分光计的调节及使用.ppt

1、分光计的调节及棱镜角的测量,制作：张晶辉,一、实验目的,1、了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法2、掌握测定棱镜角的方法3、用自准直法测定棱镜角,二、实验仪器,分光计汞灯（或钠光灯）三棱镜平行平板双面反射镜,三、实验原理,分光计是一种常用的光学仪器，实际上就是一种精密的测角仪。在几何光学实验中，主要用来测定棱镜角、衍射角等等，而在物理光学实验中，加上分光元件（棱镜、光栅）即可作为分光仪器，用来观察光谱，测量光谱线的波长等。下面以JJY型分光计为例，说明它的结构原理和调节方法。,1、分光计的结构,图1 JJY型分光计的结构外形图 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

2、平调节螺钉 27平行光管倾斜度调节螺钉 28狭缝宽度调节手轮 望远镜：8望远镜 9紧固螺钉 10分划板 11目镜（带调焦手轮） 12望远镜倾斜度调节螺钉 13望远镜光轴水平调节螺钉 14支臂 15游标圆盘微调螺钉 17制动架 18望远镜制动螺钉 载物台：5载物台 6载物台调平螺钉（3只） 7载物台紧固螺钉 圆刻度盘：16读数刻度盘制动螺钉 21读数刻度盘 22游标盘 24游标盘微调螺钉 25游标盘制动螺钉 其他：4制动架 19底座 20转座 23立柱,分光计主要由底座、望远镜、准直管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成，每部分均有特定的调节螺钉，图1为JJY型分光计的结构外型图。,1、分光计的底座

3、要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。2、准直管固定在底柱的立柱上，它是用来产生平行光的。准直管的一端装有消色差物镜，另一端为装有狭缝的套管，狭缝的宽度可在0.022mm范围内改变。3、望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目标和确定光线进行方向的。物镜Lo和一般望远镜一样为消色差物镜，但目镜Le的结构有些不同，常用的是阿贝式目镜。,阿贝目镜式望远镜就是在目镜和分划板之间装有全反射直角棱镜，直角棱镜上刻有“十”字，从目镜观察，叉丝的一小部分被直角棱镜挡住，呈现它的阴影。目镜筒套安装在分划板的套筒内。调节图1中所

4、示的手轮11可改变目镜和分划板的距离。分划板套筒又套在物镜筒内，前后移动分划板套筒，可改变目镜和分划板相对于物镜的距离。若在物镜前放平面镜，使平面镜镜面与望远镜光轴垂直，且分划板位于物镜焦平面上时，则焦平面(分划板)上发出的光(绿十字)经物镜后形成平行光射于平面镜，由平面镜反射经物镜后在焦平面(分划板)上形成绿十字反射像，如图2所示。,图2 阿贝目镜式望远镜,4、分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套机构，正确运用它们对于测量很重要，它们是：（1）望远镜止动和微动控制机构，图1中的16、15；（2）分光计游标盘止动和微动控制机构，图1中的25、24；（3）望远镜和度盘的离合控制机构，图1中的1

5、7。转动望远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的止动用螺钉；微调望远镜及游标位置时要先拧紧止动螺钉。要改变度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们之间的离合控制螺钉，调整后再拧紧，一般是将度盘的0线置于望远镜下，可以减少在测角度时0线通过游标引起的计算上的不方便。5、载物平台是一个用以放置棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套在游标内盘上，可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘（刻度内盘）一起转动时，控制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和微调两种；平台下有三个调节螺钉，可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。,图3 分光计读数示例,6、望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻

6、度盘上有0360的圆刻度，分度值为0.5。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔180处设有两个游标V左和V右，游标上有30个分格，它和主刻度盘上29个分格相当，因此分度值为。分光计的读数方法参照游标原理，如图3所示读数应为13944。,记录测量数据时，必须同时读取两个游标的读数（为了消除度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差）。安置游标位置要考虑具体实验情况，主要注意读数方便，且尽可能在测量中刻度盘0线不通过游标。记录与计算角度时，左、右游标分别进行，注意防止混淆算错角度。,2、分光计的调节,1、调节要求分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此要求：（1）分光计的光学系统（准直管和望远镜

