基础物理实验

07 分光计的调整与使用(97pts)

07 分光计的调整与使用
07 分光计的调整与使用
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实验目的

  分光计是确定光线偏转角的仪器，也叫测角仪。通过实验，我们要了解分光计的调整技术和技巧，测量三棱镜的顶角和最小偏向角。

实验原理

  分光计的工作原理是利用光的折射现象。光线从空气进入三棱镜时，发生折射。分光计的主要由望远镜、水平转台、刻度盘和三棱镜组成。通过调整这些部件，可以精确测量光线的偏转角度。

实验仪器

  分光计、三棱镜、双面反射镜、汞灯。

实验内容

分光计的调整

调整分光计要达到下列要求:

  1. 望远镜接收平行光，平行光管发出平行光。
  2. 望远镜、平行光管的光轴垂直仪器的主轴。
  3. 平行光管与望远镜共轴。

分光计的调整主要包括以下几个步骤：

  1. 目测粗调：通过目视保证载物台平面大致水平。
  2. 调整望远镜对平行光聚焦：
      1)对目镜调焦使分划板刻线清晰，然后调节望远镜的焦距，使分划板的刻线清晰可见。
      2)调望远镜对平行光聚焦
        a)将平面镜放到载物台上，用目镜照明。
        b)粗调望远镜和镜面，使镜面与望远镜大致垂直。
        c)观察与调节镜面反射像，使像清晰无视差。
  3. 调整望远镜光轴垂直于仪器主轴
      通过不断的调节，使用一定的调节方法，最后使平面镜在任何位置旋转180°180\degree时，另一镜面的反射像也落在同一处，表明镜面平行于仪器主轴，望远镜光轴垂直于仪器主轴。
  4. 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的焦平面上，使物镜射出平行光。

测量三棱镜的顶角

  1.将三棱镜放在载物台上，调整工作面于望远镜垂直。
  2.测量三棱镜顶角AA：固定望远镜和刻度盘，转动游标盘，使ACAC面正对望远镜，记录游标1和游标2的读数，分别为θ1\theta_1和θ2\theta_2；转动游标盘，使ABAB面正对望远镜，记录游标1和游标2的读数，分别为θ1′\theta_1'和θ2′\theta_2'；载物台转过的角度ϕ=∣θ1−θ1′∣+∣θ2−θ2′∣2\phi=\frac{|\theta_1-\theta_1'|+|\theta_2-\theta_2'|}{2}，三棱镜的顶角A=π−ϕA=\pi-\phi。

实验数据

角度 θ1\theta_1 θ2\theta_2 θ1′\theta_1' θ2′\theta_2'
1 1 85°35′ 85 \degree 35 ' 265°31′ 265 \degree 31 ' 205°33′ 205 \degree 33 ' 25°31′ 25 \degree 31 '
2 2 95°44′ 95 \degree 44 ' 275°41′ 275 \degree 41 ' 215°41′ 215 \degree 41 ' 35°40′ 35 \degree 40 '
3 3 95°43′ 95 \degree 43 ' 275°41′ 275 \degree 41 ' 215°40′ 215 \degree 40 ' 35°39′ 35 \degree 39 '

数据处理

发现测量时θ2′\theta_2'跨过刻度线，对数据修正后计算ϕ\phi，表格如下：

角度 θ1\theta_1 θ2\theta_2 θ1′\theta_1' θ2′\theta_2' ϕ\phi
1 1 85°35′ 85 \degree 35 ' 265°31′ 265 \degree 31 ' 205°33′ 205 \degree 33 ' 385°31′ 385 \degree 31 ' 119°59′ 119 \degree 59 '
2 2 95°44′ 95 \degree 44 ' 275°41′ 275 \degree 41 ' 215°41′ 215 \degree 41 ' 395°40′ 395 \degree 40 ' 119°58′ 119 \degree 58 '
3 3 95°43′ 95 \degree 43 ' 275°41′ 275 \degree 41 ' 215°40′ 215 \degree 40 ' 395°39′ 395 \degree 39 ' 119°57′30′′ 119 \degree 57'30''
  1. ϕ=ϕ1+ϕ2+ϕ33=119°58′10′′\phi=\frac{\phi_1+\phi_2+\phi_3}{3}=119\degree58'10''。
  2. 三棱镜的顶角A=π−ϕ=60°1′50′′A=\pi-\phi=60\degree1'50''。

误差分析

  1. 游标盘的度盘和游标盘的偏心差。
  2. 对齐反射像与上十字重合存在一定的误差。
  3. 望远镜光轴和平行光线难以完全平行和完全垂直于仪器主轴。
  4. 实验员每次观察角度有点不同导致的偏差。

实验结论

  在调整完分光计后，用分光计测得三棱镜顶角A=60°1′50′′A=60\degree1'50''，与理论值相差不大。

思考题

已调好的望远镜光轴垂直于主轴，若将平面镜取下后又放到载物台上，发现反射面不垂直望远镜光轴了，这是为什么？是否说明望远镜光轴没调好？

  由于每次调整时，平面镜和载物台为一个整体，载物台表面并不平整，改变位置后，会对平面镜的平面位置产生改变，导致镜面于望远镜光轴不垂直，影响实验结果。但这种情况并不代表要调整望远镜的光轴，这个只与平面镜与载物台有关，与望远镜无关。