大学物理实验分光计

【实验简介】

分光计是一种精确测量角度的典型光学仪器，常用来测量光学材料的折射率、光波波长、光学元件的色散率及观测光源的光谱等。分光计的调节思想、方法与技巧，在光学仪器中有一定的代表性，学会对它的调节和使用，有助于操作更复杂的光学仪器。 【实验目的】

1．了解分光计的结构和工作原理。

2．掌握分光计的调节要求和调节方法。 3．学会用分光计测量玻璃三棱镜的折射率。 【预习思考题】

1．分光计在测量角度之前应处于什么状态？为什么要处于该状态？

2．自准直法调节望远镜接受平行光的主要步骤是什么？判断望远镜已调节到可以接受平行光的标准是什么？

3．利用双面镜调节望远镜光轴与中心轴垂直时，为什么要转动载物台1800使双面镜两个面反射的十字像均与分划板上方叉丝重合？只调一面行吗？

4．如何调节和判断平行光管出射平行光、平行光管的光轴与中心轴垂直？ 【实验仪器】

分光计、汞灯、双面反射镜、三棱镜。 【实验原理】

1．分光计的结构

分光计由望远镜、平行光管、载物台、读数装置和三角底座五部分组成。图3.17.1是它的全貌。

1.狭缝装置 2.狭缝套筒锁紧螺钉 3.平行光管 4.载物台 5.载物台调平螺钉 6.载物台锁紧螺钉 7.望远镜 8.分划板套筒锁紧螺钉 9.自准目镜 10.目镜视度调节手轮 11.望远镜光轴俯仰调节螺钉 12.望远镜光轴水平方向调节螺钉 13.望远镜微调螺钉 14.刻度盘与望远镜固连螺钉 15.望远镜止动螺钉（在背面） 16.刻度盘 17.游标盘 18.游标盘微调螺钉 19.游标盘止动螺钉 20.平行光管光轴水平方向调节螺钉 21.平行光管光轴俯仰调节螺钉 22.狭缝宽度调节手轮

图 3.17.1 1.1三角底座

三角底座中心有竖轴，称为分光计的中心轴。轴上装有可绕中心轴转动的望远镜和载物台。

1.2平行光管

平行光管的作用是产生平行光。平行光管由物镜和狭缝装置组成。松开螺钉2，可前后移动狭缝装置，使狭缝位于物镜的焦平面上，则平行光管产生平行光。调节手轮22可改变狭缝的宽度。调节平行光管俯仰螺钉21，可使平行光管光轴水平。

1.3望远镜

望远镜的作用是确定光线传播的方向。它由目镜、分划板和物镜组成，如图3.17.2，它们分别装在三个套筒中，彼此可以相对移动。

分划板上刻有

0形分化线，下方小棱镜的直角面上有一个透光十字，小电珠发出的光

经小棱镜改变90方向后从透光十字出射。转动目镜视度调节手轮10,可在目镜视场中看到图3.17.2a所示情景。若在物镜前放一平面镜，松开螺钉8，前后移动分划板套筒使分划板落在物镜的焦平面上，则透光十字出射的光经物镜后成为平行光入射到平面镜上，经平面镜

反射光再经物镜汇聚在分划板平面上形成透光十字的像。若平面镜与望远镜光轴垂直，则此像落在分划板

分化线上方叉丝上，如图3.17.2b所示。

1.4载物台

用于放置待测样品或光学元件。载物台下方三个螺钉（b1、b2、b3）用来调节台面水平。松开螺钉6，可以升降载物台。拧紧螺钉6可将载物台与游标盘17固连在一起，此时松开螺钉19，载物台可随游标盘转动，并可通过读数装置读出载物台转过的角度。

1.5读数装置

由刻度盘与游标盘组成。分光计出厂时已将刻度盘、游标盘调到与中心轴垂直。拧紧止动螺钉14，刻度盘和望远镜固连在一起。游标盘上相隔180处有两个角游标。拧紧止动螺钉19时，游标盘与中心轴的相对位置固定；松开螺钉19，游标盘可绕中心轴转动。若固定游标盘，刻度盘和望远镜固连，望远镜转动时，可由刻度盘、游标盘读出望远镜转过的角度。