7、）要适应平行光。（2）从度盘上读出的角度要符合观测现象中的实际角度。,图4 分光计观测系统的三个平面,分光计观测系统的三个平面,读值平面,观察平面,待测光路平面,读取数据的平面，由主刻度盘和游标内盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体的分光计，读数平面都是固定的，且和中心主轴垂直,望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时形成的。只有当望远镜光轴与转轴垂直时，观察面才是一个平面，否则，将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面,由准直管的光轴和经过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物平台下方的三个调节螺钉，可以将待测光路平面调节到所需的方位,按调节要求，应将此三个平面

8、调节成相互平行，否则，测得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差,2、调节方法,粗调,细调,在分光计调节中，粗调很重要，如果粗调不认真，可能给细调造成困难,补充方法,（1）旋转目镜手轮（即调节目镜与叉丝之间的距离），看清测量用十字叉丝（如图2）。 （2）用望远镜观察尽量远处的物体，前后调节目镜镜筒（即调节物镜与叉丝之间的距离），使远处物体的像和目镜中的十字叉丝同时清楚。这时，望远镜已聚焦无穷远。 （3）载物台平面（可调载物台下三个水平调节螺钉顶起载物台的螺距相等）和望远镜轴尽量调成水平（目测）。,这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到分划板上的刻线,将分光计附件平面反射镜（或三棱镜）（如图5所示

9、）放在载物台上（注意放置方位，如图放置则主要由1个螺钉控制一个反射面的倾斜）。,图5 分光计附件方位放置示意图,应用自准直原理调望远镜适合平行光。（这是要将分划板调到物镜焦平面上。这时，当光束射到前面的平面镜上，由镜面反射回来的平行光经物镜成象在分划板上，在目镜中将看到清晰的十字叉丝的像，如图6所示）,点亮“小十字叉丝”照明用电灯；,将望远镜垂直对准平面镜（或三棱镜）的一个反射面，如果从望远镜中看不到绿色“小十字叉丝”的反射像，就慢慢左右转动载物平台去找（粗调认真，均不难找到反射像），如果仍然找不到反射像时，就要稍许调节望远镜光轴高低调节螺钉，再慢慢左右转动载物平台去找；,看到“小十字叉丝”反

10、射像（如图6（a）后，再前后微调目镜镜筒，使小十字叉丝反射像清楚且和测量用叉丝间无视差。这样，望远镜就已适合平行光，以后不许再改变望远镜的调焦状态。,转动载物平台，使另一镜面对准望远镜，左右慢慢转动平台，看到反射的小十字叉丝像，如果它和调整叉丝不重合，再同上由望远镜和螺钉b2各调回一半。,用逐次逼近法调望远镜光轴与中心转轴垂直 （即将观察面调成平面，观察平面与读数平面平行）,由镜面反射的小十字叉丝像和调整叉丝如果不重合，调节望远镜倾斜使二叉丝间的偏离减少一半，再调节平台螺钉b1使二者重合，如图6（b）；,图6 望远镜内的叉丝平面示意图,问题：为什么有时候平面镜的第一面见到了绿色小十字像，而在第

11、二面却找不到呢？,时常发现从平面镜的第一面见到了绿色小十字像，而在第二面却找不到，这可能是粗调不细致，经第一面调节后，望远镜光轴和平台面均显著不水平，这时要重作粗调；如果望远镜轴及平台面无明显倾斜，这时往往是小十字像在调节叉丝上方视场之外，可适当调节望远镜倾斜（使目镜一侧升高些或降低些）去找。,反复进行以上的调整，直至不论转到那一反射面，小十字叉丝像均能和调整叉丝重合，则望远镜光轴与中心转轴已垂直。此后注意不要再变动望远镜的倾角螺钉。此调节法称为逐次逼近法或各半调节法（问：上述调节后载物平台的台面与中心转轴是否已垂直？）,调节准直管使其产生平行光，并使其光轴与望远镜的光轴重合。,关闭望远镜叉丝

