實驗四

　分光計得調整及光柵常數得測定 分光計作為基本得光學儀器之一,它就是精確測定光線偏轉角得儀器,也稱之為測角儀。光學中很多基本量(如反射角、折射角、衍射角等)都可以由它直接測量。因此，可以應用它測定物質得有關常數(如折射率、光柵常數、光波波長等),或研究物質得光學特性(如光譜分析)。應用分光計必須經過一系列仔細得調整，才能得到準確得結果。因此,在學習使用過程中,要做到嚴謹、細致,才能正確掌握。

　【實驗目得】

　１。了解分光計構造得基本原理。

　2．學習分光計得調整技術,掌握分光計得正確使用方法. ３。利用分光計測定光柵常數。

　【實驗原理】

　1．分光計 光線入射到光學元件上,由于反射或折射等作用,使光線產生偏離，分光計就就是用來測量入射光與出射光之間偏離角度得一種儀器。要測定此角，必須滿足兩個條件: ⑴ 入射光與出射光均為平行光； ⑵ 入射光、出射光以及反射面或折射面得法線都與分光計得刻度盤平行. 為此,分光計上裝有能造成平行光得平行光管、觀察平行光得望遠鏡及放置光學元件得載物臺,它們都裝有調節水平得螺釘。為了讀出測量時望遠鏡轉過得角度,配有與望遠鏡連接在一起得刻度盤，如圖4—1所示。各部分別介紹如下：

　⑴ 讀數裝置。在底座１9得中央固定一中心軸,度盤２２與游標盤21套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉;度盤下端有軸承支撐,使旋轉輕便靈活;度盤上得刻線把360°圓周角分成720等份，每份為30′。同一直徑方向兩端各有一個游標讀數裝置,測量時,對望遠鏡得兩個位置中每一位置都讀出兩個數值,然后對同側得差值讀數取平均值,這樣可以消除因偏心引起得誤差（見本實驗參考資料)。

　⑵ 平行光管。立柱2３固定在底座上，平行光管３安裝在立柱上,平行光管得光軸位置可以通過立柱上得調節螺釘26、２7分別進行左右、水平微調,平行光管有一狹縫裝置1。旋松螺釘２,轉動裝有狹縫得內套筒使狹縫成嚴格得垂直狀，前后移動內套筒,使狹縫嚴格地處在透鏡焦平面上,則平行光管發出狹縫平行光。

　狹縫得寬度可在0、02～2、0０mm內由螺釘28調節，一般在教師指導下調節.

　 圖４-２

　望遠鏡結構

　圖4—3

　分劃板視場 ⑶ 望遠鏡。阿貝自準直望遠鏡8安裝在支臂１４上,支臂與轉座20固定在一起并套在度盤上。當松開制動螺釘16時，轉座與度盤可以相對轉動，當旋緊此制動螺釘,轉座與度盤一起旋轉.旋緊制動架18與底座上得制動螺釘17時，借助于此制動架末端上得調節螺釘１５可以對望遠鏡進行左右轉動微調.望遠鏡得光軸位置,可以通過螺釘12、1３分別進行水平、左右微調. 阿貝自準直望遠鏡內部結構如圖12—２所示，從目鏡所見分劃板視場如圖4—3.旋目鏡調焦手輪11，使目鏡中能十分清晰地瞧到分劃板上得分劃線.旋松螺釘9，轉動目鏡組１0使分劃線成水平狀。前后移動目鏡組，使分劃板處在物鏡得焦平面上,則亮十字經物鏡發出得光為平行光，當它被反射回望遠鏡時，將在分劃板上成清晰得亮十字像,且與實物亮十字無視差。

　⑷ 載物臺。載物臺5套在游標盤上,可繞中心軸旋轉，旋緊載物臺鎖緊螺釘7與制動架4與游標盤得制動螺釘２5時,借助于立柱２３得調節螺釘24可以對載物臺進行微調。放松載物臺鎖緊螺釘時,載物臺可根據需要升高或降低。調到所需位置后,再把鎖緊螺釘鎖緊.載物臺有三只調平螺釘6,可用來調節載物臺面,使之與旋轉主軸垂直。