2．分光计的调节

分光计使用时必须满足下列要求：

（1）望远镜聚焦无穷远（即接受平行光）；望远镜光轴与中心轴垂直； （2）平行光管出射平行光；平行光管光轴与中心轴垂直。

调节前应先对照实物和结构图熟悉仪器，了解各个调节螺钉的作用。调节时应先粗调后细调。

粗调（凭眼睛观察）

从分光计侧面观察，分别调节望远镜俯仰调节螺钉11和平行光管俯仰调节螺钉21，使 望远镜和平行光管的光轴尽量与刻度盘平行，调节载物台调平螺钉使载物台尽量与刻度盘平

行（即与主轴垂直）。

细调

2.1 望远镜的调节

2.1.1 自准直法调节望远镜聚焦无穷远

（1）转动目镜视度调节手轮10,在目镜视场中看清分划板。

（2）接通小电珠电源，并把双面反射镜按图 3.17.3放到载物台上。当需要改变镜面

图 3.17.3

倾角时，调节螺钉b1或b2即可。

（3）眼睛通过目镜观察，同时转动载物台改变平面镜的方向，当平面镜镜面与望远镜光轴垂直时可看到一亮斑，松开螺钉8，前后移动分划板套筒，改变分划板与物镜之间的距离，使亮斑成清晰的绿十字像；左右移动眼睛观察，同时细心移动分划板套筒，使绿十字像与黑色叉丝间无视差，锁紧螺钉8。

2.1.2 渐进法调节望远镜光轴垂直于中心转轴

（1）调节俯仰调节螺钉11，使绿十字像与分划板上方叉丝重合。

（2）将载物台转1800，从双面镜的另一面找到反射的绿十字像，若十字像与分划板上方叉丝不重合如图 3.17.4a，则调节螺钉b1或b2，使绿十字像与分划板上方叉丝位移减少一半如图 3.17.4b；然后调节俯仰调节螺钉11，使反射回来的绿十字像与分划板上方叉丝重合如图 3.17.4c。

图 3.17.4

（3）重复步骤（2），直到载物台转过180前后，双面镜两个面反射的十字像均与分划板上方叉丝重合。

2.2平行光管的调节

2.2.1调节平行光管出射平行光

（1）打开光源照亮狭缝，将望远镜正对平行光管，从目镜中观察狭缝像。

（2）松开螺钉2，前后移动狭缝装置，使狭缝清晰地成像在分划板平面，锁紧螺钉2。 2.2.2 调节平行光管光轴与望远镜光轴重合

调节俯仰螺钉21，使狭缝像被分划板中心水平线均分。 3．刻度盘的读数

刻度盘被等间隔的分为720分，分度值为0.5，游标被分为30格，分度值为1。读数时，从游标零刻度前读出刻度盘0.5以上的读数，再从游标上读出与刻度盘某刻度对齐的分数。两数相加即为角度的读数。图 3.17.5读数为11612。

0'00'

图 3.17.5 图 3.17.6

为了消除刻度盘刻度中心o与转轴中心o不重合引入的偏心误差，在游标盘直径的两边各装一游标。测量时，两个游标都要读数，然后算出每个游标始、末两次读数差的平均值，即为转过的角度。图 3.17.6表示分光计存在偏心误差的情形。刻度盘绕中心转轴o转过角度，但从读数装置上读取的是1和2，由几何原理知

1或 '‘12， 222， 121(12) 21\"\"[(11')(22')] 2上式说明两游标读数的平均值即为实际转角。

4．测量玻璃三棱镜的折射率

如图 3.17.7所示,三角形ABC表示三棱镜的横截面，BC为底面，AB、AC为光学面，两

光学面的夹角A称为三棱镜的顶角。入射光线LD经三棱镜两次折射后，沿ER方向出射。入射光线LD与出射光线ER所成的角，称为偏向角。偏向角随着入射角的变化而变化，可以证明，如果入射光线和出射光线处于三棱镜对称位置，偏向角最小，称为最小偏向角。棱镜玻璃的折射率n与棱镜顶角A、最小偏向角min有如下关系：

n=sinA+mA/sin （3.17.1） 22

图 3.17.7

将待测材料制成三棱镜，用分光计测出棱镜的顶角A、最小偏向角m，由上式可求得棱镜的折射率n。 【实验内容与步骤】

1．调节分光计

按照分光计的调节要求，使其满足使用状态。

2．调节三棱镜的主截面与中心轴垂直

按图 3.17.8把三棱镜放到载物台上。为下面测量的需要，载物台宜放低些。调节b1， 载物台以连线b2、b3为轴转动，光学面AC的倾斜度改变，而AB则在自己的光学面内运动，法线方向不变。同理，调节b2，光学面AB的倾斜度改变时，也不影响光学面AC。

