1、實驗四 分光儀的調整及光柵常數的測定分光儀作為基本的光學儀器之一，它是精確測定光線偏轉角的儀器，也稱之為測角儀。光學中很多基本量（如反射角、折射角、衍射角等）都可以由它直接測量。因此，可以應用它測定物質的有關常數（如折射率、光柵常數、光波波長等），或研究物質的光學特性（如光譜分析）。應用分光儀必須經過一系列仔細的調整，才能得到準確的結果。因此，在學習使用過程中，要做到嚴謹、細致，才能正確掌握。【實驗目的】1了解分光儀構造的基本原理。2學習分光儀的調整技術，掌握分光儀的正確使用方法。3利用分光儀測定光柵常數。【實驗原理】1分光儀光線入射到光學元件上，由于反射或折射等作用，使光線產生偏離，分光儀就

2、是用來測量入射光與出射光之間偏離角度的一種儀器。要測定此角，必須滿足兩個條件： 入射光與出射光均為平行光； 入射光、出射光以及反射面或折射面的法線都與分光儀的刻度盤平行。為此，分光儀上裝有能造成平行光的平行光管、觀察平行光的望遠鏡及放置光學元件的載物臺，它們都裝有調節水平的螺釘。為了讀出測量時望遠鏡轉過的角度，配有與望遠鏡連接在一起的刻度盤，如圖4-1所示。各部分別介紹如下： 讀數裝置。在底座19的中央固定一中心軸，度盤22和游標盤21套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉；度盤下端有軸承支撐，使旋轉輕便靈活；度盤上的刻線把360°圓周角分成720等份，每份為30。同一直徑方向兩端各有一個游

3、標讀數裝置，測量時，對望遠鏡的兩個位置中每一位置都讀出兩個數值，然后對同側的差值讀數取平均值，這樣可以消除因偏心引起的誤差（見本實驗參考資料）。 平行光管。立柱23固定在底座上，平行光管3安裝在立柱上，平行光管的光軸位置可以通過立柱上的調節螺釘26、27分別進行左右、水平微調，平行光管有一狹縫裝置1。旋松螺釘2，轉動裝有狹縫的內套筒使狹縫成嚴格的垂直狀，前后移動內套筒，使狹縫嚴格地處在透鏡焦平面上，則平行光管發出狹縫平行光。狹縫的寬度可在0.022.00mm內由螺釘28調節，一般在教師指導下調節。圖4-1 JJY型1´分光計分劃線十字叉絲 圖4-2 望遠鏡結構 圖4-3 分劃板視場

4、望遠鏡。阿貝自準直望遠鏡8安裝在支臂14上，支臂和轉座20固定在一起并套在度盤上。當松開制動螺釘16時，轉座和度盤可以相對轉動，當旋緊此制動螺釘，轉座和度盤一起旋轉。旋緊制動架18與底座上的制動螺釘17時，借助于此制動架末端上的調節螺釘15可以對望遠鏡進行左右轉動微調。望遠鏡的光軸位置，可以通過螺釘12、13分別進行水平、左右微調。圖4-4 衍射光柵阿貝自準直望遠鏡內部結構如圖12-2所示，從目鏡所見分劃板視場如圖4-3。旋目鏡調焦手輪11，使目鏡中能十分清晰地看到分劃板上的分劃線。旋松螺釘9，轉動目鏡組10使分劃線成水平狀。前后移動目鏡組，使分劃板處在物鏡的焦平面上，則亮十字經物鏡發出的光為

5、平行光，當它被反射回望遠鏡時，將在分劃板上成清晰的亮十字像，且與實物亮十字無視差。 載物臺。載物臺5套在游標盤上，可繞中心軸旋轉，旋緊載物臺鎖緊螺釘7和制動架4與游標盤的制動螺釘25時，借助于立柱23的調節螺釘24可以對載物臺進行微調。放松載物臺鎖緊螺釘時，載物臺可根據需要升高或降低。調到所需位置后，再把鎖緊螺釘鎖緊。載物臺有三只調平螺釘6，可用來調節載物臺面，使之與旋轉主軸垂直。 照明。外接6.3V電源，插頭插在底座的插座上，經導電環通到轉座的插座上，望遠鏡系統的照明器插頭與之相接，這樣可以避免望遠鏡系統旋轉時電線拖動。2光柵光柵是由許多等寬度a（透光部分）、等間距b（不透光部分）的平行縫組

6、成的一種分光元件。當波長為的單色光垂直照射在光柵面上時，則透過各狹縫的光線因衍射將向各方向傳播，經透鏡會聚后相互干涉，并在透鏡焦平面上形成一系列間距不同的明條紋。根據夫瑯和費衍射理論，衍射光譜中明條紋的位置由下式決定：（a+b）sink=k（k=0，±1，±2，） （4-1）式中a+b=d稱為光柵常數，k為光譜級數，k為第k級譜線的衍射角。見圖4-4，k=0對應于=0，稱為中央明條紋，其它級數的譜線對稱分布在零級譜線的兩側。如果入射光不是單色光，則由式（4-1）可知，不同，k也各不相同，于是將復色光分解。而在中央k=0，k=0處，各色光仍然重疊在一起，組成中央明條紋。在中央

