分光计调节与三棱镜顶角测定实验成果

2023-11-02 理论教育版权反馈

【摘要】：了解分光计的原理结构，学习调整分光计。掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法。分光计、三棱镜、双面（半）反射平面、读数小灯。本实验采用自准法测三棱镜顶角，不需要使用平行光管。分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的转轴。圆刻度盘在分光计出厂时已将它调到与仪器转轴垂直。分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。

分光计是比较精密的测角仪器，精确度可达到1分，在生产和科研中经常使用。分光计装置精密，结构复杂，调节难度也较大，对初学者来说有一定的困难，请同学们认真做好预习，注意了解其基本结构和测量光路，严格按调节要求和步骤耐心调节，就会掌握分光计的使用方法。

【实验目的】

（1）了解分光计的原理结构，学习调整分光计。

（2）掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法。

【实验仪器】

分光计、三棱镜、双面（半）反射平面、读数小灯。

【实验原理】

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图10-1　分光计结构示意图

望远镜：8—望远镜；9—紧固螺钉；10—分划板；11—目镜（带调焦手轮）；12—仰角螺钉；13—望远镜光轴水平螺钉；14—支臂；15—转角微调；17—制动架；18—望远镜止动螺钉
载物台：5—载物台；6—载物台调平螺钉（3只）；7—载物台锁紧螺钉
圆刻度盘：16—读数刻度盘止动螺钉；21—读数刻度盘；22—游标盘；24—游标盘微调螺钉；25—游标盘止动螺钉
平行光管：1—狭缝；2—紧固螺钉；3—平行光管；26—平行光管光轴水平螺钉；27—仰角螺钉；28—狭缝调节
其他：4—制动架；19—底座；20—转座；23—立柱

1.分光计的结构

分光计结构如图10-1所示。本实验采用自准法测三棱镜顶角，不需要使用平行光管。有关平行光管的原理、调节与使用请参见光栅衍射实验，下面介绍其余部件。

（1）分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的转轴。在这个转轴上套有一个读数刻度盘和一个游标盘，这两个盘可以绕它旋转。

（2）望远镜安装在支臂上，支臂与转轴相连。在支臂与转轴连接处有螺钉18，拧松时，望远镜（和读数刻度盘一起）可绕轴自由转动；旋紧时，不得强制望远镜绕轴转动，否则会损坏仪器。螺钉15是它的微调螺钉，当螺钉18拧紧后，望远镜不能绕轴转动时，用它可以使望远镜绕轴作微小转动。螺钉9是目镜镜筒的制动螺钉，旋松它可拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离。望远镜光轴的倾斜度由螺钉12调节。分光计上的望远镜通常采用阿贝式自准直目镜，其结构如图10-2所示。分划板的透明玻璃上刻有黑十字准线。在该准线的竖线下方，紧贴一块小棱镜，在其涂黑的端面上，刻有透明十字线，利用小灯泡照明使它成为发光体。而在准线的竖线上方，与透明十字线对称的位置上，有一条黑水平线。

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图10-2　望远镜结构

1—反射镜；2—物镜；3—全反射棱镜；4—分划板；5—目镜；6—光源；7—筒2；8—筒1；9—准线；10—十字透光窗

（3）载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉7相互锁定，拧紧螺钉7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺钉25是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺钉24是游标盘的微调螺钉。当螺钉拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调节螺钉6，可调节台面的倾斜度。

（4）圆刻度盘在分光计出厂时已将它调到与仪器转轴垂直。由于圆刻度盘中心和仪器转轴在制造和装配时，不可能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。圆刻度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心O与转轴重合时，由相差180°的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值则不相等，所以如果只用一个游标读数窗会产生系统误差。通过在转轴直径上安置两个对称的游标读数窗，可消除这种系统误差。

分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。

2.自准法测量三棱镜顶角的原理

如图10-3所示，只要测量三棱镜两个光学面的法线之间的夹角φ即可求得顶角α=180°-φ。

【实验内容】

1.分光计调节

（1）目测粗调。粗调即是凭眼睛判断。

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图10-3　自准法测三棱镜顶角的原理

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图10-4　平面镜在小平台上的位置

1）尽量使望远镜的光轴与刻度盘平行。

2）调节载物台下方的3个小螺钉，尽量使载物台与刻度盘平行（粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证）。

（2）望远镜调焦到无穷远，适合观察平行光。

1）接上照明小灯泡电源，打开开关，在目镜视场中观察，是否能够看到 “准线”和带有绿色小十字的窗口。通过调节目镜调焦手轮将分划板“准线”调到清楚地看到为止。

2）将双面镜放置在载物台上，如图10-4所示。这样放置是出于这样的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺钉1或螺钉2即可，而螺钉3的调节与平面镜的俯仰无关。

3）沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。当望远镜对准平面镜时，通过望远镜目镜观察，如果看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射回到望远镜中。此时应重新粗调，重复上述过程，直到由透明十字发出的光经过物镜后（此时从物镜出来的光还不一定是平行光），再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，在分划板上形成亮十字像斑（注意：调节是否顺利，以上步骤是关键）。

4）放松望远镜紧固螺钉9，前后拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离，再旋转目镜调焦手轮，调节分划板与目镜的距离使从目镜中既能看清准线，又能看清亮十字的反射像。应使准线与亮十字的反射像之间无视差。如有视差，则需反复调节，予以消除；如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。

（3）利用二分之一调节法，调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直。先调节平面镜的倾斜度（调节螺钉1或螺钉2）。使目镜中看到的亮十字线（反射）像重合在黑准线像的对称位置上，如图10-5（a）所示，说明望远镜光轴与镜面垂直。然后使平面镜跟随载物台和游标盘绕转轴转过180°，重复上面的调节。一般情况下，这两条准线不再重合，如两者处在如图10-5 （b）所示位置上，这时只要调节螺钉1或螺钉2，使两者的水平线间距缩小一半，如图10-5 （c）所示，再调节望远镜的倾斜螺钉12，使两者水平线重合，如图10-5 （d）所示，然后再使平面镜绕轴旋转180°，观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合。如重合了，说明望远镜光轴已垂直于分光计转轴；若不重合，则重复以上方法进行调节，直到平面镜旋转到任意一向，其镜面都能与望远镜光轴垂直。

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图10-5　望远镜调节过程中通过目镜看到的情况

2.测量三棱镜

将三棱镜按图10-6所示的位置放置（注意：切忌用手触摸光学面）。调节螺钉1，可以改变Ⅰ面的法线方向，不改变Ⅱ面的法线方向。同理，调节螺钉2，可以改变Ⅱ面的法线方向，不改变Ⅰ面的法线方向。利用已调节好的望远镜用自准法测两个光学面的法线方向（注意：适当调节，使两个光学面反射的亮十字线重合在黑准线像的对称位置），完成表10-1。

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