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)
④几种情况均存在。只好酌情调节。
3. 转动双平面镜无绿十字像或只一面有绿十字像
①粗调工作没做。
②双平面镜放置不妥,调节方法不对。
③调节不仔细认真。
4. 双平面镜反射的两个绿十字像均不在调节叉丝上
①如从双平面镜的正、反两面反射回的绿十字像均在分划板水平线的上方或均在下方,且位置相同;这说明平台基本与转轴垂直而望远镜光轴不垂直转轴,可调望远镜的倾斜度螺丝。
②如果正、反两面的反射像一次在上方,另一次在下方,且位置对称,则主要是平台不垂直转轴。可先调平台螺丝,用逐步逼近法,使像与叉丝距离移近一半,转过180°后重复上述调节,直至调整好。
③上述两种兼而有之,亦用逐步逼近法调节,先调平台螺丝,使像与叉丝间距移近一半,再调望远镜的斜度螺丝,使像与叉丝重合;转过180°后重复上述调节,可较快调整好。
5. 狭缝像过宽且不居中
①狭缝过宽是未调好狭缝或狭缝未对平行光管的物镜聚焦。
②狭缝像不居中是平行光管与分光计转轴未调垂直,需调整狭缝在水平和竖直两方向均居中。
6. 测顶角A时数据错。
①游标盘未固定。
②望远镜未固定而被碰动。
③游标盘和望远镜均未止动。
④有时未加30′。
⑤不懂游标读数无估读位。
⑥绿十字像与叉丝(或其竖线)未重合。
7. 测δmin时数据错
①同6的前5项。
②未找出δmin就进行测量。
③对准的不是绿色谱线。
④绿色谱线未叉丝竖线重合(未调整望远镜微调螺丝)。
⑤差值计算出错。
8. 强调注意事项:
①平行光管狭缝宽度调节时,只能在望远镜目镜中看到狭缝像后,边看边调,千万不要损坏刀口。
②测量完毕应关灯,整理好仪器。
③在处理数据计算U 时,公式中的δsmin和SA 必须用弧度计算,χ′=(χ′/60)·π/180弧度。
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★ 电路的连接
★ 光的折射
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