求一篇大学物理光学的论文，不是网上出现的那种大的，不学术太专业的。

研究和分析

杨桂红

(08物理二班200802050253)

简介:

我们的生活离不开阳光。通常我们认为太阳光是一种单色光(单一波长的光)。其实我们周围的光就是多色光(由两种或两种以上单色光组成的光)，是由不同波长的单色光组成的。

广义上讲，具有周期性空间结构或光学性质(如透过率、折射率)的衍射屏统称为光栅。光栅有很多种，如透射光栅和反射光栅、平面光栅和凹面光栅、黑白光栅和正弦光栅、一维光栅、二维光栅和三维光栅等等。本实验使用的光栅是用全息技术拍摄的全息透射光栅。如果光栅表面被污染后不易清洗，使用时要特别注意。

分光计是一种可以精确测量角度的光学仪器。常用于测量材料的折射率、色散率、光波波长和光谱观测。因为该设备是精密的，具有许多复杂的控制部件，所以必须严格按照一定的规则和程序进行调整，以便测量精确的结果。

摘要:分光计是一种典型的能够精确测量折射角的光学仪器。常用于测量材料的折射率、色散率、光波波长和光谱观测。由于该装置精密，控制部件多，操作复杂，必须严格按照一定的规则和程序进行调整，才能获得高精度的测量结果。

关键词:分光计、棱镜、折射率

摘要:分光计是一种能精确测量折射角的典型光学仪器，常用于测量物质的折射率、色散率、波长和光谱观测。由于设备越精密，控制元件和操作也越复杂，因此必须严格按照一定的规则和程序进行调整才能得到高精度的测量结果。

关键词:分光计，棱镜，折射率

二、实验的目的:

1，了解分光计结构，学习分光计的正解调整和使用方法；

2.用分光计测量棱镜的顶角；

3.学会用最小偏转角法测量棱镜的折射率。

三、实验仪器:

光谱仪主要由五部分组成:三角基座、准直器、望远镜、标定盘和载物台。图中调节装置的名称和功能见表1。

图1光谱仪基本结构示意图

表1分光计调节装置的名称和功能

代号功能

1狭缝宽度调节螺丝调节狭缝宽度，改变入射光宽度。

2狭缝装置

3当松开狭缝装置的锁紧螺丝时，来回拉动狭缝装置以调节平行光。调整后，将其锁定以固定狭缝装置。

4准直仪产生平行光。

5.光学元件被放置在台上。三个细牙螺钉7安装在台面下方，用于调节台面的倾斜度。松开螺钉8，提升并旋转载物台。

6.夹持待测物体的簧片并将光学元件夹持在载物台上。

7个载物台调节螺钉(3个)用于调节载物台的水平。

8松开载物台的锁紧螺丝，载物台可以独立旋转和升降；锁定后，载物台可与读数光标盘同步旋转。

9望远镜观察光学元件作用后的光线。

当松开10目镜装置的锁紧螺钉时，目镜装置可以伸长和旋转(望远镜调焦)；锁定后，固定目镜装置。

11阿贝式自准直目镜装置可以望远和旋转(望远镜对焦)。

12目镜调焦手轮调节目镜焦距，使十字线和叉丝清晰。

13望远镜光轴仰角调节螺丝调节望远镜的仰角。

14望远镜光轴水平调节螺丝调节这个螺丝，使望远镜在水平面内旋转。

15望远镜支架

两个光标对称排列在16光标盘上。

17光标被分成30个单元格，每个单元格对应一个角度1’。

18望远镜微调螺钉该螺钉位于图14-1的反面。锁定伸缩支架的制动螺钉21后，调整螺钉18，使伸缩支架轻微转动。

19表盘分为360°，最小刻度为半度(30’)。如果小于半度，用光标读取。

20目镜照明电源打开电源20，从目镜可以看到一个绿点和一个黑十字。

21伸缩支架制动螺钉该螺钉位于图14-1的反面。锁定后，望远镜支架只能用望远镜微调螺钉18稍微旋转。

望远镜支架用刻度盘锁紧螺钉锁紧后，望远镜与刻度盘同步转动。

23光谱仪电源插座

光谱仪的三角底座，是整个光谱仪的底座。底座的中心沿竖直方向设有转轴套，整个望远镜组件、刻度盘和游标盘可绕中心轴独立转动。准直器固定在三角形底座的一只脚上。

25准直仪支架

26游标卡尺调节螺钉锁紧游标卡尺制动螺钉27后，调节螺钉26可使游标卡尺轻微转动。

27锁紧游盘式制动器螺钉后，游盘式制动器只能用游盘式微调螺钉26稍微转动。

28准直器光轴水平调节螺钉调节螺钉，使准直器在水平面内旋转。

29通过调节螺钉调节准直器光轴的仰角。

四、实验原理:

棱镜如图1所示。AB和AC是透明光学面，也叫折射面，它们的夹角叫棱镜顶角。BC是毛玻璃面，称为棱镜的底面。

图2棱镜示意图

1.用反射法测量棱镜顶角

如图2所示，一束平行光入射到棱镜上，被AB面和AC面反射的光分别沿方向出射，与方向的夹角记为，由几何关系可知:



图3反射法测量顶角

2.用最小偏转角法测量棱镜玻璃的折射率。

假设一束单色平行光LD入射到棱镜上，经两次折射后沿ER方向出射，那么入射光LD与出射光ER之间的夹角称为偏转角，如图3所示。

图4最小偏离角的确定

当棱镜旋转时，入射光在光学表面AC上的入射角改变，并且出射光的方向ER也改变，即偏转角改变。继续沿着偏转角减小的方向缓慢旋转棱镜，使偏转角逐渐减小；转到某个位置时，如果继续往这个方向转，偏转角会逐渐增大。在该位置，偏转角达到最小值，并且测量最小偏转角。可以证明棱镜材料的折射率与顶角和最小偏转角的关系如下

实验中，棱镜的顶角和最小偏转角由分光镜测量，棱镜材料的折射率可由上述公式计算。

实验内容和步骤:

1.分光计的调整(分光计结构如右图所示)

调整前，您应熟悉所用光谱仪中以下螺钉的位置:

(1)目镜调焦(见十字线对准)手轮；②调整望远镜对焦时的手轮(或螺丝)(看清物体)；③调节望远镜高低倾斜度的螺丝；(4)控制望远镜转动的制动螺钉(连同刻度盘)；⑤调节载物台水平状态的螺钉；⑥控制载物台旋转的制动螺钉；⑦准直器上调节狭缝宽度的螺钉；⑧调谐

调节准直器高度和倾斜度的螺钉；图5

⑨准直器聚焦槽套筒制动螺钉。

(1)目视粗调。通过目测将望远镜、载物台、准直器粗调至水平并垂直于中心轴(粗调是后期微调的前提和保证)。

(2)用自准直法调整望远镜，使其聚焦于无穷远。

(1)调整目镜调焦手轮，直到可以清楚地看到十字线“对准”为止。

②接通小照明灯电源，打开开关，在目镜视场内可以看到如图4所示的“对准”和带有绿色小十字的窗口。

图6目镜视野

③按照图5所示的方向将双面镜放在载物台上。这样放置是基于这样的考虑，如果要调整平面镜的俯仰，只需要调整台下的螺丝a1或者a2，螺丝a3的调整与平面镜的俯仰无关。

图7平面镜的放置

(4)沿望远镜外侧观察，可以在平面镜中看到一个明亮的十字。当你轻轻旋转舞台时，明亮的十字架也会旋转。但如果用望远镜看平面镜，往往看不到这个明亮的十字，也就是说望远镜发出的光没有被平面镜反射到望远镜里。

