分光仪的调节和使用

狭缝像
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否则将破坏分光仪的工作条件，须重新调节。 二．用自准法测量三棱镜的顶角 为确定三棱镜的两个光学面的法线位置，应调整三棱镜的两个光学（AC、AB）面的仰 俯角度，使两个光学面同时与分光仪的中心轴平行。调整方法根据自准原理，用已调整好 的望远镜进行调整。调整方法如下： 1．调节载物台下的三个调节螺丝，使载物台面大致水平。 2．为了便于调节，三棱镜应按图 5.1-12 所示的位置放置在载物台上，使载物台下的 三个调节螺丝的连线与三棱镜的三个侧面垂直。如果调整 AB 面的仰俯角度，则可调节 a2 或 a1（a1 a2 的连线与 AB 面垂直） ；如果调整 AC 面的仰俯角度，则可调节 a3 或 a1（a1 a3 的 连线与 AC 面垂直） 。
会聚透镜 光源
狭缝
图5.1-3 平行光管结构图
平行光管的结构如图 5.1-3 所示，它是由一个宽度和位置均可调节的狭缝和一个会聚 透镜组成。松开“狭缝筒锁紧螺钉” ，可以移动狭缝筒，改变狭缝到会聚透镜之间的距离。 当狭缝位于透镜的焦平面上时，凡是从狭缝进入平行光管的光线，通过透镜射出后都成为 平行光束。 （4）载物台 载物台可绕仪器转轴转动，它是为放置棱镜、光栅等被测光学元件而设置的，台下有 三个调节螺丝，可调节载物台的倾斜度。松开 “游标盘止动螺丝” 、锁紧“载物台锁紧螺 丝” ，载物台可以和游标盘一起绕分光仪的转轴转动。 （5）游标刻度圆盘 游标刻度圆盘与分光仪的中心转轴垂直（分光仪出厂时已调整好） 。 由于刻度圆盘的中 心与中心转轴的中心制作时不能完全重合，因此在读数时会产生偏心差，如图 5.1-4 所示， 中心转轴的中心为 o ，刻度圆盘的中心为 o ，当两中心重合时，由相差1800 的两个角游标 （游标 、游标 ）读出的转角刻度值相等 A B A B ；如果 o 与 o 不重合，则两个角 游标读出的转角刻度值不相等 C D C D 。但是，由几何关系可知
A B A B
2
1 C D C D 2
所以在转轴直径位置上设置两个角游标，测量某一转角 时，两个角游标同时测出转过的 角度为 和 ，则
1 ，这样可以消除仪器的偏心差。 2
C
A
B
D
o
o
A C D B
图 5.1-5 图 5.1-4
游标刻度圆盘由度盘和游标盘组成，度盘最小分度值为 30 ，游标盘最小分度值为1 ， 读数方法与游标卡尺的读数方法相同（度盘上的刻度值+游标上的刻度值） 。如图 5.1-5 读 0 数为： 92 47 。 2．分光仪的调整 为了准确测量角度，应调整分光仪达到下列状态： （1）望远镜聚集于无穷远，或称适合于观察平行光。 （2）平行光管射出的光是平行光， 即狭缝口的位置正好处于平行光管会聚透镜的焦平 面处。 （3）望远镜和平行光管的主光轴一定要与分光仪中心转轴相互垂直。 二.自准法测量棱镜的顶角 三棱镜是实验室中重要的分光元件，至少有两个透光的光学表面，称为折射面，其夹 角称为三棱镜的顶角。 图 5.1-6 为自准法测量三棱镜顶角的示意图，用已 调整好的分光仪,使望远镜中的亮十字发出的光线垂直 入射于 AB 面，测出 AB 面的法线位置 OM，记录两个角游 标的读数分别为 、 ；然后使光线垂直入射于 AC 面， 测出 AC 面的法线位置 ON， 两个角游标的读数分别为 、 。 由 两 个 角 游 标 分 别 测 得 法 线 夹 角 和 ，则两法线之间的夹角 为
5.1 分光仪的调节和使用
实验目的
1．了解分光仪的结构及各组成部件的作用，掌握分光仪的调节和使用方法； 2．掌握自准法测量棱镜顶角的方法。
仪器用具
分光仪、汞灯、平面反射镜、三棱镜。
实验原理