图 3.17.8

2.1 松开螺钉15，转动望远镜对准AC面，调节螺钉b1，使AC面反射的绿十字像与分

划板上方叉丝重合。

2.2 转动望远镜对准AB面，调节螺钉b2，使AB面反射的绿十字像与分划板上方叉丝重合。

2.3 重复步骤2.1、2.2，反复调节，直到光学面AC、AB都能达到自准。

至此三棱镜主截面已垂直于中心轴．从而保证了反射光、折射光均在与刻度盘相平行的主截面内。注意在测量顶角A和最小偏向角m时，应避免三棱镜相对于载物台发生移动和转动，更不可调节螺钉b1、b2、b3。

3．测量汞灯某条谱线的最小偏向角m

3.1 找谱线：松开螺钉19，转动载物台，使三棱镜AC面与平行光管光轴夹角大约30，用眼睛迎着出射光方向看到AB面中谱线，然后将望远镜转到眼睛和谱线之间，此时可从望远镜中看到谱线。

0

图3.17.11

3.2 找最小偏向角：转动载物台，使谱线向入射光线方向靠近，同时转动望远镜跟踪其中一条谱线。当载物台转到某一位置时，若继续按原方向转动，谱线将向反方向移动，谱线反转处即为最小偏向角的位置，用螺钉19锁紧载物台。

3.3 记录最小偏向角对应的出射光位置：转动望远镜使竖直叉丝对准谱线，锁紧望远镜止动螺钉15，用微调螺钉13和18配合反复调节，确认分划板竖直叉丝对准最小偏向角时的谱线，记下两游标读数1,2。

3.4 记录入射光位置：不取下棱镜（开始时载物台调得较低，平行光管出射光束的一小部分可经棱镜上方直接进入望远镜中），松开螺钉15，转动望远镜并利用微调螺钉13使竖

'直叉丝对准狭缝像，记下两游标读数1',2。

注意，此时不可转动载物台，不可调节螺钉18，不可松开螺钉19。 由图3.17.11可知，

m[(1'1)(2'2)] （3.17.2）

3.5 重复3.3、3.4，测量6次，求平均值。 4．自准直法测三棱镜的顶角A（选做）

4.1 如图3.17.9转动望远镜对准AB面，锁紧望远镜中心止动螺钉15，用微调螺钉13调节绿十字像与分划板上方叉丝重合，记录两游标读数1,2。

'4.2 转动望远镜对准AC面，重复4.1，记录两游标读数1',2，由图3.17.9可知

121A1800[(1'1)(2'2)] （3.17.3）

2

图3.17.9 【注意事项】

1．光学元件要轻拿轻放，以免损坏，切忌用手触摸光学面。

2．分光计是较精密的光学仪器，要倍加爱护，不要在止动螺钉锁紧时强行转动望远镜，也不要随意拧动狭缝。

3．测量数据前务须检查分光计的几个止动螺钉，应该锁紧的是否锁紧，若未锁紧，读取的数据会不可靠。

4．测量中应正确使用望远镜及游标盘的微调螺钉，以便提高工作效率和测量的准确度。 5．在读取数据过程中，应注意望远镜的转动是否经过刻度盘的零点，若经过刻度盘的零点，则该游标的读数应加上360度。 【数据记录与处理】

表 测量最小偏向角 仪 ；________nm；A=

测量 入射光线位置 出射光线位置 m1'112'2 2次数 1 2 1' 2' 1 2 3 4 5 6 平均值 m

UmAt0.95ni1n(mim)2n1______________；

UmU2mA2B________； mmUm_______ ；

sinnmA______________；

2Asin2Un(nnUA)2(Um)2_____________； AmnnUn

【思考题】

1．调节光学仪器的一般要领是先粗调后细调？本实验中是如何体现这一要领的？ 2．当转动载物台180反复调节使望远镜光轴垂直于分光计主轴时，载物台平面是否也同时调到垂直于中心轴了？为什么？

3．调节望远镜时所使用的双面镜起什么作用？能否用三棱镜代替其进行调节？ 4．对三棱镜测量时，为什么要调节三棱镜主截面（两个光学面的法线决定的平面）垂直于分光计中心轴？若不垂直，对测量结果将带来怎样的影响？

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