实验原理

1．分光计的结构

    分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。外形如图1所示。

图1分光计外形图

       1——狭缝装置；2——狭缝装置锁紧螺钉；3——平行光管；4——制动架（二）；

  5——载物台；6——载物台调节螺钉（3只）；7——载物台锁紧螺钉；8——

  望远镜；9——目镜锁紧螺钉；10——阿贝式自准直目镜；11——目镜调节手轮；12——望远镜仰角调节螺钉；13——望远镜水平调节螺钉；14——望远镜微调螺钉；15——望远镜制动螺钉；16——制动架（一）；17——底座；18——转座；19——刻度盘；20——游标盘；21——游标盘微调螺钉；22——游标盘制动螺钉；23——平行光管水平调节螺钉；24——平行光管仰角调节螺钉；25——狭缝宽度调节手轮

图2望远镜结构

（1）底座——中心有一竖轴，望远镜和读数圆盘可绕该轴转动，该轴也称为仪器的公共轴或主轴。

（2）平行光管——是产生平行光的装置，管的一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝的圆筒，狭缝宽度可以根据需要调节。

（3）望远镜——观测用，由物镜和目镜系统组成，为了调节和测量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼此可以相互移动，也可以用螺钉固定。参看图2，目镜在内管中，分划板在中管中，分划板下方紧贴一块45°的全反射棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留一个绿色的小十字窗口。光线从小棱镜的另一直角边入射，从45°反射面反射到分划板上，透光部分便形成一个在分划板上的明亮的十字窗。

（4）载物台——放平面镜、棱镜等光学元件用。台面下三个螺钉可调节台面的倾斜度。

（5）读数圆盘——是读数装置。由可绕仪器公共主轴转动的刻度盘和游标盘组成。度盘上有720等分刻线，格值为30′。有两个角游标。这是因为读数时，要读出两个游标处的读数值，然后取平均值，这样可以消除偏心误差。

读数方法和游标卡尺相似，这里读出的是角度。读数时，以角游标零刻线为准，读出刻度盘上的度值，再找游标上与刻度盘上刚好重合的刻线为所求分值。

2．分光计的调整原理和方法

    调整分光计，最后要达到下列要求：

①    平行光管发出平行光；

②    望远镜对平行光聚焦（即接收平行光）；

    ③望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。

    分光计调整的关键是调好望远镜，其他的调整可以以望远镜为标准。

（1）  调整望远镜

1）目镜调焦

这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到图3所示分划板上的刻线。调焦方法是把目镜调焦手轮轻轻旋出，或旋进，从目镜中观看，直到分划板刻线清晰为止。

2）调望远镜对平行光聚焦

这是要将分划板调到物镜焦平面上，调整方法是：

（a）把分划板照明，将双面平面镜放到载物台上。为了便于调节，平面镜与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图4。

 

图3从目镜中看到的分划板        图4载物台上双面镜放置的俯视图

（b）粗调望远镜光轴与镜面垂直——用眼睛估测一下，把望远镜调成水平，再调载物台螺钉，使镜面大致与望远镜垂直。

（c）观察与调节镜面反射像——固定望远镜，双手转动游标盘，于是载物台跟着一起转动。转到平面镜正好对着望远镜时，在目镜中应该看到一个绿色的亮十字随着镜面的转动而动，这是镜面反射像。如果有些模糊，只要沿着轴向移动中管，直到像清晰，再旋紧中管螺钉，则望远镜已对平行光聚焦。

3）调整望远镜光轴垂直于仪器主轴

当镜面与望远镜光轴垂直时，它的反射像应落到分划板的上十字中心，见图3。平面镜绕轴旋转180°以后，如果另一镜面的反射像也落在此处，这表明镜面平行于仪器主轴。当然，此时与镜面垂直的望远镜光轴也垂直于仪器主轴。

在调整过程中出现的某些现象是何原因？调整什么？应如何调整，这是要分析清楚地。例如，是调载物台？还是调望远镜？调到什么程度？下面简述之。

图5   载物台倾角没调好的表现及调整原理

（a）     载物台倾斜角没有调好的表现及调整

假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾斜角没有调好，见图5。平面镜A面反射光偏上，载物台转动180°后，B面反射光偏下。在目镜中看到的现象是A面反射像在B面反射像的上方。显然，调整方法是把B面像（或A面像）向上（向下）调到两像点距离的一半，使镜面A和B的像落在分划板上同一高度。

