一、实训目标
1.了解分光计的结构;
2.理解分光计的工作原理;
3.学会用分光计测定入射光与射出光之间的夹角。
二、实训器材
分光计及其附件、玻璃三棱镜、钠光灯。
三、实训原理
分光计
（1)原理
分光计是一种测量角度的精密仪器。其基本原理是让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线,经过光学元件的反射或折射后,进入望远镜物镜,并成像在望远镜的焦平面上,通过目镜进行观察和测量光线的偏转角度,从而得到折射率、波长、色散率、衍射角等光学参量。
（2)结构
分光计如图13-1所示,主要由平行光管、望远镜、读数装置和载物台组成。
1)平行光管 平行光管由狭缝和透镜组成。松螺丝2可前后移动狭缝套筒,当狭缝位于透镜的焦平面时,平行光管就射出平行光。旋转狭缝宽度调节螺钉,可以改变狭缝的宽度。
2)望远镜 望远镜的结构如图13-2所示。由物镜、阿贝式自准直目镜和分划板（或叉丝)组成。在分划板下方装有一个小棱镜,棱镜的直角面上,有一个“十”字形通光孔。小灯泡发出的光线经棱镜全反射,其传播方向改变90°,从“十”字形透光孔射出。调节目镜至合适位置,可在望远镜目镜中看到如图13-3（a)所示清晰的叉丝像。若分划板处于物镜的焦平面上时,“十”字通光孔射出的光线经过透镜后成为平行光,平行光被垂直于望远镜光轴的平面镜反射回来,成像在分划板上方的十字叉丝上,如图13-3（b)所示。
图13-1 分光计的结构
1.转座;2.望远镜支臂;3.转座止动螺钉;4.望远镜俯仰螺钉;5.度盘;6.游标盘; 7.载物台锁紧螺钉;8.游标盘微调手轮;9.游标盘止动螺钉;10.载物台调平螺钉; 11.平行光管俯仰螺钉;12.狭缝宽度调节手轮;13.狭缝体;14.狭缝体紧锁螺钉; 15.平行光管调焦手轮;16.平行光管;17.载物台;18.望远镜;19.目镜视度调节手轮; 20.望远镜调焦手轮;21.小灯泡;22.小灯泡直流稳压电源插头;23.度盘止动螺钉; 24.望远镜微调螺钉;25.底座
图13-2 分光仪望远镜的结构
望远镜装在支臂上,可以绕其光轴转动,也可以固定在度盘上,绕仪器中心轴旋转。当松开止动螺钉时,度盘与转座可相对转动;当旋紧度盘止动螺钉时,度盘随望远镜绕仪器中心轴旋转。望远镜的光轴可以通过望远镜的高低平调节螺钉、水平调节螺钉和微调螺钉进行调整。
3)载物台 载物台用来放置分光元件,可以绕仪器中心轴转动和升降。当拧紧载物台锁紧螺钉和游标止动螺钉后,借助立柱上的微调螺钉可对载物台进行微调（旋转)。载物台下面还装有3个调平螺钉,用来调节载物台的水平。
图13-3 分光计望远镜的视野
4)读数装置 读数装置由刻度盘和游标盘组成。刻度盘上刻有720等份的刻线,最小刻度值为30′。游标盘上刻有30个小格,其分度值为1′。读数方法和游标卡尺相似。在图13-4中,其读为116°＋12′＝116°12′。
图13-4 分光仪的读数装置
为了消除偏心差,在刻度盘同一直径的两端分别装有游标读数装置,以便在测量时读出两个值,然后取平均值消除偏心差。
望远镜转过的角度φ的计算方法:（θ终、θ起分别为同一个游标终点值和起点值)
①一般情况:φ＝θ终－θ起
②如果望远镜沿刻度盘角度增大的方向转动,并经过360°的位置,则望远镜转过的角度φ＝θ终－θ起＝
③如果望远镜沿刻度盘角度减小的方向转动,并经360°的位置,则望远镜转过的角度φ＝ θ终－θ起＝
四、实训内容及步骤
1.调节分光计
调节分光计目的是实现平行光管与望远镜“同轴等高”,载物台与仪器主轴垂直,平行光管发出平行光,望远镜能接收平行光。
分光仪调节原则是“先外后内,先粗后细,各半调节”。
（1)把仪器放在水平的桌面上,先用目视法将望远镜和平行光管调到与仪器主轴垂直的位置,使平行光管和望远镜光轴大致水平;再调载物台调平螺钉,使载物台平面与仪器主轴垂直。
（2)使望远镜能接收平行光:
图13-5 平面反射镜的放置
①打开电源开关,点亮照明小灯,调节目镜与叉丝间距离,直至分划板刻度成像清晰;
②将平面镜放到载物台的中心轴上,如图13-5所示,即光学平面垂直于载物台两个调平螺钉的连线。
