纹，可以看到一级衍射条纹是两条靠得很近的谱线（589.0nm和589.6nm），λ=589.3nm是它们的波长的平均值。分别测定左一级、右一级衍射条纹左、右两端刻度盘的读数，重复测量三次，并记录在表4-1中。如此，得本光栅对钠黄光的一级衍射角为||||4122111（4-2）求得此光栅衍射的一级衍射角的三次测量的平均值1，取ΔB=1′=601度，求测量结果的不确定度Δφ1，并由1求得光栅常数d，由Δφ1利用不确定度传递公式kkkd2sincos（4-3）求得Δd，则光栅常数d=d±Δd。*注意Δφ要化为弧度。五、实验数据与处理：衍射光谱级次-11-22左侧衍射光角坐标117度27分98度34分126度54分88度31分右侧衍射光角坐标297度30分278度38分306度53分268度32分六、误差分析：由于刻度盘中心与游标盘中心并不一定重合，真正转过的角度同读出的角度之间会稍有差别，这个差别叫“偏心差”。七、思考题：1.应用分光计进行测量之前，应调节到何种状态?答：1．望远镜聚焦平行光,且其光轴与分光计中心轴垂直.2．载物台平面与分光计中心轴垂直.2.调节分光计的基本步骤是什么?答：1、目视粗调.作用：使平视望远镜和平行光管的光轴和载物台表面平行.2、用自准直法将望远镜调焦到无穷远.作用：将望远镜调焦到无穷远.3、各半调节,在平面镜中找到十字像,调节望远镜光轴与中心转轴垂直八、附上原始数据：