我们还是把望远镜对准舞台上的平面镜，调整反射镜的俯仰，旋转舞台让反射光回到望远镜，让透明十字发出的光穿过物镜(此时物镜出来的光不一定是平行光)，然后被平面镜反射，再被物镜再次聚焦，从而在十字线上形成一个模糊的像斑(注:以上步骤是平滑调整的关键)。然后先调整物镜和十字线之间的距离，再调整十字线和目镜之间的距离，这样你就可以从目镜上既看到准线又能看到十字架清晰的反射像。注意使瞄准线和亮十字的反射像之间的差异被忽略。如果有视差，需要反复调整才能消除。如果没有视差，说明望远镜已经聚焦到无限远了。

(3)调整望远镜的光轴与光谱仪的中心轴垂直。

准直器和望远镜的光轴分别代表入射光和出射光的方向。为了精确地测量角度，它们的光轴必须分别平行于刻度盘。在制造时，刻度盘垂直于光谱仪的中心轴。因此，当望远镜垂直于光谱仪的中心轴时，就满足了平行于表盘的要求。

具体的调整方法是:平面镜仍垂直放置在载物台上，使望远镜分别对准平面镜的前后镜，利用自准直的方法可以分别观察到两个亮十字的反射像。如果望远镜的光轴垂直于分光计的中心轴，平面镜的反射面平行于中心轴，当载物台旋转时，从望远镜上可以观察到两次平面镜前后表面反射的亮十字像完全与分划板的上十字线重合，如图6(c)所示。如果望远镜的光轴不垂直于光谱仪的中心轴，平面镜的反射面不平行于中心轴，那么从望远镜观察到的两个明亮的十字反射像就不会同时与分划板上的十字重合，而是一低一高，甚至只能看到一个。这时候就需要仔细分析确定调整措施，切不可盲目调整。重要的是先做一个粗略的调整:首先，从望远镜外面目视观察，调整到从望远镜外面可以观察到两个明亮的十字图像；然后微调:当从望远镜的视场可以观察到亮十字时，无论平面镜的哪一个反射面对准望远镜，如果从望远镜上看到的视准线与亮十字像不重合，它们的交点在高度上相差一定距离，如图6(a)所示。此时，调节望远镜倾斜螺钉，将间隙减小到h/2，如图6(b)所示。然后调节载物台下方的水平调节螺钉，消除另一半距离，使对准的上十字线与亮十字线重合，如图6(c)所示。之后将载物台旋转180o，使望远镜朝向平面镜的另一侧，同样调整。重复这种调整，直到当旋转载物台时，从平面镜的前表面和后表面反射的亮十字图像可以与标线的上十字线重合。此时望远镜的光轴垂直于光谱仪的中心轴，也就是通常所说的逐次逼近半调法。

图8亮十字图像和标线对准之间的位置关系。

(4)调整准直器

用之前调整过的望远镜调整准直器。当准直器发出平行光时，狭缝成像在望远镜物镜的焦平面上，在望远镜中可以清晰地看到狭缝像，与准直线无差异。

①调节准直器以产生平行光。取舞台上的平面镜，关掉望远镜中的小灯，用钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自准直器的狭缝像，调整准直器狭缝与透镜的距离，直到望远镜中可以看到清晰的狭缝像，然后调整狭缝宽度，使望远镜视场中的狭缝宽度约为65438±0mm..

②调整准直器的光轴，使其垂直于光谱仪的中心轴。当在望远镜中看到清晰的狭缝像时，将狭缝(但不能前后移动)旋转到水平状态，调节准直器的倾斜螺钉，使狭缝的水平像在分划板的中心十字线上上下等分，如图7(a)所示。此时，准直器的光轴垂直于光谱仪的中心轴。然后将狭缝旋转到垂直位置，保持狭缝图像最清晰，忽略差异，如图7(b)所示。

图9狭缝图像和标线的位置

此时，分光计已经完全调整好了。使用时一定要注意，光谱仪上的其他螺丝不能随意转动，否则会破坏光谱仪的工作条件，需要重新调整。

测量

正式测量前，请找出您使用的光谱仪中以下螺丝的位置:①控制望远镜转动的制动螺丝(连同刻度盘)；②控制望远镜微动的螺钉。

(1)反射法测量棱镜顶角

如图2所示，将棱镜顶角对准准直器，打开钠灯使平行光照射在棱镜的AC和AB面上，拧紧游标尺圆盘制动螺丝，固定游标尺圆盘的位置，松开望远镜制动螺丝，旋转望远镜(连同刻度盘)找到AB面反射的狭缝像， 然后拧紧望远镜螺丝，用望远镜微调螺丝使垂直线和狭缝完全重合，此时记录两者。 将望远镜转向交流表面，进行同样的测量。有空的