一.仪器介绍 分光仪是用来测量角度的仪器，常用来测量折射率、光波波长、色散率、观测光谱等。 1．分光仪的结构 分光仪外型如图 5.1-1 所示，它主要由望远镜（自准直望远镜） ，平行光管，载物台， 游标刻度圆盘等几部分组成。 （1）分光仪底座中心处有一沿铅直方向的转轴，称为分光仪的中心转轴。在转轴上套 有游标刻度圆盘（包括度盘和游标盘） ，两个盘可绕中心转轴转动。 （2）自准直望远镜 自准直望远镜的结构如图 5.1-2 所示，它由目镜、分划板和物镜等组成。分划板上刻 有叉丝线（两条水平线、一条垂直线） ，在下方紧贴一块 45°全反射小棱镜，其表面涂有 不透明薄膜，薄膜上刻有一个空心的十字窗口，照明灯光从管侧射入后，可在目镜视场中
（d）平面镜与中心轴平行，望远镜与中心 轴有微小角度，十字像偏低，此时转动载物 台，使镜面转过180°前后两次十字像高度不 变。如果仰角太大，则看不到十字像。
图5.1-10
4．调整平行光管：使平行光管发出平行光、平行光管的光轴与仪器中心轴垂直。用前面已 调好的望远镜（适合于平行光、光轴与仪器中心轴垂直）为标准调节平行光管。 （1）调整平行光管产生平行光。取下载物台上的平面镜。用汞灯照亮狭缝，转动望远 镜，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，放松“狭缝筒锁紧螺钉” ，移动狭缝筒，改变 狭缝到会聚透镜之间的距离，直到看见清晰的 狭缝像，并与分划板上的叉丝线无视差。此时 狭缝处于透镜的焦平面上（为什么？） ，平行 光管产生平行光。 （2）调整平行光管的光轴与分光仪中心 轴相垂直。 看到清晰的狭缝像后， 转动狭缝 （但 前后不能移动，保持狭缝像清晰）狭缝像呈水 平状态，调节“平行光管光轴倾斜调节螺丝” ， （a） （b） 使水平狭缝像与中央叉丝线重合， 如图 5.1-11 图5.1-11 （a）所示，这时平行光管的光轴已与望远镜 的光轴在同一平面内，并与分光仪的中心轴垂直。再把狭缝转至铅直位置，转动望远镜使 狭缝像与垂直叉丝线重合，并需保持狭缝像最清晰而且无视差，如图 5.1-11（b）所示。 至此，分光仪已全部调整好，使用时必须注意分光仪上的各个调节螺丝不能任意转动，
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（a）望远镜光轴与中心轴垂直，平面镜与 中心轴有微小角度，十字像偏低，如果仰 角太大，则看不到十字像。
（b）望远镜光轴与中心轴垂直，平面镜与 中心轴有微小角度，十字像偏高，如果仰 角太大，则看不到十字像。
（c）平面镜与中心轴平行，望远镜与中心 轴有微小角度，十字像偏高。此时转动载物 台，使镜面转过180°前后两次十字像高度不 变。如果仰角太大，则看不到十字像
h
h/2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ（a）
（b） 图5.1-9
（c）
（2）用逐次逼近各半调整法调整望远镜的光轴。先用望远镜找到一个反射十字像，当 十字像与上叉丝线交叉点不重合时（如图 5.1-9（a）所示） ，此时调节“望远镜光轴倾斜 调节螺丝”使十字像与上叉丝线交叉点之间的距离减小二分之一（如图 5.1-9（b）所示） ， 再调节载物台下面的水平调节螺丝（a1 或 a2）消除另一半距离，使上叉丝线的交叉点与亮 十字像重合（如图 5.1-9（c）所示） 。再将载物台旋转 180°，使望远镜对准平面镜的另一 面，采用同样的方法调节，如此重复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两个面反射 回来的亮十字像都能与分划板的上叉丝线的交叉点重合为止。这时望远镜的光轴和分光仪 的中心轴相垂直，常称这种方法为逐次逼近各半调整法。 此时望远镜的光轴已调整完毕，不要再动望远镜的光轴调节螺丝。 如果从望远镜中看不到反射的十字像（只看到一面或两个面都看不到） ，应注意（1） 粗调（望远镜筒、载物台面大致水平） ， （2）平面镜对准望远镜，左右缓缓转动镜面，注意 观察视场变化，同时需要认真分析，不可盲目乱调。图 5.1-10 列出望远镜光轴与平面镜处 于不同方位时的几种情况，请根据具体情况，确定调节措施。
B
C
o

