分光计的调节和应用（教案）

一．实验介绍与引入： １．精确测量光线偏折的角度是光学实验技术的重要内容之一。 １）光的反射定律和折射定律所描述的就是光在传播过程中发生偏折时，角度间的相互关系； ２）光在传播过程中的衍射、散射等物理现象也都与角度有关； ３）一些光学量如折射率、色散率、光栅常数、光波波长等都可以通过直接测量有关的角度去确定。 ２．本实验所使用的分光计便是一种能精确测量角度的基本光学仪器，常用来测量折射率、光波波长、色散率和观察光谱等。 ３．分光计的基本部件和调节原理与目前生产及科研上常用的光学仪器（如单色仪，摄谱仪等）有许多相似之处（后者一般在分光器件和谱线采集系统上更复杂、精确）。学习和使用分光计可以为今后使用此类精密的光学仪器打下良好的基础。   二．实验目的与内容： 1．了解分光计的结构和工作原理； ２．掌握分光计的调节方法； ３．用分光计测定棱镜顶角和棱镜玻璃的折射率。   三．实验注意事项： 1．任何时候都不能用手触及三棱镜和平面镜的光学表面，只能用手拿非光学面即磨砂面。 2．光学元件要轻拿轻放，防止三棱镜和平面镜碰撞或从载物台上摔落，导致元件破损。 3．在调节分光计的过程中，用力要轻，动作要慢，不得随意旋转和拨动，以免造成仪器的严重磨损。 4．实验完成后，请将仪器整理好，棱镜和平面镜归还原处。   四．实验原理与技术指导：(粗体部分一般需要和学生强调，其他内容按学生具体情况选择。) １．请同学打开汞灯预热，并对照教材上的结构图和网上教学辅导系统，结合实际仪器了解分光计各部分的结构和各旋钮的作用。 ２．分光计的调节要求。用分光计进行测量之前,需要对仪器进行调节,使之达到如下要求: 1）望远镜能接收平行光(或者适于观察平行光),且其光轴垂直于分光计的主轴(即仪器竖直方向中心轴)； 2)平行光管出射平行光,其光轴亦垂直于分光计的主轴。 在要求1)中望远镜调节是关键，是难点，也是要求2)的基础。 ３．分光计望远镜调节的具体作法分2步——粗调、细调。 ①粗调：通过目测调节，使载物平台水平，使望远镜光轴水平，当平面反射镜“两面”正对望远镜时，都能从望远镜里看到亮十字。（粗调很重要，要引起学生重视，做到“粗调细做”） 粗调具体步骤如下： 1）打开照明小灯电源开关，调节目镜调焦手轮，能看清分划板上的刻线。 2）调节载物台3个调平螺丝等高，可通过载物台底座与小平台之间的调平螺丝的高度来判断(目测或数螺纹)，这一步一定要严格； 3）调节望远镜调平螺丝使其光轴与载物台平行，通过目测来判断。 4）转动载物台底座(注意:不是平台)，使平面反射镜“两面”分别正对望远镜(此时目镜光场最暗)，观察有无亮十字(可能是一亮斑)。 5）当按步骤3)调节后，两面都有亮十字（亮斑），调节物镜与分划板的位置，使亮十字最清晰。此时粗调完成。 ●问题一：一面有亮十字，一面没有。说明粗调没做好，再认真仔细做一次步骤2)。再次观察，如果现象不变，则假设载物台已水平，问题出在望远镜光轴不水平。转动载物台底座，使平面反射镜没有绿色亮十字的一面正对望远镜，调节望远镜调平螺丝（向上或向下，但不能调载物台调平螺丝），直到看到亮十字。 ●问题二：两面都没有亮十字，做法同问题一。如果步骤2)做的很严格，这种情况出现的可能性很小，大多数情况为问题一的情形。 ②细调：在粗调的基础上，通过调节载物台的调平螺丝和望远镜的俯仰螺丝，使平面镜“两面”正对望远镜时，从望远镜里看到的十字像都和上十字叉丝重合，从而保证载物台和望远镜光轴严格水平。 ●问题三：为什么从望远镜里看到的十字像都和上十字叉丝重合，就能保证载物台和望远镜光轴严格水平？原理见下图，结合图像给学生讲解，（板书或投影）。 细调具体步骤如下： 1）将平面镜如图（１）放置，保持调平螺丝ａ不动，调节ｂ，ｃ和望远镜的俯仰螺丝，使两次反射的十字像在上叉丝“重合”。 ●问题四：为什么要把平面镜如图（１）放置？在实验过程中请学生观察思考：调节调平螺丝和望远镜俯仰螺丝对十字像的移动分别起什么作用。　 结合下面的图表，指导学生思考分析以上问题。（对于基础比较好的学生可作为实验过程中的思考题，让学生填写表中的十字像偏转方向。）   2）将平面镜转过90度，保持调平螺丝b,c以及望远镜俯仰螺丝不动，调节调平螺丝a，使两个十字像重合，此时细调完成。（由于误差的存在，这一步调节可能很难使两个十字像完全重合。） 4．调节准直管狭缝的宽度和位置，使其产生平行光，即在望远镜中能看到又细又亮的竖直的蓝色光谱线，和分划板上的竖直叉丝重合。 5．在学生调节过程中检查记录每个学生的调节情况，调节结束后评估每个学生的调节效果。 6．调节三棱镜，使其两个光学面都与仪器主轴平行，注意在调节过程中保持望远镜的俯仰螺丝不动。 7．测量三棱镜的顶角A，分别用反射法和自准直法测量三组数据，并分别取平均值，自行设计数据表格。注意反射法测量时，应使三棱镜顶角A靠近载物台中心，否则反射光将不能进入望远镜，这在步骤6中就要事先注意。 8．测量棱镜对汞绿光（λ=546.1nm）的最小偏向角。 光线经过棱镜时会发生偏折，入射光方向和出射光方向的夹角叫做偏向角。棱镜对于确定波长的光存在一个最小偏向角δmin，它和棱镜玻璃折射率n以及顶角A的关系满足下式： n=sin((A+δmin)/2)/sin(A/2)。 本实验通过测量汞绿光的最小偏向角来计算棱镜对汞绿光的折射率。实验过程中首先要找到绿光谱线随棱镜转动时，谱线移动的反向转折位置，注意在转动过程中，望远镜要跟踪绿色谱线转动，以保证谱线在望远镜视野范围之内。 重复实验三次，计算最小偏向角的平均值，自行设计数据表格。 9．根据已测得的顶角和最小偏向角，计算棱镜玻璃对汞绿光的折射率。 ●问题五：同一棱镜对不同波长的光的折射率是否相同？请通过实验证明。（引导学有余力的学生测量并计算棱镜对汞光中其他不同波长的光的折射率n(λ)，并绘制色散曲线。） 10．关于分光计读数的说明。 1）不同型号仪器的最小分度值。JJY(1') ，FGY(30')。 2）让学生回忆游标卡尺的读数方法，读出书上所给范例的角度值。 2）如果一游标转动过程中经过了0刻度线，应如何取值？ 3）为什么通过两个游标读数可以消除仪器的偏心差？（可以让学生在课后推导）

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