7、明條紋兩側對稱地分布k=1，2，級光譜線，各級譜線都按波長由小到大，依次排列成一組彩色譜線，如圖4-5所示。根據式（4-1），如能測出各種波長譜線的衍射角k，則從已知波長的大小，可以算出光柵常數d；反之，已知光柵常數d，則可以算出波長。【實驗儀器】 分光儀，鈉光燈，雙平面鏡，光柵。圖4-5 光柵衍射譜【注意事項】1移動望遠鏡時，只能推動立柱14，不允許搬動鏡筒及目鏡。2取放雙面鏡及光柵時只能拿邊緣，不許觸摸表面，且嚴防失手摔碎；不許擦拭光柵。3狹縫寬度要在教師指導下緩慢調節。【實驗步驟】1首先，檢查儀器及用具是否齊全、完好，然后將鈉燈電源插頭插于墻上，打開鈉光燈預熱。打開6V變壓器開關。2目鏡

8、的調焦：轉動接目鏡調焦手輪11直至視場中分劃線清晰。3望遠鏡調焦：取出雙平面鏡，扣在望遠鏡8的前端，即使平面鏡平面與望遠鏡光軸垂直。從目鏡中觀察，可以看到一亮斑，旋松螺釘9，前后微動目鏡組，對望遠鏡進行調焦，使亮斑成為清晰的十字像，旋緊螺釘9。4調整望遠鏡光軸、載物臺平面垂直于旋轉主軸： 粗調：調節載物臺a、b、c三只螺釘使兩圓盤夾縫處螺釘螺紋數大致相等（6個螺紋數最佳）；調節目鏡下方螺釘12使望遠鏡大致水平。細調：把雙平面鏡按圖12-6所示方位放置于載物臺上，左手使灰臺板左右小角度轉動，使平面鏡平面與望遠鏡光軸有橫向垂直機會，眼看目鏡，同時用右手調節望遠鏡水平調節螺釘12（尋找縱向垂直機會）

9、至視場中出現亮十字像，并調12使十字像處于圖4-3所示位置（實際操作中可簡化為十字像橫與分劃線重和）。轉動灰臺板使雙平面鏡轉到反面，用手小角度左右轉動，尋找反面垂直機會，若無十字像出現，立即把平面鏡轉回正面。觀察望遠鏡狀態，看目鏡一端是向上還是向下傾斜? 判斷后，調節螺釘12校正望遠鏡水平，此時，視場中十字像偏離了分劃線（注意：上-不可出視場；下-不過橫叉絲），調節載物臺螺釘a，使亮十字像回到分劃線，經過一次或多次判斷、調節，反面視場中定會看到十字像。但此時反面十字像橫與分劃線不重和。調節螺釘12使十字像向分劃線趨近一半，再調節載物臺螺釘b使二者重合（以下稱一半一半法）；轉回正面，十字像橫與分

10、劃線又不重和了，調螺釘12使十字像向分劃線趨近一半，再調節螺釘a使二者重合。這樣反復多次一半一半地調節，就會使得兩面的十字像橫均與分劃線重合，望遠鏡光軸與旋轉主軸垂直了，但此時載物臺平面不一定與旋轉主軸垂直，這是由于兩條直線確定一個平面。以上僅調了一條直線，即a、b螺釘頂端所在的直線。這時可把雙面鏡按圖4-7所示放置，調節螺釘c（此時不能再動螺釘a、b、12）使雙面鏡正面對應十字像橫與分劃線重合，這時載物臺平面與旋轉主軸垂直了。圖4-6 雙面鏡初放置 圖4-7 雙面鏡轉置5調節分劃板成水平和豎直 當載物臺連同雙平面鏡相對望遠鏡旋轉時觀察，如果分劃線與亮十字的移動方向不平行，就要轉動目鏡組，使亮

11、十字的移動方向與分劃線平行。注意，此時不可破壞望遠鏡的調焦，然后將目鏡的鎖緊螺釘旋緊。6平行光管的調焦 首先關掉望遠鏡目鏡照明器上的光源，拿走載物臺上的雙平面鏡。打開狹縫28，用漫反射光照明狹縫，前后移動狹縫裝置1，使狹縫清晰地成像在望遠鏡分劃板平面上。然后把平行光管光軸左右調整螺釘26調到適中位置，并調節望遠鏡光軸左右調 整螺釘13和平行光管水平調整螺釘27，使狹縫位于視場中心。最后，旋轉狹縫裝置，使狹縫與目鏡分劃板的叉絲豎線平行，注意不要破壞平行光管的調焦，然后將狹縫裝置鎖緊螺釘旋緊。表4-1次數目鏡豎絲位置左端刻度盤讀數右端刻度盤讀數11左一級12右一級1´2´2左一

12、級右一級3左一級右一級7用鈉黃光（=589.3nm）測衍射角：將平行光管正對鈉光燈，并將光柵放在載物臺上使其與平行光管光軸垂直，觀察其零級及一級衍射條紋，可以看到一級衍射條紋是兩條靠得很近的譜線（），=589.3nm是它們的波長的平均值。分別測定左一級、右一級衍射條紋左、右兩端刻度盤的讀數，重復測量三次，并記錄在表4-1中。圖12-8 角游標讀數練習 圖12-9 偏心差原理如此，得本光柵對鈉黃光的一級衍射角為 （4-2）求得此光柵衍射的一級衍射角的三次測量的平均值，取B=1=度，求測量結果的不確定度1，并由求得光柵常數，由1利用不確定度傳遞公式 （4-3）求得d，則光柵常數d=±d。*注意要化為弧度。【思考題】1.應用分光儀進行測量之前，應調節到何種狀態?2.調節分光儀的基本步驟是什么?3.按游標原理，讀出圖4-8中的角度數。參考資料 消除偏心差的原理由于刻度盤中心與游標盤中心并不一定重合，真正轉過的角度同讀出的角度之間會稍有差別，這個差別叫“偏心差”。如圖4-9所示，O與O分別為刻度盤與游標盤的中心，游標盤轉過的角度為，但讀出的角度，在兩個游標上分別為1和2。由幾何原理可知：， 又因