文档介绍：实验6 分光计的调节三棱镜折射率测定
分光计是一种精确测量角度的光学仪器。利用它不但能测出反射角、透明介质的折射角、光栅的衍射角、棱镜的顶角、劈尖的角度,从而确定与这些角度有关的物理量,如折射率、光波波长、色散率、光栅常数等,而且它的结构和调节方法与其它一些光学仪器(如摄谱仪、单色仪等)相类似。因此,有必要掌握分光计的调整和使用方法。
当光从一种介质进入另一种介质时,光线将产生偏折,这就是光的折射。当一束平行光通过棱镜玻璃时,光也发生折射。对同一波长的光,不同的棱镜材料折射率不同,同一种棱镜材料,对于不同波长的入射光其折射率也不相同,如果入射光为多种波长的光组成的复合光,在棱镜后面的观察屏上将观察到折射光谱,即观察到色散现象。
本实验通过观察汞光谱线通过三棱镜后的折射光谱,了解光的色散现象,并用最小偏向角法测定三棱镜的折射率。
【实验目的】
了解分光计的主要构造及各部分的作用。
掌握分光计的调节要求和使用方法。
观察光的色散现象。
学习三棱镜顶角的测量方法。
学习用最小偏向角法测定棱镜材料的折射率。
【仪器用具】
JJY型分光计、汞灯及电源、三棱镜、平面反射镜
【实验原理】
用最小偏向角法测三棱镜的折射率
如图10-1所示,有一折射率为的三棱镜,一束平行的单色光以入射角(入射光与AB面法线的夹角)入射到三棱镜的AB面上,经两次折射后由另一面AC射出,出射角(出射光与AC面法线的夹角)为,入射光与出射光之间的夹角称为偏向角,理论上可以证明,当入射角等于出射角时,入射光和出射光之间的夹角最小,称为最小偏向角
。
图6-1 三棱镜的折射
由图6-1a可知:
(6-1)
光线从空气入射到棱镜,又从棱镜出射到空气,由折射定律,有:
(6-2)
(6-3)
当时,由式(6-2)和式(6-3)得到,于是,式(6-1)可写成:
(6-4)
又因为
即
(6-5)
由式(6-4)、式(6-5)有:
将上式代入式(6-2)并考虑到式(6-5),得:
(10-6)
从式(6-6)可知,只要测出三棱镜顶角A和最小偏向角,就可以计算出棱镜玻璃对该波长的单色光的折射率。
当入射光不是单色光时,虽然各种波长的光的入射角都相同,但出射角并不相同,表明折射率也不相同。对于一般的透明材料来说,折射率随波长的减小而增大,通常,手册中给出的材料的折射率如果未作特别标明的话,。
用反射法测定三棱镜顶角的原理
图6-2所示为反射法测三棱镜顶角的光路图。一束平行光入射到三棱镜上,被三棱镜的两个光学面反射,由几何关系和光的反射定律得到,两个光学面的反射光之间的夹角,其中A是三棱镜的顶角。即只要测出,就可以得顶角:
(6-7)
图6-2 反射法测三棱镜顶角
自准直望远镜的原理
用分光计测量角度,是根据光的反射和折射定律测量入射光和出射光的方位角而实现的。要达到测量的目的,分光计必须满足以下三个要求:①入射光和出射光(如反射光、折射光等)均为平行光;②入射光与出射光所构成的平面与仪器转轴垂直(即与刻度盘平面平行)。
为此,分光计上装有能产生平行光的平行光管,能接收平行光的望远镜,以及能承载光学元件的载物平台,这三者的方位都能利用各自的调节螺钉作适当的调整。为了测出角度,还配有读数用的刻度盘和游标盘。它们构成了分光计的主要部件。
图6-3 自准直望远镜的结构
1-平面镜;2-物镜;3-双十字分划板;4-入射光;5-绿十字透光窗;6-绿色棱镜;7-目镜;8-绿十字反射像
分光计的望远镜使用的是阿贝式自准直望远镜,所谓自准直就是利用光学成像原理使物和像都处在同一个平面上的方法,自准直望远镜是利用无限远的物经平面镜反射仍成像在无限远这个成像原理实现自准直的。图6-3为阿贝式自准直望远镜的结构图,其主要部件为一包括目镜和双十字分划板等光学部件的自准直目镜,要实现自准直,须先将贴着分划板的绿十字透光窗照亮,使其成为一发光的物体,调节目镜,使它处在目镜的焦平面上以便于观察,然后调节它的位置,使它处在物镜的焦平面上时,经望远镜出射后成平行光,被平面镜反射后该平行光又射回望远镜(对于望远镜来说该平行光如同来自无限远的物),成像在分划板上(对于平面镜来说如同来自无限远的物被反射后仍成像在无限远),这样,像和物就处在同一平面上了,望远镜就能适合平行光了。
【仪器介绍】
JJY型分光计的构造
图6-4 JJY型分光计的结构示意图
1-平行光管狭缝锁紧螺钉;2-平行光管狭缝装置;3-平行光管狭缝调节螺钉;4-平行光管倾斜度调节螺钉;5-平行光管水平方向调节螺钉;6-平行光管,7-载物台锁紧螺钉;8-载物台;9-载物台调平螺钉;10-望远镜;11-望远镜目镜锁紧螺钉