分光计的调节和应用
课时：3学时
教材：《大学物理实验》
简介：
分光计是把多色光分解为单色光供光学测量的仪器。用分光计可以测量光的波长、棱镜角、棱镜材料的折射率和色散率等。它通常利用棱镜或光栅把一束多色入射光分解为从不同角度的出射的单色光，通过对出射光角度的测量来得到它的波长等信息。由于分光计对角度的测量精度较高，它有时也作为一种用光学方法测量角度的精密仪器。在光学实验中常用来测定光线的方向及各种角度。由于有些物理量如折射率、光栅常数、色散率等往往可以通过直接测量有关的角度(如最小偏向角、衍射角、布儒斯特角等)来确定，所以在光学技术中，分光计的应用十分广泛。
实验重点：分光计的结构和原理；利用分光计测定三棱镜的顶角。
实验难点：分光计的调节。
教学目的：
1．了解分光计的结构，学习分光计的调节和使用方法；
2．利用分光计测定三棱镜的顶角。
教学方法：分组实验
实验要求：基本掌握各半调节法
实验仪器：分光计，双面平面反射镜，玻璃三棱镜
实验原理：
图5-6-2是一台实际的分光计。它主要由底座、平行光管、望远镜(又称自准直望远镜)、载物台和圆刻度盘等几部分组成。每部分都有特定的调节螺丝。
（1）分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的转轴。在这个转轴上套有一个圆刻度盘和一个游标盘内盘，这两个盘可以绕它旋转。
（2）平行光管与分光计底座固定在一起。平行光管的一端装有一会聚透镜（物镜)，另一端是装有狭缝的套管，狭缝的宽度可通过螺丝B调节，调节范围为 0.02—2mm。旋松螺丝C可以使狭缝套筒前后移动，以改变狭缝和物镜的距离，当狭缝的平面调到物镜的焦平面上时，则平行光管可以发出平行光。平行光管的俯仰可由倾斜度调节螺丝A来进行调节。
（3）望远镜安装在支臂上，支臂与转轴相连，在支臂与转轴连接处有螺丝D，拧松时，望远镜(和圆刻度盘一起)可绕轴自由转动；旋紧时，不可再转动望远镜，否则会损坏仪器。螺丝E是它的微调螺丝当螺丝D拧紧后，望远镜不能绕轴转动时，用它可以使望远镜绕轴作微小转动。螺丝F是目镜镜筒的制动螺钉，旋松它可调节分划板与物镜之间距离。望远镜光轴的倾斜度由螺丝G调节。分光计上的望远镜通常采用阿贝式自准直目镜，其结构如图5-6-3所示。分划板的透明玻璃上刻有黑十字准线，在该准线的竖线下方，紧贴一块小棱镜，在其涂黑的端面上，刻有透明十字线，利用电珠照明使它成为发光体，而在准线的竖线上方，与透明十字线对称的位置上，有一条黑水平线。
（4）载物台是用来放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的。它与游标盘通过螺钉H相互锁定，拧紧螺丝H后，载物台可和游标盘一起绕分光计游标盘的转轴转动。螺丝I是游标盘的制动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺丝J是游标盘的微调螺丝(图6—9中螺丝J不很清楚)，当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动．载物台下有三只调节螺丝可调节台面的倾斜度。
（6）游标刻度盘，圆刻度盘在分光计出厂时已将它调到与仪器转轴垂直。由于圆刻度盘中心和仪器转轴在制造和装配时，不可能完全重合，因此在读数时会产生偏心差，如图5-6-4所示，圆刻度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心O与转轴重合时，由相差180度的两个游标读出的转角刻度数值相等即AB＝A‘B’。而当圆刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值就不相等，即CD≠C′D′，所以如果只用一个游标读数窗会产生系统误差．由平面几何很容易证明
，所以通过在转轴直径上安置两个对称的游标读数窗，可消除这种系统误差。
游标刻度盘度盘表面镀有金属薄膜，按圆周等分刻有1080条透光线条，格值20′。游标盘表面亦有金属膜，在圆弧13°内等分刻有40条线，格值19′30″。按照游标读数原理，当度盘和游标盘重叠时，每一对准线条格值为30″，度盘和游标盘下方装有照明光源。当光线透过度盘和游标盘重合的线条时，呈亮条纹。因度盘刻线间距与游标盘间距不等，其它线条相互阻档，而无法透光。两个读数窗相隔180°，自两窗分别读出转过的角度，取平均值以消除仪器中心轴和转轴的偏心差。
