实验八-分光计的调节和三棱镜顶角的测定

实验八分光计的调节和三棱镜顶角的测定分光计是比较精密的测角仪器，精确度可达到1，在生产和科研中经常使用。分光计装置精密，结构复杂，调节难度也较大，对初学者来说有一定的困难，请同学们认真做好预习，注意了解其基本结构和测量光路，严格按调节要求和步骤耐心调节，就会掌握分光计的使用方法。【实验目的】1.了解分光计的原理结构，学习调整分光计；2.掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法。【实验仪器】整个实验需要的仪器有：分光计、三棱镜、双面（半）反射平面、读数小灯。【实验原理】1.分光计的结构本实验采用自准法测三棱镜顶角，不需要使用平行光管。有关平行光管的原理、调节与使用请参见光栅衍射实验。下面介绍其余部件：(1)分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的转轴。在这个转轴上套有一个读数刻度盘和一个游标盘，这两个盘可以绕它旋转。(2)望远镜安装在支臂上，支臂与转轴相连。在支臂与转轴连接处有螺丝18，拧松时，望远镜(和读数刻度盘一起)可绕轴自由转动；旋紧时，不得强制望远镜绕轴转动，否则会损坏仪器。螺丝15是它的微调图8－1分光计结构示意图望远镜：8.望远镜9.紧固螺钉10.分化板11.目镜（带调焦手轮）12.仰角螺钉13.望远镜光轴水平螺钉14.支臂15.转角微调17.制动架18.望远镜止动螺钉载物台：5.载物台6.载物台调平螺钉（3只）7.载物台锁紧螺钉圆刻度盘：16.读数刻度盘止动螺钉21读数刻度盘22.游标盘24.游标盘微调螺钉25.游标盘止动螺钉平行光管：1.狭缝2.紧固螺钉3.平行光管26.平行光管光轴水平螺钉27.仰角螺钉28.狭缝调节其它：4.制动架19.底座20.转座23.立柱光源反射镜物镜全反射棱镜镜分化板目镜筒2筒1目镜视场准线十字透光窗图8-2望远镜结构螺丝，当螺丝18拧紧后，望远镜不能绕轴转动时，用它可以使望远镜绕轴作微小转动。螺丝9是目镜镜筒的制动螺钉，旋松它可拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离。望远镜光轴的倾斜度由螺丝12调节。分光计上的望远镜通常采用阿贝式自准直目镜，其结构如图8-2所示。分划板的透明玻璃上刻有黑十字准线。在该准线的竖线下方，紧贴一块小棱镜，在其涂黑的端面上，刻有透明十字线，利用电珠照明使它成为发光体。而在准线的竖线上方，与透明十字线对称的位置上，有一条黑水平线。(3)载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉7相互锁定，拧紧螺丝7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝25是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺丝24是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调节螺丝6，可调节台面的倾斜度。(4)圆刻度盘在分光计出厂时已将它调到与仪器转轴垂直。由于圆刻度盘中心和仪器转轴在制造和装配时，不可能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。圆刻度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心O与转轴重合时，由相差180°的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值就不相等，所以如果只用一个游标读数窗会产生系统误差。通过在转轴直径上安置两个对称的游标读数窗，可消除这种系统误差。分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。2.自准法测量三棱镜顶角的原理如图8-3所示，只要测量三棱镜两个光学面的法线之间的夹角，即可求得顶角180。【实验步骤及实验内容】1.分光计调节(1)目测粗调粗调即是凭眼睛判断。①尽量使望远镜的光轴与刻度盘平行。②调节载物台下方的三个小螺钉，尽量使载物台与刻度盘平行(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。(2)望远镜调焦到无穷远，适合观察平行光①接上照明小灯电源，打开开关，在目镜视场中观察，是否能够看到“准线”和带有绿色小十字的窗口。通过调节目镜调焦手轮将分划板准线调到清楚地看到为止。②将双面镜放置在载物台上（如图8-4）。这样放置是出于这样的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝1或2即可，而螺丝3的调节与平面镜的俯仰无关。③沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。当望远镜对准平面镜时，通过望远镜目镜观察，如果看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射回到望远镜中。此时应重新粗调，重复上述过程，直到由透明十字发出的光经过物镜后（此时从物镜出来的光还不一定是平行光），再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，在分划板上形成亮十字像斑（注意：调节是否顺利，以上步骤是关键）。④放松望远镜紧固螺钉9，前后拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离，再旋转目镜调焦手轮，图8-5望远镜调节过程中通过目镜看到的情况(a)(b)(c)(d)T1T2Cαφ图8-3自准法测三棱镜顶角的原理321平面镜图8-4平面镜在小平台上的位置调节分划板与目镜的距离使从目镜中既能看清准线，又能看清亮十字的反射像。注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，则需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。(3)利用二分之—调节法，调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直。先调节平面镜的倾斜度(调节螺丝1或2)。使目镜中看到的亮十字线（反射）像重合在黑准线像的对称位置上，如图5(a)所示，说明望远镜光轴与镜面垂直。然后使平面镜跟随载物台和游标盘绕转轴转过180°，重复上面的调节。一般情况下，这二准线不再重合，如二者处在如图5(b)所示位置上，这时只要调节螺丝1或2，使二者的水平线间距缩小一半，如图5(c)所示，再调节望远镜的倾斜螺丝12，使二者水平线重合，如图5(d)所示，然后再使平面镜绕轴旋转180°，观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合。如重合了，说明望远镜光轴已垂直于分光计转轴。若不重合，则重复以上方法进行调节，直到平面镜旋转到任意一向，其镜面都能与望远镜光轴垂直。2.测量三棱镜将三棱镜按图8-6所示的位置放置（注意：切忌用手触摸光学面）。调节螺钉1，可以改变I面的法线方向，不改变II面的法线方向。同理，调节螺钉2，可以改变II面的法线方向，不改变I面的法线方向。利用已调节好的望远镜用自准法测两个光学面的法线方向（注意：适当调节，使两个光学面反射的亮十字线重合在黑准线像的对称位置）。132III图8-6三棱镜在小平台上的位置