用分光计测三棱镜的折射率_课堂实验-查字典物理网

分光计是用来准确测量角度的仪器。光学实验中测角度的情况很多，如测量反射角、折射角、衍射角等。用分光计不仅可以间接测量光波的波长、还可以间接测量折射率和色散率等。本实验就是用分光计来间接测量三棱镜的折射率。

一、教学目的

1. 学会调节使用分光计。

2. 测定三棱镜的折射率。

二、教学要求

1. 本实验三小时完成。

2. 掌握分光计的结构原理，掌握分光计的调整方法。

3. 掌握角游标原理和用分光计测角度的方法。

4. 观察复色光的色散现象。

5. 用自准法测定三棱镜的顶角，测定三棱镜对绿光λ=546nm的最小偏向角。

6. 计算出三棱镜对绿光的折射率，并对结果进行评价，写出合格的实验报告。

三、三、教学重点和难点

难点：望远镜系统的调节和最小偏向角的测定。

重点：望远镜系统的调节和最小偏向角的测定。即难点内容亦是重点内容(用提问方式发挥学生主动性，配合讲解攻克难点)。

四、讲解内容

1. 提问：本实验的目的?(学生答)

2. 提问：本实验的重点和难点内容是什么?(教师答)

3. 提问：分光计由哪几部分组成?(学生答，教师根据投影胶片把各部分的调节止动螺钉作提示)

回答：分光计一般由自准直望远镜，平行光管，载物台、读数装置和底座五大部分组成。

4. 读数装置为什么要设计成双游标?如何读数和计算?(学生回答后，教师补充或根据胶片对照讲解)

回答：在刻度盘同一直径的两端(相隔180°)各装一个游标，两个游标同时读数，然后算出每个游标两次读数之差，再取平均值。这个平均值即为望远镜(或载物台)所旋转过的角度。并消除了刻度盘上与分光计中心轴线之间由于制造带来的偏心差。

读数举例：

a、 b游标读数相差： 180°±3′

望远镜初始位置读数：望远镜转过θ角后读数

游标a、游标b、游标a、游标b

335°5′ 155°2′ 95°7′ 275°6′

差数：游标a：360°+95°7′—335°5′=120°2′

游标b：275°6′—155°2′=120°4′

转过的角度θ的平均值为：θ=1/2(120°2′+120°4′)=120°3′

上述差数游标a可以这样理解：游标a开始位置为335°5′，转到360°0′(即0°)后再转至95°7′，故转过角度为120°2′。

5. 提问：分光计的调整有哪些要求?其检察的标准?(学生答，教师补充解释)

回答：①几何要求：“三垂直”。即载物小平台的平面，望远镜的主光轴、平行光管的主光轴均必须与分光计的中心轴垂直。

②物理要求：“三聚焦”。即叉丝对目镜聚焦，望远镜对无穷远聚焦，狭缝对平行光管物镜聚焦。

③检验三垂直的标准：“四平行”。即载物小平台平面、望远镜的主光轴、平行光管的主光轴和读数刻度盘四者相互平行。

④检验三聚焦的标准：“三清晰”。即目镜中观察叉丝清晰，亮十字反回的像(绿十字)清晰，在望远镜中看到狭缝清晰。

6. 提问：即是重点又是难点内容的望远镜系统如何调整?(学生答，教师补充讲解)

回答：①目测粗调

②打开小灯调节目镜，看清叉丝。

③在载物台上放双平面镜(位置如胶片图所示，为什么?)，调节物镜(仰俯角和伸缩)和载物台(螺钉)，使双平面镜两面有绿十字像并清晰、无视差，此时望远镜已聚焦无穷远。

④调整望远镜的光轴与分光计转轴垂直。使双平面镜两面有绿十字像。再用“减半逐步逼近法”使望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直(对照胶片讲解，必要时示范讲解)，即叉丝的像与调整叉丝完全重合。

7. 提问：平行光管如何调整?(学生答，教师补充讲解)

回答：①用已调节好的望远镜作基准，调节平行光管下部仰俯螺钉，使其出射平行光。

②调节平行光管的狭缝宽度(强调：不要损坏刀口!)

③使平行光管光轴与分光计转轴垂直。使目镜中看到的水平和竖直的狭缝像均居中。

8. 提问：测三棱镜折射率的简单原理?(教师参照胶片图讲解)

回答：只要测出某光的最小偏向角δmin和三棱镜顶角A，就可以算出三棱镜对该光的折射率。

9. 9. 提问：如何测三棱镜的项角A?(学生答，教师对照胶片图补充讲解)

回答：测定方法有两种，一种是反射法，另一种是自准法。本实验要求用自准法测三棱镜的顶角。按图放好三棱镜(为什么?)锁紧平台和度盘的固定螺丝，转动望远镜分别对准左、右两光学面，每次使绿十字像和叉丝重合，即望远镜和光学面垂直，记下左、右读数算出转角θ，则项角A=180°-θ。

10. 提问：如何测定三棱镜对绿光的的最小偏向角δmin?(学生答，教师补充讲解，必要时示范讲解)

回答：第一步怎么做?(用汞灯或白炽灯照亮平行光管狭缝。)三棱镜怎么放?(三棱镜一折射面的法线与平行光管轴线夹角成大约60°)下一步怎么做?(观察偏向角的变化。)如何观察?(根据折射定律判断折射光的出射方向，先用眼睛在此方向观察，可看到几条平行的彩色谱线，改用望远镜观察它们，在转动载物台的同时，用望远镜跟踪谱线，注意谱线的移动情况，观察偏向角的变化)。如何测定δmin?(选择偏向角减小的方向，细心转动载物台的同时，使望远镜始终跟踪绿色谱线，当该谱线即将逆向移动时，对望远镜进行微调，使垂直叉丝对准绿色谱线中央，读出出射线的方位角T1。将望远镜对准平行光管，使叉丝对准狭缝中央，读出入射光线的方位角T2，故δmin=│T1—T2│)。

最后强调指出：在对结果进行评价时，在计算不确定度时，SA和Sδmin均应用弧度进行计算。

五、简单故障的原因和排除

实验中出现故障是不可避免的正常情况，对于仪器故障，需由专门人员进行排除;常见简单线路故障的排除则是大学生必须掌握的基本技能。

1. 叉丝线不亮

①电源未接通

②线路没接通

③小灯开关未打开

④照亮叉丝小灯损坏。

2. 叉丝及像均模糊不清

①叉丝不清晰是叉丝对目镜未聚焦(转动目镜聚)。

②绿十字不清晰是望远镜未对无穷远聚焦(前后移动目镜使其聚焦)

③狭缝像不清晰是狭缝对平行光管物镜未聚焦(移动平行狭缝使其聚焦)