③松开游标盘止动螺钉,转动载物台,使平面镜偏离望远镜一小角度,让眼睛在望远镜旁边的同一高度,向平面镜看去,能看到平面镜反射的亮“十”字像在望远镜的下部（如果看不到则需要微调载物台下的调节螺钉或望远镜下微调螺钉,直到看到为止)。然后再从目镜中观察,并适当转动游标盘,即可看到一个亮“十”字。旋转望远镜调节手轮,改变望远镜与目镜的距离,将亮“十”字调清晰,此时,望远镜就能接收平行光。
（3)调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴:
当望远镜内出现清晰的亮“十”字后,亮“十”字一般不在准确位置,可能与分划上分的十字线有高度差h,如图13-6（a)所示。
图13-6 各半调节法调节亮“十”字
①调节载物台调平螺丝S1、S3,使亮“十”字向分划板上线移动一半的距离,如图13-6（b)所示。
②调节望远镜垂直调节螺丝,使高差完全消除,如图13-6（c)所示。
③转动载物台,使亮“十”字与分划板上的“土”字叉丝重合。
④将载物台转过180°,重复①、②的操作,使亮“十”字与分划板上的“土”字叉丝重合。
⑤反复调整,使平面镜的两个反射回来的亮“十”字像都能与分划板上的“土”字叉丝重合。
⑥将双面反射转过镜转过90°,然后将载物台转动90°,并调节螺钉S2（S1、S3两个螺钉不动)使亮“十”字到达准确位置,这时载物台与仪器的主轴垂直。
（4)调节平行光管产生平行光
①取下平面镜,开钠灯光源,使平行光管狭缝正对钠灯光。
②望远镜正对平行光管,从望远镜中观察,沿光轴方向前后移动狭缝,直到看到清晰的狭缝像与分划板上的“土”字叉丝无视差。
③从望远镜中观察,调节狭缝的宽度,使其缝宽约1mm。
④调整平行光管光轴与仪器主轴垂直。
⑤旋转狭缝,使狭缝像与分划板的竖直线平行,调节平行光管高低调节螺钉,使狭缝像中心与分划板中心重合。
至此,分光计主轴分别与望远镜和平行光管垂直,望远镜与平行光管等高。平行光管能够发出宽窄合适的平行光,望远镜能接收平行光,分光计处于工作状态。
2.测试分光计望远镜目镜的视角
（1)在调节好分光计水平的基础上,固定载物台、内刻度盘（游标盘)和底座,使它们不再绕着底座转动。然后固定外刻度盘（主刻度盘)和望远镜,使旋转望远镜的同时,外刻度盘同时跟着望远镜一块转动,且保证完全同步,不能发生错位。
（2)测目镜的最大视角
①将望远镜的亮“十”字叉丝的横线调整到与“土”的下横线对齐,将望远镜亮“十”字叉丝沿着“土”字下横线移最左端,分别读出左游标和右游标的角度θ左、θ右并记录在表13-1中。
②将望远镜亮“十”字叉丝沿着“土”字下横线移最右端,分别读出左游标和右游标的角度θ左、θ右并记录在表13-1中。
③重复①、②的步骤测试两次,并算目镜的最大视角的平均值。
注意事项:
①分光计是较精密的光学仪器,调节螺钉比较多,在不清楚这些螺钉的作用和用法以前,请不要乱动,也不要随意拧动狭缝,以免损坏分光计。
②在调节平行光管狭缝宽度时,只能在望远镜目镜中看到狭缝像后,边看边调,千万不要损坏刀口。
③不能用手触摸平面镜的面镜,要注意保护。
④操作时,手不要摸刻度盘上的刻度,以免磨损刻度。
⑤使用游标盘或望远镜的微调焦机构后,若需再转动载物台或望远镜,则必须拧松转座止动螺钉、游标盘微调螺钉、游标盘止动螺钉、度盘止动螺钉后再转动,以免损坏仪器。归整仪器时,松开这4颗螺钉。
五、数据记录与分析
1.数据记录
表13-1 测量入射光线与反射光线的夹角
2.计算入射光线与反射光线的夹角θ
六、思考题
1.分光计的双游标读数与游标卡尺的读数有何异同点？
2.调节望远镜时,若平面镜反射的亮“十”字在向分划板“土”叉丝的上方,而载物台转180°后,亮“十”字在分划板“土”叉丝的下方,应如何调整？
3.调节望远镜时,若平面镜反射的亮“十”字在向分划板“土”叉丝的上方,而载物台转180°后,亮“十”字仍在“土”分划板叉丝的上方,应如何调整？
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