　⑸ 照明.外接6、3V電源，插頭插圖 圖 4-1

　JJY 型 型 1´ 分光計

　圖 圖 4-4

　衍射光柵

　分劃線 十字叉絲

　在底座得插座上，經導電環通到轉座得插座上,望遠鏡系統得照明器插頭與之相接,這樣可以避免望遠鏡系統旋轉時電線拖動。

　２。光柵 光柵就是由許多等寬度a（透光部分）、等間距b(不透光部分)得平行縫組成得一種分光元件。當波長為λ得單色光垂直照射在光柵面上時，則透過各狹縫得光線因衍射將向各方向傳播，經透鏡會聚后相互干涉,并在透鏡焦平面上形成一系列間距不同得明條紋。根據夫瑯與費衍射理論,衍射光譜中明條紋得位置由下式決定：

　(a+ｂ）sinφ k =kλ（k=0,±1,±2,…）

　 (4-1) 式中a+ｂ =d稱為光柵常數，k為光譜級數，φ k 為第k級譜線得衍射角。見圖4—4，k=０對應于φ=0，稱為中央明條紋,其它級數得譜線對稱分布在零級譜線得兩側。

　如果入射光不就是單色光,則由式(4-1）可知，λ不同,φ k 也各不相同，于就是將復色光分解。而在中央k＝ 0,φ k =0處，各色光仍然重疊在一起，組成中央明條紋。在中央明條紋兩側對稱地分布k=1，２,…級光譜線,各級譜線都按波長由小到大，依次排列成一組彩色譜線,如圖４—5所示。

　根據式（４-1)，如能測出各種波長譜線得衍射角φ k ，則從已知波長λ得大小，可以算出光柵常數d；反之,已知光柵常數d,則可以算出波長λ． 【實驗儀器】

　 分光計,鈉光燈，雙平面鏡，光柵。

　【注意事項】

　1.移動望遠鏡時，只能推動立柱1４,不允許搬動鏡筒及目鏡。

　2。取放雙面鏡及光柵時只能拿邊緣，不許觸摸表面，且嚴防失手摔碎;不許擦拭光柵. ３.狹縫寬度要在教師指導下緩慢調節。

　【實驗步驟】

　1。首先,檢查儀器及用具就是否齊全、完好,然后將鈉燈電源插頭插于墻上,打開鈉光燈預熱。打開6V變壓器開關。

　2。目鏡得調焦:轉動接目鏡調焦手輪11直至視場中分劃線清晰。

　３。望遠鏡調焦:取出雙平面鏡,扣在望遠鏡８得前端,即使平面鏡平面與望遠鏡光軸垂直.從目鏡中觀察,可以瞧到一亮斑，旋松螺釘9,前后微動目鏡組,對望遠鏡進行調焦,使亮斑成為清晰得十字像,旋緊螺釘9。

　圖 圖 4-5

　光柵衍射譜

　4。調整望遠鏡光軸、載物臺平面垂直于旋轉主軸:① 粗調:調節載物臺a、b、c三只螺釘使兩圓盤夾縫處螺釘螺紋數大致相等（６個螺紋數最佳）;調節目鏡下方螺釘12使望遠鏡大致水平。②細調：把雙平面鏡按圖１２——６所示方位放置于載物臺上，左手使灰臺板左右小角度轉動,使平面鏡平面與望遠鏡光軸有橫向垂直機會，眼瞧目鏡,同時用右手調節望遠鏡水平調節螺釘1２(尋找縱向垂直機會)至視場中出現亮十字像,并調１2使十字像處于圖4—3所示位置（實際操作中可簡化為十字像橫與分劃線重與)．轉動灰臺板使雙平面鏡轉到反面，用手小角度左右轉動,尋找反面垂直機會,若無十字像出現,立即把平面鏡轉回正面。觀察望遠鏡狀態,瞧目鏡一端就是向上還就是向下傾斜？ 判斷后,調節螺釘12校正望遠鏡水平,此時，視場中十字像偏離了分劃線（注意:上—--—不可出視場;下－—-—不過橫叉絲)，調節載物臺螺釘a,使亮十字像回到分劃線,經過一次或多次判斷、調節，反面視場中定會瞧到十字像。但此時反面十字像橫與分劃線不重與。調節螺釘12使十字像向分劃線趨近一半,再調節載物臺螺釘b使二者重合（以下稱‘一半一半’法);轉回正面，十字像橫與分劃線又不重與了,調螺釘12使十字像向分劃線趨近一半，再調節螺釘a使二者重合。這樣反復多次‘一半一半’地調節,就會使得兩面得十字像橫均與分劃線重合，望遠鏡光軸與旋轉主軸垂直了,但此時載物臺平面不一定與旋轉主軸垂直,這就是由于兩條直線確定一個平面.以上僅調了一條直線,即ａ、b螺釘頂端所在得直線。這時可把雙面鏡按圖4-—7所示放置，調節螺釘ｃ(此時不能再動螺釘ａ、b、12）使雙面鏡正面對應十字像橫與分劃線重合,這時載物臺平面與旋轉主軸垂直了。

