《分光计调节和使用光栅常量测定.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分光计调节和使用光栅常量测定.docx（16页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、大学物理实验报告（分光计的调节和使用）、实验目的:1. 了解分光计的基本结构和原理;2.掌握分光计的调整要求和调整方法;3.4.用调整好的分光计测三棱镜的顶角;5.观察光栅衍射现象，理解光栅衍射基本规律;调整分光计，使其达到最佳工作状态，可进行精密测量;学会用分光计测光栅常数。二、实验原理：分光计的调节和使用3-7-1 所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。型分光计如图示。1.代-二箕 2. 上垃式诅景口 L 3 ； 1 -九 L-;.二：, 6. |台,!三'；| P. ；1.；式出漉理口使8,挟稣或屯菱灯友M丸
2、平行it住先转局低值牌仃10.夫将轴水平调节像行11,未麻疝止动每灯】L芾位筐。4同累物什峰/姓4门1!II. ITS 15.16. i-S盘it动辟-17,底曜1上 型运能UR的19,城立小止动事灯 施.边静彼弟蛆打21,空运二 光水中口阳11舒22,里/就川轴济怔旧廿却打23.白盥，度明打手轮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 o狭缝宽度可调（范围 0.022）,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
3、平面上时，由狭缝经过透镜出射 的光为平行光。HI 3-T 平行先詈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弁套装在度盘 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“ 牛”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
4、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“牛”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“ 牛”形叉丝的上横线上，如图3-7-3中的视场。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1800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
5、的最小分度值为1',图3-7-4所示的位置应读作113045'。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a所对应游标数P/ O和均不等于重合时转过 a角所对应正确读数，但根据平面几何知识很容易证明:,采用双游标可使偏心差得以消除。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。设透射光栅的缝宽为a,不透光部分宽度为b,称为光栅常数。当单色平行光垂直入射到衍射光栅上
6、，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；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下图。在式（3-7-1 ）中，入为单色光波长，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do同样,若d已知，即可求得入射光波长。三、实验仪器:分光计（型）、三棱镜、准直镜、平
7、面透射光栅、汞灯、四、实验内容和步骤：在进行分光计的调节前，首先应明确对分光计的调节要求：望远镜适合观 察平行光，或称望远镜聚焦于无穷远；平行光管能发射平行光；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“牛”形叉丝像。(2)接
8、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。(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，弁且与分划板“牛”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。2 .调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴转动载物台1800 ,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1800均能在望远镜中看到经平面镜正、反两
9、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“ 牛”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”字像弁不重合，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“丰 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。3 .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90
10、o ,调平台调平螺钉 al使平面镜反射的绿“十”字像与“牛”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，弁且与叉丝无视差，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 1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
11、分。止匕时, 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。光栅常数的测定(1)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“丰 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 al,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（本实验中测量左右k级条纹的夹角即2）,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
12、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、第一级明纹读数以及右边一、二、三级明纹读数纹都以对准左边缘(或右边缘)时读数。(6)重复步骤5,逐次测量各级条纹位置共 5次，记录所有数据。3.15 10 6五、实验数据与处理:光栅常量d 3.15 106m衍射光谱级次-11-22左侧衍射光角坐标左135o32/155o30/125o40/165041 /左侧衍射光角坐标右315o34/335o35,305o49
13、/345047/2位 1 -左i -左i2 k右-右i右i19o58 /19o59 /20001/19o58/2 2 k左2 k右k219o585/19o595/2 k k29o593/9o598,k已知绿线波长上5 4 6 . 1 n m有公式d sindksin代入数据得d六、误差分析：1 .测量前的仪器未调精准，载物台与中心轴还未垂直2 .读数上的误差，角游标盘上的刻度过于相近，难以正确分辨3 .光栅可能还未完全垂直于平行光管和望远镜4 .实验仪器本身的精度七、思考题：1 .分光计主要由平行光管，望远镜，读数装置和载物台组成，平行光管：提供平行入射光载物台：放置光学元件望远镜：观察和确定
14、光速的行进方向读数装置：测量望远镜转动的角度2 .当圆盘刻度盘中心o与转轴重合时，由相差 180°的两个游标读数的转角度 数值相等。而当圆盘刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值就不相等，此时读出的数据所产生的误差就是偏心差。由几何图形很容易证明1/2('D' ) ' B',所以可消除偏心误差3 .应用公式。=± k入测量时，应保证。是左右两侧同种颜色同一级的测量角度 的差值的1/2 ;先向左找到第一根有色线记录下刻度后，向右找到第一根与左侧同色的光线记录下刻度；重复相应次数后，向左越过第一根有色线寻找第二跟不同于第一根颜色的线记录下刻度后，转向右侧在同样的额位置找到相同颜色的光线弁记录下刻度;一次类推就不会将第一级的光线与第二级的光线混淆；4 .钠有两条靠的很近谱线 589.0和589.6.是黄光