分光仪的调节与使用

5.1 分光仪的调节与使用分光仪（Spectrometer）简介分光仪是一种能精确测量角度的典型光学实验仪器，在利用光的反射、折射、衍射、干涉和偏振原理的各项实验中进行角度测量。

例如：利用光的反射原理测量棱镜的角度；利用光的折射原理测量棱镜的最小偏向角，从而计算棱镜玻璃的折射率和色散率；与光栅配合，作光的衍射实验，测量光波波长；与偏振片、波片配合，作光的偏振实验等。

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．掌握测定棱镜顶角的方法；3．学会用最小偏向角测定棱镜的折射率。

仪器用具分光仪、汞灯、平面反射镜、三棱镜。

仪器介绍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）自准值望远镜（3）平行光管（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游标盘的转轴转动。

（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.狭缝光源图5.1-3 平行光管结构图目镜分划板物镜目镜视场照明灯泡小棱镜图5.1-2 自准值望远镜结构图叉丝线十字窗口游标刻度圆盘由度盘和游标盘组成，度盘最小分度值为00.5，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读数为：09247'。

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。

实验原理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。

1．自准法测量三棱镜的顶角图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，记录两个角游标的读数分别为θI 、θII ；然后使光线垂直入射于AC 面， 测出AC 面的法线位置，两个角游标的读数分别为θI '、θII '。

两法线之间的夹角ϕ为()12ϕθθθθI I II II ''=-+- （5.1-1） 则顶角0180αϕ=- （5.1-2）2．由单色光的最小偏向角测量棱镜折射率一束单色平行光，射入三棱镜的AB 面，经折射后由另一面AC 射出，如图5.1-7所示，入射光和AB 面法线的夹角i 称为入射角，出射光和AC 面法线的夹角i '称为出射角，入射光与出射光的夹角β称为偏向角。

如果转动三棱镜，使入射角i 等于出射角i '，根据折射定律可知，折射角γγ'=，与此相应的入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角，以min β表示，棱镜的折射率n 与顶角α，最小偏向角min β有如下关系式()min 1sin 2sin 2n βαα+=5.1-3由分光仪测定顶角α和最小偏向角min β，即可由上式算出三棱镜对该种光线的折射率n 。

折射率是光波波长的函数，非单色光源（例如汞灯）发出的光，经过三棱镜折射后，其中各单色光成分（光谱线）会有不同C 图5.1-6NAC图5.1-7的偏向角，可以分别测量棱镜对不同波长的光的折射率。

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）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。

（2）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。

3．调整望远镜光轴与分光仪的转轴相垂直平面镜仍竖直置于载物台上，如果望远镜光轴与平面镜镜面垂直，则反射回来的亮十字像与分划板中上叉丝线交叉点完全重合，将载物台旋转180°（因而平面镜也随着转过180°）之后，如果亮十字像与上叉丝线交叉点仍然完全重合，则说明望远镜光轴与分光仪的中心轴垂直。

（1）首先转动载物台使平面镜的一个面对准望远镜，从望远镜中找到由平面镜反射的十字像，然后再转动载物台使镜面转过180°，从望远镜中再一次看到由另一面反射的十字像（此时不用考虑十字像与上叉丝线交叉点是否重合）。

（2）用逐次逼近各半调整法，仔细调节每一个反射十字像的位置。

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，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，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，使上叉丝线与亮十字像重合。

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重合为止。

4．调整平行光管：使平行光管发出平行光、平行光管的光轴与中心轴垂直。

用前面已调好的望远镜（适合于平行光、光轴与中心轴垂直）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，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，放松“狭缝筒锁紧螺丝”，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）狭缝像呈水平状态，调节“平行光管光轴倾斜调节螺丝”，使水平狭缝像被分划板的中央叉丝线上下平分，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，并需保持狭缝像最清晰而且无视差。

二．用自准法测量三棱镜的顶角1.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来进行。

2．测量顶角α转动载物台使AC 面垂直于望远镜的光轴，由两个角游标读出望远镜的位置θI 、θII ，即为AC 面的法线位置；转动载物台使AB 面垂直于望远镜的光轴，由两个角游标读出望远镜的位置θI '、θII '，即为AB 面的法线位置。

重复测量三次，计算顶角a 的平均值。

列表记录测量数据。

三．测量低压汞灯中各单色光的最小偏向角及棱镜折射率（选做内容） 1．调节狭缝宽度，使光谱线细而清晰地成像在望远镜的分划板平面上。

2．认定一种单色普线，使谱线向入射光方向靠拢，即减小偏向角β，继续转动载物台，并转动望远镜跟踪该谱线，直至棱镜继续沿着同方向转动时谱线逆转，此转折点即为相应于该谱线的最小偏向角位置。

3．通过望远镜观察所认定的那条单色谱线，并细心地重新观察载物台转动时的该谱线移动情形（注意：此时望远镜视场中叉丝线的竖线应能始终跟踪该谱线），使该单色谱线刚好在望远镜视场的垂直线处发生逆转（望远镜所在方位即是该单色谱线的最小偏向角位置）。

4．分别读出此时两游标上的相应读数θI 、θII 。

5．依次测出汞灯光谱中黄色、绿色、紫色三种单色谱线的最小偏向角的方位角读数。

6．移去三棱镜，将望远镜对准平行光管狭缝中点，读出两游标的相应读数θI '、θII '。

7．按()min 12βθθθθII II I I ''=-+-，计算最小偏向角βmin ，重复测量三次，算出βmin 平均值。

８．列表记录所有的测量数据，将测出的顶角a 和最小偏向角βmin 代人式（５.１-３），求出各单色光的折射率。

并分析棱镜折射率随波长变化的规律。

注意事项１．望远镜、平行光管上的镜头、三棱镜、平面镜的镜面不能用手摸、擦。

严防三棱镜、平面镜磕碰或跌落。

２．分光仪为精密仪器，各活动部分均应小心操作，应当轻轻推动可移动部件（例如望远镜、游标盘），而无法转动时，切记不可强制其转动，应分析原因后再进行适当调节。

３．调节狭缝宽度时，千万不能使其闭拢，以免使狭缝受到严重损坏。

４．在公式（5.1-1）中θθII II '-与θθI I '-是法线之间的夹角，在测量法线位置时，游标可能会越过刻度零点，如果，游标越过刻度零点，法线之间的夹角应等于0180θθ--思考题１．用自准法调节望远镜时，如何判断分划板平面与物镜焦平面严格共面？ ２．已调好望远镜光轴与仪器转轴垂直后，载物台的倾斜状况能否再改变？３．测顶角时，若载物台、刻度盘和三棱镜整体发生了转动，对测量结果有无影响？ ４．调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴时可能看到两类现象： （１）由平面镜两个面反射的亮十字像都在上叉丝线的上方； （２）由平面镜两个面反射的亮十字像，一个在上，一个在下。

分析说明这两种情况主要是由望远镜还是载物台的倾斜而引起的？怎样调节能迅速使两个面反射像的水平线都和上叉丝线重合？。