棱镜的顶角是

重复测量三次，取平均值。

(2)棱镜玻璃折射率的测定

分别松开游标尺盘和望远镜的制动螺丝，转动游标尺盘(连同棱镜)，使平行光进入棱镜的交流面，如图3所示。转动望远镜，在AB平面找到准直器中狭缝的图像。然后向一个方向慢慢转动光标盘(连同棱镜)，观察望远镜中狭缝像的移动。当随着光标盘的旋转向一个方向移动的狭缝图像将要开始向相反方向移动时，固定光标盘。轻轻转动望远镜，使十字线上的垂直线与狭缝图像对齐，并将两个光标指示的读数记录为；然后取下棱镜，旋转望远镜使其直接对准准直器，将十字线上的垂直线对准狭缝像，记录对称的两个光标所指示的读数，即可得到。

重复测量三次，取平均值。用上面的公式求棱镜的折射。

五、实验注意事项:

1.望远镜和准直器上的透镜，棱镜和平面镜的镜面不能用手触摸或擦拭。如果发现灰尘，要用镜头纸轻轻擦拭。棱镜和平面镜不允许碰撞或摔落，以免损坏。

2.光谱仪是比较精密的光学仪器，你要多打理。刹车螺丝锁紧时，不要随意强行转动望远镜或拧动狭缝。

3.在测量数据之前，一定要检查分光计的几个刹车螺丝是否锁紧。如果它们没有被锁定，那么获得的数据将是不可靠的。

4.测量时应正确使用望远镜转动的微调螺钉，以提高工作效率和测量精度。

5.在读取光标的过程中，由于望远镜可能位于任何方向，因此应注意在旋转过程中望远镜是否已通过刻度的零点。

6.调整的时候要调整一个方向。这时候有些已经调好的螺丝就不能再随便拧了，否则之前的努力都白费了。

7.望远镜的调整是一个关键点。首先转动目镜手轮看十字线，然后扩大目镜筒看清楚十字。

六、思考问题:

1.分光计调节有什么要求？其起诉的标准是什么？

答案:①几何要求:“三纵”。即载物台的平面、望远镜的主光轴和准直器的主光轴必须垂直于光谱仪的中心轴。

②身体要求:“三重聚焦”。即叉丝聚焦目镜，望远镜聚焦无穷远，狭缝聚焦准直物镜。

③检验三纵的标准:“四平行”。即，装载平台的平面、望远镜的主光轴、准直器的主光轴和读数盘彼此平行。

④检验三倍对焦的标准:“三倍清晰”。也就是说，目镜里叉丝清晰，明十字(绿十字)像清晰，望远镜里狭缝清晰。

2.望远镜系统如何调整，这是重点和难点内容？

答:①目测粗调。

(2)打开小灯调整目镜，看清叉丝。

(3)在舞台上放一个双平面镜(位置如影片画面所示，为什么？)，调整物镜(倾斜角度和扩展)和物镜台(螺丝)，使双面镜两侧的绿十字图像清晰，忽略差异。此时望远镜已经无限聚焦。

④调整望远镜的光轴，使其垂直于光谱仪的转轴。使双面镜两面都有绿十字像。然后用“半步近似法”(对照胶片说明，必要时演示)使望远镜光轴垂直于分光计中心轴，即叉丝像与调节叉丝完全重合。

3.准直器怎么调？

答:①以调整好的望远镜为基准，调整准直器下部的倾斜螺丝，使其发出平行光。

②调整准直器的狭缝宽度(强调:不要损坏刀口！)

