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分光计的调整与折射率的测定
【引言】
分光计是一种精确测量角度、观察光谱的比较精密的光学仪器。可以用来测量棱镜的顶角、最小偏向角等,从而间接地测出棱镜折射率、光波波长、色散率等一些物理量。
分光计装置精密,结构复杂,使用前必须按操作程序进行调整,它的调整方法和操作技能在光学仪器中具有一定的普遍意义,而且它的基本光学结构又是许多光学仪器(如摄谱仪、单色仪、分光光度计等)的基础。因而学习分光计结构原理、调整方法以及一些应用是很有用处的。
【开篇设问】
1.用分光计测量角度前应该调节分光计达到什么要求?
2.测量最小偏向角时,三棱镜在载物台上的位置会是任意的吗?为什么?
3.如果旋转望远镜找不到折射光线,可能是什么原因?
4.对给定的棱镜和单色光,最小偏向角是惟一的还是可以有不同的数值?为什么?
5. 怎样找到三棱镜的最小偏向角?
【实验目的】
1. 了解分光计的结构和工作原理。
掌握分光计的调整方法。
学会用分光计测量玻璃三棱镜的顶角和折射率。
【实验原理】
分光原理与分光计
分光是指把复合光中不同波长或者频率的单色光分开。分光的方法有多种。比如,当光线入射到透明介质中,由于不同波长的光的折射率不同,所以不同波长的光将沿不同方向出射而分开,棱镜分光正是利用了这一现象;又如,复合光在衍射时,不同波长的光的衍射极大出现的角度不同也会使不同波长的光分开,光栅分光就是这个原理。
人为地分光一般是为了测量每一单色成分的波长、折射率、光强等,为了达到准确测量的目的,通常需要在分光的基础上增加一些辅助器件,这些辅助器件包括:使入射光称为平行光的平行光管,放置分光器件的平台,能够灵活转动并能将各单色光汇聚起来进行测量的望远镜,等等。所有这些辅助器件,连同分光装置,便构成了分光计(如图5.6.1-5.6.3所示)。由于分光计的主要部件能够转动,能够测量光线的角度,所以在不分光的情况下也能进行一些测量,比如本实验中用分光计测量玻璃三棱镜对钠黄光的折射率便是如此。
最小偏向角法测三棱镜的折射率
图5.6.4所示为光线通过三棱镜后的偏折情况。图中三角形ABC表示三棱镜的横截面。AB和AC是透光的光学表面,称为折射面,其夹角A称为三棱镜的顶角。BC为毛玻璃面,称为三棱镜的底面。一束单色光线LD经待测三棱镜的两次折射后,沿ER方向射出。入射光线与出射光线的夹角称为偏向角δ,偏向角三棱镜的重要特征量。δ的大小随入射光束在AB面上的入射角il而变。可以证明,当i1=i4,即出射光和入射光相对棱镜对称时,偏向角有极小值。将这一关系代入折射定律,同时考虑一些角度关系,可以得出折射率的如下表达式:
(5.6.1)
因此,只要测出三棱镜顶角A及某种波长的光在三棱镜中的最小偏向角, 就可由式(5.6.1)计算该种物质对该波长的折射率。
【实验仪器】
本实验仪器包括JY型分光计,三棱镜,平面反射镜,钠光灯等。
1.JY型分光计
分光计又称为光学测角仪,主要由底座、阿贝式自准直望远镜、平行光管、载物平台、度盘和游标内盘组成的读数装置等五个部分组成(图5.6.5)。
图5.6.5 分光计外型图
1-平行光管狭缝装置 2-狭缝装置锁紧螺钉 3-平行光管镜筒 4-游标盘制动架 5-载物台6-载物台调平螺钉 7-载物台锁紧螺钉 8-望远镜筒 9-目镜筒锁紧螺钉 10-阿贝式自准直目镜11-目镜视度调节手 内容过长,仅展示头部和尾部部分文字预览,全文请查看图片预览。 过零读数
[附录2 过零读数处理]
测棱角的实验中,若有这样一组数据:
θ左1119°5′ θ右1299°5′
θ左2238.5°25′ θ右258.5°25′
从图5.6.16可以看出右边游标从1位置转到2位置时,中间经过0°(即360°)刻度,的数值可以看成为360°0′+58.5°25′=418.5°25′。那么棱角
因此,用分光计测角度时,如游标转过零刻度,求游标始末位置的差值时,需“小数值数加360°,减去大数值”即为所求。
[附录3 刻度盘读数示例]
图5.6.17 刻度盘读数示例一
图5.6.18 刻度盘读数示例二
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