系别：                            姓名：丁伟

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【摘要】

    在许多的物理试验中，常常用三棱镜来作为分光的器件。分光计可以用来测量谱线的波长，也可以用来测量光学元件的角度。我们可以通过分光计可以来测定三棱镜的顶角以及玻璃的折射率，从而帮助我们更好的了解分光计的光学性质以及学会一种测量透明固体材料的折射率的方法。

【关键字】

   分光计          三棱镜           折射率          色散             谱线

【正文】

Ⅰ.实验仪器介绍

分光仪（如右图）是一种能精确测量角度的典型光学仪器，精确度可达到1' 常用来测量折射率、光波波长、色散率和观测光谱等。由于该装置比较精密,操纵控制部件较多而复杂，故使用时必须按一定的规则严格调整，方能获得较高精度的测量结果。

1. 分光仪的结构：

     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丝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。螺丝15是它的微调螺丝，当螺丝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。螺丝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丝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8-2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，利用电珠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。

(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，拧紧螺丝7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝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。螺丝24是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，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丝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就不相等，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。

A

2.三棱镜

   三棱镜如右图所示，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角 称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。

C

B

3.汞灯

  汞灯发射的光谱是一些分离的谱线，由于汞蒸汽的压强不同可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种。我们人眼能观察到的谱线有一下：

橙（612.35nm），黄（579.07nm），黄（576.96nm），绿（546.07nm），青（491.60nm），蓝紫（453.83nm），紫（407.78nm），紫（404.68nm）。由于汞灯的光线很强，所以不要直视灯。

 本实验中采用的是高压汞灯。高压汞灯点燃时汞蒸气压为2～5个大气压，内管用石英玻璃。高压汞灯辐射的紫外线光谱加宽，且偏蓝绿，可用于光化反应、光刻机、紫外线探伤及荧光分析等。

Ⅱ.实验原理

1.自准法测量三棱镜顶角的原理

如图8-3所示，只要测量三棱镜两个光学面的法线之间的夹角，即可求得顶角。

2.色散

   光是电磁波的一种，复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时，传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜则便各自分散。复合光通过三棱镜等分光器被分解为各种单色光的现象，叫做光的色散。分开的单色光依次排列而成的光带叫做光谱。各种颜色的光在真空中都以恒定的速度 传播；而在介质中，光波的传播速度要减小；而且不同波长的光波，传播速度也各不相同。因此，同一介质对不同的单色光折射率是不同的，红色光的折射率最小，紫色光的折射率最大。

Ⅲ.实验步骤及实验内容

1.分光计调节

(1) 目测粗调

粗调即是凭眼睛判断。

①尽量使望远镜的光轴与刻度盘平行。

②调节载物台下方的三个小螺钉，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8-4）。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丝1或2即可，而螺丝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。注意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—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(调节螺丝1或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，这二准线不再重合，如二者处在如图5(b)所示位置上，这时只要调节螺丝1或2，使二者的水平线间距缩小一半，如图 5(c)所示，再调节望远镜的倾斜螺丝12，使二者水平线重合，如图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。

2.测量三棱镜

将三棱镜按图8-6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）。

【注意事项】

1.平面镜及三棱镜系光学元件，光学表面不能用手触摸，如发现有灰尘或污斑可用擦镜纸揩拭。

2.转动望远镜时应用手扶住望远镜托架转动，不能

用手直接抓住自准目镜转动望远镜。

3.实验桌上每一位同学有一抽屉，书包及其他无关物品均应放在抽屉内。

4.在调整过程中，三棱镜如从分光计上拿下来，应

放在棱镜盒内，以免不慎碰落地上，敲碎棱镜。

【结论】

   通过这次实验我们测出来三棱镜的最小偏向角，在实验中我们可以看出分光计在处理的过程中的操作是十分的复杂，我们必须要小心的处理实验仪器。另外，分光计除了可以用来测定三棱镜的顶角外，还可以测定三棱镜折射率（最小偏向角法是测定三棱镜折射率的基本方法之一，如图10所示，三角形 ABC 表示玻璃三棱镜的横截面，AB和 AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角a称为三棱镜的顶角；BC 为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。假设某一波长的光线 LD 入射到棱镜的 AB 面上，经过两次折射后沿 ER 方向射出，则入射线 LD 与出射线 ER 的夹角   称为偏向角。）测量透射光栅测光波波长，观察光栅的衍射光等等。在物理中的应用很广泛。如果我们可以把分光计的使用掌握的很好，在我们的物理学习中也会对我们有很大的帮助。

【参考文献】

《大学物理实验（第一册）》 万春华主编 南京大学出版社 

《伯克利物理实验》   A.M. 波杨著。下载本文