实验 分光计的调节和使用

图 3 - 12 - 4 平面镜在载物台上的放法
(2) 使望远镜光轴垂直于分光计中心轴。测量中 , 平行光 管和望远镜分别代表入射光和出射光方向。为保证测量精度 , 应使它们的光轴与刻度盘平行。由于在制造仪器时刻度盘已与 分光计中心轴垂直 , 所以只需调节它们的光轴与中心轴垂直就 可以了。 望远镜调好焦后 , 从目镜中能同时看清叉丝和“十”字形 像, 且两者无视差。但“十”字形像一般并不处于小黑“十” 字的对称位置(aa′线)上。其原因可能是望远镜光轴未垂直于
射光, 相同方法读出右侧反射光的方位角 A , B 。 则由图3 12 - 6可以证明顶角为
1 ( A A B B ) 2 4

图 3 - 12 - 6 用反射法测三棱镜顶角
五、 注意事项 (1) 三棱镜要轻拿轻放, 要注意保护光学表面, 不要用手
触摸折射面。
(2) 用反射法测顶角时, 三棱镜顶角应靠近载物台中央放
置(即离平行光管远一些)。否则, 反射光不能进入望远镜。
(3) 计算望远镜转角时, 要注意望远镜转动过程中是否经 过刻度盘零点。如经过零点, 应在相应读数加上 360°后再计 算。
六、 问题讨论 (1) 在载物台上放置三棱镜时, 为什么要使折射面垂直于
图 3 - 12 - 1 分光计的结构
分光计的读数装置由刻度盘和游标盘两部分组成。刻度盘 分为360°,最小分度为半度(30′), 半度以下的角度可借助游标准
确读出。 游标等分为30格, 正好和刻度盘上的29小格对齐, 因
此可知游标上1小格为29′,游标上1小格与刻度盘上1小格两者之 差为1′。从而可推知游标上n小格与刻度盘上n小格相差n′。
图中, ABC表示三棱镜的横截面,AB、AC、BC是三棱镜的三个侧
面。其中 ,AB 、 AC 两个侧面是透光的光学表面 ( 称为折射面 ), 侧面BC是毛玻璃面(称为底面)。三棱镜两折射面的夹角α 称为
顶角。 放置三棱镜时, 顶角要靠近载物台中央, 折射面要与载
物台下调平螺丝的连线垂直。
图 3 - 12 - 5 三棱镜的放法
中心轴, 也可能是平面镜镜面与中心轴不平行, 或者两者兼有。
为使望远镜光轴垂直于中心轴 , 可采用“各半调节法”，调整 的方法如下:
首先,检查平面镜正反两面分别正对望远镜时, 视场中是否 都能找到“十”字形像。(如果找不到或只找到一个,说明粗调 不合格,应进一步调整。)然后,用螺丝9调节望远镜光轴倾斜度 , 使“十”字形像到aa′线的距离减小一半, 再调载物台螺丝G1(或 G3)使两者重合。把载物台转180°,使平面镜的反面正对望远镜, 再次用“各半调节法”同样调节。如此反复调节, 直到平面镜 任一面正对望远镜时 , 视场中的“十”字形像都落在调整叉丝 aa′上时为止。 此时,望远镜光轴就与中心轴垂直了。 调节过程中 , 不必刻板地运用“各半调节法”。若发现正 反两面的反射像纵向位移较大, 则说明平面镜镜面与中心轴明 显不平行, 应侧重调节螺丝G1或G3。如果纵向位移不大,但反射 像都远离aa′线, 则说明望远镜光轴与中心轴明显不垂直,应侧重 调节螺丝9。
但由几何原理可知(见图3 - 12 - 7):
而
1 1 A B , B A 2 2
A B
故
1 1 ( A B ) A A B B 2 2
图 3 - 12 - 7 消除偏心误差原理图