　圖4-6

　雙面鏡初放置

　 圖4—７

　雙面鏡轉置 5。調節分劃板成水平與豎直

　當載物臺連同雙平面鏡相對望遠鏡旋轉時觀察，如果分劃線與亮十字得移動方向不平行,就要轉動目鏡組,使亮十字得移動方向與分劃線平行.注意，此時不可破壞望遠鏡得調焦，然后將目鏡得鎖緊螺釘旋緊。

　6.平行光管得調焦

　首先關掉望遠鏡目鏡照明器上得光源,拿走載物臺上得雙平面鏡。打開狹縫28,用漫反射光照明狹縫,前后移動狹縫裝置1,使狹縫清晰地成像在望遠鏡分劃板平面上。然后把平行光管光軸左右調整螺釘26調到適中位置,并調節望遠鏡光軸左右調 整螺釘１３與平行光管水平調整螺釘27，使狹縫位于視場中心。最后，旋轉狹縫裝置,使狹縫與目鏡分劃板得叉絲豎線平行,注意不要破壞平行光管得調焦,然后將狹縫裝置鎖緊螺釘旋緊。

　表4－1 次數 目鏡豎絲位置 左端刻度盤讀數 右端刻度盤讀數 φ １

　1 左一級 θ 1 θ 2

　 右一級 θ 1 ´ θ 2 ´ ２ 左一級

　右一級

　 3 左一級

　右一級

　 ７。用鈉黃光(λ=589、3ｎm）測衍射角:將平行光管正對鈉光燈,并將光柵放在載物臺上使其與平行光管光軸垂直，觀察其零級及一級衍射條紋,可以瞧到一級衍射條紋就是兩條靠得很近得譜線(589、0nm與589、６ｎm）,λ=58９、3nm就是它們得波長得平均值。分別測定左一級、右一級衍射條紋左、右兩端刻度盤得讀數,重復測量三次,并記錄在表4-1中。

　圖 12—8

　角游標讀數練習

　圖１2-９

　偏心差原理 如此，得本光柵對鈉黃光得一級衍射角為

　(４－２) 求得此光柵衍射得一級衍射角得三次測量得平均值,取ΔB=１′＝度，求測量結果得不確定度Δφ 1 ，并由求得光柵常數，由Δφ 1 利用不確定度傳遞公式

　 (4—3) 求得Δd,則光柵常數ｄ=±Δd。

　*注意Δφ要化為弧度。

　【思考題】

　１、應用分光計進行測量之前,應調節到何種狀態? 2、調節分光計得基本步驟就是什么？ 3、按游標原理,讀出圖4-8中得角度數。

　參考資料

　消除偏心差得原理 由于刻度盤中心與游標盤中心并不一定重合，真正轉過得角度同讀出得角度之間會稍有差別，這個差別叫“偏心差”。

　如圖4-9所示，O與O′分別為刻度盤與游標盤得中心,游標盤轉過得角度為φ,但讀出得角度,在兩個游標上分別為φ １ 與φ 2 。

　由幾何原理可知: ，

　又因為

　故

　所以實驗時,取兩個游標讀出得角度數值得平均值。

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