③使准直器的光轴垂直于光谱仪的旋转轴。将目镜中看到的水平和垂直狭缝图像居中。

七、误差分析:

在测量棱镜折射率的实验中，当分光计的准直器光轴与望远镜光轴垂直于中心轴时，从实验中可以看出，载物台平面的倾斜对最小偏转角的测量没有影响，但顶角的测量随载物台平面的倾斜有不同的影响。

八、实验经验:

1，提高了我们的综合分析能力，当面对一个问题时，首先要考虑如何解决，然后再开始考虑解决的具体方法。实验前一定要提前预习，把整个实验的原理、过程、注意事项都掌握清楚，这样才能保证你的实验能够又快又好的完成。预习的时候要有目的，心里清楚实验的重点在哪里，必须注意的问题在哪里。设计实验步骤。分析实验的每一个细节，把实验误差降到最低。这些都使我们初步培养了实验的素质和能力。

2.在实验中培养科学严谨的态度，尊重客观事实，客观认真的对待任何实验。实验正式开始前，要对实验仪器和材料进行检查，核对无误，确保实验顺利进行。在我们开始之前，我们应该在我们开始之前，在我们的心中比较实验知识。在实验过程中，重新开始需要一丝不苟的态度和实事求是的态度。注意每一步，每一个细节。

3.我们已经养成了细心和耐心的习惯。在实验中，一定要有耐心，因为实验的每一个变化都可能是潜移默化的，一定要全神贯注才能发现，不能急于求成。如果实验数据与正确数据相差太大，就要回忆整个实验过程，找出每一步的问题，再做一遍。

4.知道了很多仪器的使用方法，在光学实验室良好的环境和设备下得到了很好的锻炼，对很多仪器的调试和测量以及如何减少实验误差有了清晰的认识。我认为这将在我们未来的实验中非常有用。

5.实验老师的耐心和认真态度给我留下了深刻的印象。指导我们实验的每个老师对工作都非常认真。实验前老师一般会讲解实验中的注意事项，并耐心讲解我们实验中的问题。而且，在我们实验的过程中和实验结束后，老师们启发我们思考实验的一些延伸内容，这将有助于我们将实验的内容与课本紧密联系起来，更全面地掌握知识。

九、测试总结:

首先，光学实验的仪器测量非常精密，实验中一个非常小的环节都有可能导致实验的失败。以“全反射临界角法测量棱镜的折射率”为例，需要注意的是，在这个实验中分光计是经过校准的，所以在测量时要注意，只能调节载物台的倾斜调节螺丝，不能调节准直器和望远镜的倾斜调节螺丝，否则会导致。

其次，光学实验对数据处理也有较高的要求。数据不仅要求精度高，而且要求精度高，通常会记录多组数据，最后取平均值。

第三，光学实验的测量仪器在测量时通常需要稳定的实验环境。有光源时，通常需要在实验开始前打开光源，使实验进行时光源已经达到稳定。对于“全息摄影”，要求环境的稳定性更高。实验仪器放在防震桌上。安排好仪器的光路后，要用手轻敲桌子，看看光路有没有变化。暴露前，室内实验人员更不要大声喧哗，因为声波振动引起的空气密度变化可能导致实验失败。装膜后，一定要有一段时间，让桌上所有组件自然稳定。即使稳定了干涉条纹，时间也不允许。可以说这个实验是我做过的六个实验中稳定性要求最高的。

第四:我一直认为，做好实验预习是最重要的。在做实验之前，我们可以了解实验的原理和要使用的仪器的用途，这样在实验之前对实验有一个大概的了解，然后通过老师在课堂上的讲解快速掌握仪器的使用方法，这样在做实验的时候就可以得心应手，同时也可以减少因为不了解实验仪器的用途而导致实验失败，甚至损坏仪器的情况。

九、参考文献:

[1]，普通物理实验3，杨，赵主编，高等教育出版社等。

2008版；

[2]《大学物理实验》，张主编，西南交通大学出版社，2009年6月5438+10月；

[3]，大学物理实验教程(第2版)何春娟主编西北工业大学出版社。

2009年4月