12、照明灯，用光源照亮准直管狭缝；转动望远镜，对准准直管；,将狭缝宽度适当调窄，前后移动狭缝，使从望远镜看到清晰的狭缝像，并且狭缝像和测量叉丝之间无视差。这时狭缝已位于准直管准直物镜的焦平面上，即从准直管出射平行光束；,调节望远镜和狭缝（注意不能前后移动狭缝）的位置，使狭缝的像与分划板上的竖直线重合。然后固定狭缝和望远镜的位置，调节平行光管（准直管）的高低调节螺钉，使狭缝的像相对于测量用叉丝对称，即使狭缝的像的中心位于望远镜测量用十字叉丝的交点上，这时准直管和望远镜的光轴平行，并近似重合。,第二种方法：调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴,图7 平行光管光轴与望远镜光轴共线图,将被照明的狭缝调到平

13、行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。,调整方法是：取下平面镜和目镜照明光源，狭缝对准前方水银灯光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝像，沿轴向移动狭缝筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光 。,再将狭缝转向横向，调平行光管仰角调节螺钉，将像调到测量用十字叉丝的中心横线上，见图7(a)。这表明平行光管光轴已与望远镜光轴共线，所以也垂直仪器主轴。平行光管仰角调节螺钉不能再动(为什么?)。再将狭缝调成垂直，锁紧螺钉，见图7(b)。,3、应用分光计测量棱镜角,、调节待测光路平面与观察平面重合，即调节棱镜折射的主截面垂直于仪器的主轴。,分光计的本体如上所述已经调节好，即应用自准直原理将望远镜

14、对无穷远调焦，使望远镜的光轴垂直于仪器的主轴，使准直管产生平行光，并与望远镜共轴。现须调节待测光路平面与观察平面重合，具体方法分为两步。,（1）将待测棱镜按图8所示的方法，放置在载物平台上，使折射面AB与平台调节调节螺钉b1、b3的连线相垂直。这时调节螺钉b1或b3，能改变AB面相对于主轴的倾斜度，而调节螺钉b2对AB面的倾斜度不产生影响。,图8（a）待测棱镜的放置方法 图8（b） 棱镜顶角A的测量,（2）调节三棱镜的主截面垂直于仪器的主轴。,三棱镜的棱镜角A是棱镜主截面上三角形两边之间的夹角。应用分光计测量时，必须使待测光路平面与棱镜的主截面一致。由于分光计的观察平面已调节好并垂直于仪器的主

15、轴，因此棱镜的主截面也应垂直于仪器的主轴。即调节三棱镜的两个折射面AB和AC，使之均能垂直于望远镜的光轴(下述过程中望远镜已调好，不能再调)。调节的方法是先用望远镜对准棱镜的AB面，细调螺钉b1或b3，使望远镜目镜视场中能看见清晰的叉丝反射像，并和调整叉丝重合，如图6（b）所示。旋转棱镜台，再将棱镜的AC面对准望远镜，微调螺钉b2，又可见十字叉丝的反射像呈现在视场中。在一般情况下，视场中的两对叉丝在垂直方向上将不再重合。重复进行调节，直至无论望远镜对准棱镜的AB面或AC面时，十字叉丝的反射像均能和调整叉丝无视差地重合，此时，棱镜的主截面才和仪器的主轴相垂直。至此，分光计测量前的准备工作已全部调

16、节完成。,注意，调节后的分光计在使用中，不要破坏已调好的条件；又分光计上可调螺钉较多，要明确它们的作用。,、棱镜角的测量,（1）自准直法,图9 自准直法光路示意图,将待测棱镜置于棱镜台上，固定望远镜，点亮小灯照亮目镜中的叉丝。对两游标作一适当标记，分别称游标1和游标2，切记勿颠倒。保持望远镜和刻度盘固定不动，转动游标盘连带棱镜台，使棱镜的一个折射面对准望远镜，用自准直法调节望远镜的光轴与此折射面严格垂直，即使十字叉丝的反射像和调整叉丝完全重合。如图8（b）及图9所示。记录刻度盘上游标1的读数和游标2的读数；再转动游标盘连带载物平台，依同样方法使望远镜光轴垂直于棱镜第二个折射面，记录刻度盘上游标