（b）  望远镜光轴没调好的表现及其调整。

假设载物台已调平，但望远镜光轴不垂直于仪器主轴，见图6。在图（a）中，无论平面镜A面还是B面，反射光都偏上，反射像都落在分划板上十字线上方。在图（b）中，镜面反射光都偏下，反射像都落在上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺丝，把像调到上十字线上即可，见图（c）。

（c）  载物台和望远镜光轴都没调节好的表现及调节方法。

表现是两镜面反射像一上一下。先调节载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高（但没有落在上十字线上），再把像调到上十字线上，见图6（c）。

图6 望远镜光轴没调好的表现及调整原理

（2）  调整平行光管发出平行光并垂直于仪器主轴

将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。

调整方法是：取下平面镜和关掉目镜照明光源，狭缝对准前方水银灯光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝，沿轴向移动狭缝筒，直到像清晰。这表明平行光管已发出平行光。

再将狭缝转向横向，调螺钉（24），将像调到中心横线上，见图7（a）。这表明平行光管已与望远镜光轴共线，所以也垂直于仪器主轴。

    再将狭缝调成竖直，锁紧螺钉，见图7（b）。

图7平行光管光轴与望远镜光轴共线      图8三棱镜最小偏向角原理图

 

3．用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率

    见图8，一束单色光以角入射到AB面上，经棱镜两次折射后，从AC面射出来，出射角为。入射光和出射光之间的夹角δ称为偏向角。当棱镜顶角A一定时，偏向角δ的大小随入射角的变化而变化。而当时，δ为最小（证明略）。这时的偏向角称为最小偏向角，记为。

    由图8可以看出，这时

设棱镜材料折射率为n，则

故

由此可知，要求得棱镜材料的折射率n，必须测出其顶角A和最小偏向角。

 

实验内容

1.调整分光计（要求与调整方法见原理部分）。

2．使三棱镜光学侧面垂直于望远镜光轴。

（1）调载物台的上下台面大致平行，将棱镜放到载物台上，使棱镜三边与台下三螺钉的连线所成三边互相垂直，见图9。

图9 三棱镜在载物台上放置方法

（2）接通目镜光源，遮住从平行光管来的光。转动载物台，在望远镜中观察从侧面AC和AB反射回来的十字像，只调节台下三螺钉，使其反射像都落到上十字线处，见图10。调节时，切莫动螺钉（12）（为什么？）

图10 测棱镜顶角A

注意：每个螺钉的调节要轻微，要同时观察它对各侧面反射像的影响。调整好后的棱镜，其位置不能再动。

3．测三棱镜顶角A

固定望远镜和刻度盘。转动游标盘，使镜面AC正对望远镜，见图10。记下游标1的读数和游标2的读数。再转动游标盘，使AB面正对望远镜，记下游标1的读数和游标2的读数。同一游标两次读数之差或，既是载物台转过的角度，而是A角的补角，

    4．测三棱镜最小偏向角

（1）平行光管狭缝对准前方水银灯的光源。

（2）旋松望远镜制动螺丝和游标盘制动螺丝，把载物台及望远镜转至如图11中所示的位置（1）处，再左右微微转动望远镜，找出棱镜出射的各颜色的水银灯光谱线（各种波长的狭缝像）。

图11 测最小偏向角

（3）轻轻转动载物台（改变入射角），在望远镜中将看到谱线跟着动。改变，应使谱线往减小的方向移动（向顶角A方向移动）。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜继续转动，而谱线开始要反向移动（即偏向角反而变大）为止。这个反方向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台，再使望远镜微动，使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线（或其它要测量的谱线）。

（4）测量

记下此时两游标处的读数和。取下三棱镜，转动望远镜对准平行光管，即图11中（2）的位置，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数和。此时绿谱线的最小偏向角

将值和测得的棱镜A角平均值代入式（2）计算n。

5．注意事项

（1）转动载物台，都是指转动游标盘带动载物台仪器转动。

（2）狭缝宽度1mm左右为宜，宽了测量误差大，窄了光通量小、谱线暗。