表 3 - 12 - 1 分光计螺丝的代号、名称及功能说明
代号 1 2 3 4 名 称 功 能 平行光管光轴水平调节螺丝 平行光管光轴高低调节螺丝 狭缝宽度调节手轮 狭缝装置固定螺丝 调节平行光管光轴的水平方位（水平面上方位调节） 调节平行光管光轴的倾斜度（铅直面上方位调节） 调节狭缝宽度（0.02～2.00mm） 松开时，调平行光；调好后锁紧，以固定狭缝装置 台面水平调节（本实验中，用来调平面镜和三棱镜折 射面平行于中心轴。 ） 松开时，载物台可单独转动、升降，锁紧后，使载物 台与游标盘固联 松开时，叉丝套筒可自由伸缩、转动（物镜调焦） ；调 好后锁紧，以固定叉丝套筒
2) 调整平行光管 (1) 调整平行光管使之发射平行光。平行光管是由两个可
以相对滑动的套筒组成的,外筒上装有一组消色差透镜, 内筒
外端装有一个宽度可调的狭缝。 调节时,先取下载物台上的平面镜, 点亮汞灯使之正照狭 缝。 然后, 一边调节平行光管上狭缝和透镜的间距, 一边用 调好焦的望远镜对准平行光管观察。当狭缝正好调到透镜焦平
(2) 转动载物台,使三棱镜的一个折射面正对望远镜。 调 节载物台调平螺丝 , 使“十”字形反射像落在调整叉丝 aa′ 上。
转动载物台使另一折射面正对望远镜, 再按上述方法重新调节。
来回反复调节几次, 直到两个折射面都垂直于望远镜光轴为止。 注意: 调节过程中只能调节载物台下的调平螺丝, 不能动 望远镜下的方位调节螺丝。
3. 用反射法测三棱镜顶角 转动载物台,使三棱镜顶角对准平行光管,让平行光管射出 的光束照射在三棱镜的两个折射面上, 如图3-12-6所示。将望 远镜转至Ⅰ处观测左侧反射光 ,调节望远镜微调螺丝 11, 使望 远镜竖直叉丝对准狭缝像中心线。再分别从两个游标读出左侧 反射光的方位角θ A、θ B。然后将望远镜转至Ⅱ处观测右侧反
载物台调平螺丝的连线？
(2) 不用汞灯和平行光管, 利用望远镜自身产生的平行光
来测三棱镜顶角的方法称为自准法。 试用自准法测三棱镜顶
角, 并说明测量原理和方法。 (3) 试利用图3 - 12 - 6, 证明反射法测三棱镜顶角的测量公 式α=φ/2。
附注 双游标消除偏心误差原理
测量时,游标盘、载物台均与分光计整体固联, 而望远镜与 刻度盘固联并绕自身转轴 o转动。 当望远镜(刻度盘)绕o轴转 过一个角度时, 通过安装在游标盘对径上的两个游标分别测得 转角为φA和φB,而相对于分光计中心轴o′来说, 转角为φ。由于o 轴跟o′轴不一定重合, 因此一般情况下, φ≠φA ≠φB 。
实验 分光计的调节和使用
一、 实验目的 (1) 了解分光计的结构, 学习正确调节和使用分光计的方 法。 (2) 用分光计测定三棱镜的顶角。 二、 实验仪器 分光计、平面反射镜、三棱镜、汞灯等。
三、 实验原理 1. 分光计的结构
分光计主要由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四
部分组成 , 其结构如图 3-12-1 所示。平行光管用来发射平行 光,望远镜用来接收平行光, 载物台用来放置三棱镜、平面镜、 光栅等物体, 读数装置用来测量角度。
5
载物台调平螺丝（3 只）
6
载物台固定螺丝
7
叉丝套筒固定螺丝
表 3 - 12 - 1 分光计螺丝的代号、名称及功能说明