17、1的读数和游标2的读数；同一游标两次读数之差即是载物台转过的角度，而是角的补角，则,重复测量五次，计算棱镜角A的平均值和标准不确定度。,（2）棱脊分束法,图10 棱脊分束法光路示意图,如图10所示，将待测棱镜置于载物平台上，使棱镜的顶角对准准直管，由准直管射出的平行光束被棱镜的两个折射面分成两部分，固定分光计上的其余可动部分，转动望远镜至左边位置，观察由棱镜的一折射面所反射的狭缝像，使之与竖直叉丝重合，记下望远镜的位置读数 、 。转动望远镜至右边位置，观察由棱镜另一折射面所反射的狭缝像，再使之与竖直叉丝重合，同样记下望远镜的位置读数 、 。望远镜的两位置所对应的游标读数之差为棱镜顶角A的两倍。

18、棱镜顶角A为,重复5次，求出棱镜顶角A。,注意：在测量时，应将三棱镜的折射棱靠近棱镜台的中心放置，否则由棱镜两折射面所反射的光将不能进入望远镜。,四、实验步骤,1、参照上述方法完成分光计测量之前的调节工作；,2、应用自准直法测量棱镜角A。,五、数据记录及处理, 分光计调节补充,1、载物台倾角没调好的表现及调整：,假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，见图1。平面镜面反射光偏上，载物台转180，面反射光偏下，目镜中看到的现象是面反射像在面反射像上方。调整方法是把面像(或面像)向上(向下)调到两像点距离的一半使镜面和的像落在分划板上同一高度。,图1 载物台倾角没调好的表现及调整原理,2

19、、望远镜光轴没调好的表现及调整：,假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，见图2。在图2(a)中，无论平面镜面还是面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十字线的上方。在图2(b)中，镜面反射光都偏下，反射像像落在上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调切螺钉(12)，把像调到上十字线上即可，见图2(c)。,图2 望远镜光轴没调好的表现及调整原理,3、载物台和望远镜光轴都没调好的表现和调整方法： 表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高(但像点没落在上十字线上)，再把像调到上十字线上，见图2(c)。,4、分光计调整要达到什么要求？ 分光计调整要达到三个要

20、求： 望远镜调焦到无穷远； 平行光管出射平行光； 平行光管和望远镜的光轴应与分光计中心轴垂直。,5、怎样判定望远镜适合观察平行光？如何调整？ 从望远镜中能同时清晰看到分划板十字准线和绿色反射像且无视差。对望远镜的目镜和物镜进行调焦，其中物镜调焦用“自准直法”进行。,6、怎样判定望远镜光轴与分光计中心轴垂直？如何调整？ 分别从小镜两反射面反射回来的两反射像，均与分光板的调整用准线（分划板上方的十字叉线）重合。在望远镜能接收平行光的基础上，根据反射定律，应用“各半调节法”进行调整。,7、怎样判定平行光管出射平行光？如何调整？从望远镜里可清晰看到平行光管狭缝的像呈现在分划板上且无视差。望远镜对准平行

21、光管（注意：这一步及后面操作绝对不能动望远镜的仰角调节螺丝以及物镜和目镜的焦距），从望远镜观察平行光管狭缝的像，调节平行光管透镜的焦距，使从望远镜清晰看到狭缝的像（一条明亮的细线）呈现在分划板上为止。这时望远镜接收到的是平行光，也就是说，平行光管出射的是平行光。,8、怎样判定平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直？如何调整？从望远镜看到的狭缝像与分光板上的竖直准线重合，狭缝像转90o后又能与中心水平准线重合。在上一步的基础上，调节平行光管（或望远镜）的水平摆向调节螺丝，使狭缝细线像与十字竖线重合，然后转动狭缝90o，调节平行光管的仰角螺丝，使狭缝细线像与中心水平线重合。这时平行光管光轴与望远镜光轴共线，也就与分光计中心轴垂直。,9、转动望远镜时，如望远镜越过了刻度0点，应按下式计算望远镜转过的角度,10、载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例,