M

N
A
图5.1-6
则顶角

1 2


（5.1-1）
1800
（5.1-2）
3
实验内容与步骤
一．分光仪的调整 1．目测粗调 目测粗调“望远镜光轴倾斜调节螺丝” 、 “载物台调平螺丝” 、 “平行光管光轴倾斜调节 螺丝”分别使望远镜筒、载物台面、平行光管镜筒均大致处于水平状态，并与仪器中心转 轴基本垂直。 2．用自准法调整望远镜聚焦于无穷远 （1）接通分光仪电源，在目镜视场中可看到分划板上的叉丝线和被照亮的十字窗口， 旋转 “目镜视度调节螺母” ，改变目镜到分划板之间的距离（目镜对分划板调焦） ，直到分 划板上的叉丝线和十字窗口成像清晰为止。
1
可看到叉丝线及十字窗口（如图 5.1-2 目镜视场） 。上叉丝线的交叉点与十字窗口的十字交 叉点以中间的水平叉丝线上下对称。
目镜视场
叉丝线
物镜 分划板
十字窗口
目镜 小棱镜 照明灯泡
图5.1-2 自准直望远镜结构图
松开“目镜筒锁紧螺钉” ，可以移动目镜筒（目镜与分划板） ，改变分划板到物镜之间 的距离。转动“目镜视度调节螺母”可改变目镜到分划板之间的距离。望远镜光轴倾斜调 节螺丝可改变望远镜光轴的倾斜角度。 （3）平行光管
a1 a3 a2
图5.1-8
平面镜
平面镜在载物台上的位置
（2）将平面镜按图 5.1-8 所示放置在载物台上。这样放置的原因是，若要调节平面镜 的仰俯，只需调节载物台下的螺丝 a1 或 a2 即可，而螺丝 a3 的调节只能使镜面发生转动，不 能改变平面镜的仰俯角度。 （3）转动载物台使平面镜与望远镜大致垂直，然后左右缓缓转动载物台，从望远镜中 找到由平面镜反射回来的十字像（由十字窗口中亮十字发出的光经望远镜的物镜射出，然 后再经平面镜反射回望远镜中所成的像） ， 如果看到的十字像不清晰，应放松目镜筒锁紧螺 钉，移动目镜筒，改变分划板到物镜之间的距离，直到十字像成像最清晰，并且十字像与 叉丝线无视差（参看附录） 。 如有视差，首先检查叉丝线是否清晰，叉丝线不清晰应反复调节目镜视度调节螺母使 其成像清晰；然后再检查反射回来的十字像是否清晰，十字像不清晰应反复调分划板到物 镜之间的距离使其呈像清晰，直至消除视差。即能看清分划板上的叉丝线，又能看清反射 回来的十字像。此时分划板恰好处在物镜的焦平面上，因此处在分划板上的发光十字通过 物镜发出来的光是平行光，经过平面镜反射仍然是平行光，这束平行光通过物镜将聚焦于 分划板上。在目镜中看到平行光所成的像是清晰的，即望远镜可以观察平行光，或者说望 远镜已聚焦无穷远，这种方法称为自准直法。 如果在目镜视场中看不到反射回来的亮十字像， 应如何调节？此时首先检查粗调情况， 然后应轻缓地转动载物台，眼睛直接沿望远镜外侧面向平面镜内观察，可在平面镜内看到 亮反射十字像（望远镜、平面镜、眼睛三者处在什么样的相对位置时才有可能看到反射回