分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。如图5-6-5 所示．
角度的读法以游标零线为准，先读出零刻线对应的度盘上的度值和分值(每格20′)，再找游标上与度盘上刚好重合的刻线(亮线)，在游标上读出分值和秒值(每格30″)，二次数值相加即为读数值θ。(注意不同型号分光计分度不同)由于度盘和游标格值不等，是一个渐变关系，所以重合的亮条纹数一般为一条或二条同时出现。如图5-6-5（a），应读作
θ＝250°20′十2′＝250°22′
而图5-6-5(b)所示，因出现两条亮线，则可认为两条亮线的中央为“实际对齐线”。故应读作
θ＝175°40′十6′15″=175°46′15″
实验步骤：
1．分光计的调节
为了使分光计能准确地测出待测角大小，必须使待测角所在平面平行于刻度盘平面。为此仪器必须精确调整，以保证：望远镜能观察平行光，即要求望远镜调焦无穷远；平行光管能发射平行光；望远镜和平行光管的光轴与仪器转轴垂直。
将平面反射镜按图5-6-6所示放置在载物台上
(1)
调节望远镜使它调焦到无穷远，先用眼睛估测一下，粗调至望远镜光轴、平行光管光轴和载物台面均大致与分光计转轴垂直，然后再调节望远镜。具体步骤是，首先是旋动望远镜目镜以调节目镜与分划板之间的距离，使在目镜视场中能看到清晰的黑准线像。然后将望远镜对准载物台上的反射镜，使由亮十字线通过物镜发出的光经平面反射镜反射后，又返回到物镜筒中。于是可以看到反射回来的亮十字线像，调节物镜与分划板距离，使亮十字线像最清晰并与黑准线无视差。这时，望远镜已调焦到无穷远，即能观察平行光了。这种调节方法称自准直法。如果在目镜视场找不到亮十字线像，应如何调节?这里介绍一种粗调方法。可以先转动载物台，眼睛直接从望远镜外侧面找到由平面反射镜反射回来的亮点，这时眼睛高度一般比目镜中心高度偏高或偏低，则调节载物台下面螺丝b或c，或者调节望远镜倾斜螺丝——直至眼睛与目镜中心等高后，就可看到由平面镜反射回来的亮十字线像了。
(2)利用二分之一（各半）调节法，调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直
它的调节原理和步骤见图5-6-7。先调节平面镜的倾斜度(调节螺丝b或c)，使目镜中看到的亮十字线像重合在黑准线像的对称位置上，如图5-6-7(a)所示。说明望远镜光轴与镜面垂直．然后使平面镜跟随载物台和游标盘绕转轴转过1800。一般情况下，这二准线不再重合，如二者处在如图5-6-7(b)所示位置上，这时只要调节螺丝b或c，使二者的水平线间距缩小一半，如图5-6-7(c)所示。再调节望远镜的倾斜螺丝G，使二者水平线重合，如图5-6-7(d)所示。然后再使平面镜绕轴旋转1800，观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合，如重合了，说明望远镜光轴已垂直于分光计转轴。若不重合，则重复以上方法进行调节，直到平面镜旋转到任意一面，其镜面都能与望远镜光轴垂直。
(3)调整平行光管使它发出平行光，并使它的光轴也垂直于仪器转轴。开启光源，照明平行光管的狭缝，转动已调好了的望远镜，使正对着平行光管以观察狭缝的像，旋松螺丝C以调节平行光管狭缝与物镜间距离，使从望远镜中观察狭缝的像既细锐又清晰，并与黑准线无视差，这时平行光管已发出平行光。再调节平行光管倾斜度螺丝A使狭缝像位于望远镜分划板中间，这样平行光管的光轴与望远镜光轴平行，也就是说平行光管光轴也垂直于分光计转轴。此时分光计已全部调节完毕，处于待测状态。
2．测量三棱镜的顶角
固定载物台。转动望远镜(也可固定望远镜而转动载物台)，先使棱镜AB面与望远镜光轴垂直，记下望远镜相对于转台的方位角
、
，然后再转动望远镜使AC面与望远镜光轴垂直，记下此时望远镜相对于转台的方位角
、
，如图5-6-10所示．读数之差就是两法线的夹角α，而α为顶角A的补角，重复测量5次，求出α的平均值及其不确定度，然后求得棱镜顶角A．
实验数据：
测量三棱镜的顶角
注意事项：
1．不得用手触摸光学表面
2．转动望远镜时，不要直接推镜筒
3．调节分光计时要先目测粗调
4．测量时游标盘固定不动，主刻度盘随望远镜一起转动
5．左右游标读数不要混淆