8 目镜视度调节手轮 目镜调焦用（调节 8，可使视场中叉丝清晰）
9 10 11 12
望远镜光轴高低调节螺丝 望远镜光轴水平调节螺丝 （在图后侧） 望远镜微调螺丝（在图后侧） 刻度盘与望远镜固联螺丝
图 3 - 12 - 3 阿贝目镜式望远镜的结构和视场
调整望远镜使其达到下面两条要求： (1) 用自准法调节望远镜 , 使之适合于接收平行光。点亮 望远镜侧窗的照明灯将叉丝照亮 , 前后移动目镜使叉丝位于目 镜焦平面上, 此时叉丝能看得很清楚。再按图3-12-4所示位置, 将平面反射镜置于载物台上(镜面朝望远镜)。然后缓慢转动载 物台 , 同时调节叉丝套筒 ( 改变叉丝与物镜间距 ), 在望远镜中 找到由平面镜反射回来进一步细调叉丝套筒, 光斑 逐渐变成清晰的“十”字形像 ( 它是叉丝平面上小黑“十”字 的反射像 ) 。当叉丝位于物镜焦平面上时 , 叉丝发出的光经过 物镜后成为平行光, 平行光经平面镜反射再次通过物镜后仍成 像于叉丝平面。此时 , 从目镜中可同时看清叉丝及其“十”字 形像, 且两者无视差。至此,叉丝既落在目镜焦平面上,又落在 物镜焦平面上, 望远镜已适合于接收平行光。各镜筒间的相对 位置就不应再改变了。
13 14 15
望远镜止动螺丝（在图后侧） 游标盘微调螺丝 游标盘止动螺丝
图 3 - 12 - 2 角游标的读数示例
2. 分光计的调节
概括地说, 分光计的调整要求是: 使平行光管发射平行光; 望远镜适合于接收平行光; 平行光管和望远镜的光轴等高并与 分光计中心轴垂直。 在正式调整前,先目测粗调:使望远镜和平行光管对准, 并 都对准于分光计中心轴 ; 将载物台、望远镜和平行光管大致调 水平(实际要求与分光计中心轴垂直)。这一步很重要, 只有做 好粗调, 才能按下列步骤进一步细调(否则细调难以进行)。 1) 调整望远镜 望远镜是由物镜镜筒、叉丝套筒和目镜镜筒三部分组成的。 叉丝到目镜和物镜的距离皆可调节。常用的阿贝目镜式望远镜 的结构和视场如图3 - 12 - 3所示。
调节望远镜光轴的倾斜度（铅直面上方位调节） 调节望远镜光轴的水平方位（水平面上方位调节） 在锁紧 13 后，调 11 可使望远镜绕中心轴缓慢转动 松开 l2，两者可相对转动；锁紧 12，两者固联，才能 一起转动 松开 13，可用手大幅度转动望远镜；锁紧 13，微调螺 丝 11 才起作用 锁紧 l5 后，调 l4 可使游标盘作小幅度转动 松开 15，游标盘能单独作大幅度转动；锁紧 15，微调 螺丝 14 才起作用
面上时,平行光管就发射平行光。由于望远镜已适合于接收平
行光 , 因此平行光射入望远镜后将在叉丝平面成像。这时， 从望远镜中能看到清晰的与叉丝无视差的狭缝像。
(2) 使平行光管光轴与分光计中心轴垂直。调节螺丝3使狭 缝像宽约1mm,再转动狭缝使狭缝像平行于竖直叉丝。然后调节
平行光管光轴的水平调节螺丝1和高低调节螺丝2, 使狭缝像精
确调到视场中心, 且被十字叉丝等分。至此,平行光管与望远镜 的光轴重合且与分光计中心轴垂直。
四、 实验内容 1. 调整分光计 按分光计的调整要求和调节方法, 正确调节分光计至正常 工作状态。
2. 调整三棱镜 要使三棱镜两折射面与分光计中心轴平行 ( 即与已调好的
望远镜光轴垂直)。
(1) 将三棱镜按如图 3-12-5 所示放法平放在载物台上。