實驗十五 使用光譜儀測量棱鏡的折射率 【實驗?zāi)康摹?1.了解光譜儀的主要結(jié)構(gòu)以及各部分的功能。 2、掌握光譜儀的調(diào)節(jié)要求和使用方法。 3、光聚焦的色散現(xiàn)象。 4. 了解如何檢測棱鏡的內(nèi)角。 5、學(xué)習(xí)用最小偏轉(zhuǎn)角法測量棱鏡材料的折射率。 【儀器及耗材】 JJY 光譜儀、汞燈及電源、棱鏡、平面鏡 【實驗原理】 1、用最小偏轉(zhuǎn)角測量棱鏡的折射率n，如圖15-1所示。 有一折射率為n的棱鏡，一束單色平行光以入射角i1（入射光與AB面法線的傾角）入射到棱鏡的AB面上，則為折射兩次，然后從另一個表面AC發(fā)射。 表面法線的傾斜角為i2，入射光與出射光之間的傾斜角稱為偏轉(zhuǎn)角。 理論上可以證明，當(dāng)入射角i1與出射角i2相等時，入射光與出射光之間的傾斜角最小，稱為最小偏轉(zhuǎn)角δ。 圖15-1a 從圖15-1a可以看出 = (i1-r1)+(i2-r2) (15-1) 光從空氣入射到棱鏡，然后從棱鏡出射到物體空氣。 根據(jù)折射定理，有 (15-2 ) (15-3) 當(dāng)i1=i2時，由式(15-2)和式(15-3)可得，故式(15-1)可得寫為 (15-4) 并且因為 (15-5 ) 由式(15-4)和式(15-5)，將上式代入式(15-2)并考慮式(15-5) ），由式（15-6）可得（15-6），只要測量出棱鏡的內(nèi)角A和最小偏轉(zhuǎn)角，即可求得棱鏡玻璃對該波長單色光的折射率被估計。
當(dāng)入射光不是單色光時，雖然各種波長的光的入射角相同，但出射角不同，說明折射率也不同。 對于通常透明的材料，折射率隨著波長的減小而減小。 一般情況下三棱鏡綠光折射率，指南中給出的材料折射率若未標(biāo)注，通常指波長為589.3nm的鈉黃光。 按照。 2、反射法測量棱鏡內(nèi)角的原理 圖15-2 為反射法測量棱鏡內(nèi)角的光路圖。 一束平行光入射到棱鏡上，被棱鏡的兩個光學(xué)表面反射。 根據(jù)幾何關(guān)系和光的反射定理，得到兩個光學(xué)表面反射光之間的傾角，其中A為棱鏡的內(nèi)角。 即只要測量出內(nèi)角(15-7)即可得到。 【實驗內(nèi)容及要求】 根據(jù)實驗要求調(diào)整光譜儀。 調(diào)整光譜儀以滿足：①望遠鏡可觀察平行光； ②準(zhǔn)直器可發(fā)出平行光； ③望遠鏡光軸和平行光軸垂直于儀器的旋轉(zhuǎn)軸。 將三棱鏡放置在如圖15-3所示的載物臺上，用自準(zhǔn)直的方法調(diào)整三棱鏡的AB，使AC光平面與望遠鏡光軸垂直。 （注意，此時只能調(diào)整載物臺下的調(diào)平螺絲，無法再次調(diào)整望遠鏡） 2、使用反射法測量棱鏡內(nèi)角 （1）將棱鏡放置在載物臺上如圖15-2所示 放置時，確保棱鏡的一個頂點盡可能靠近載物臺中心，并鎖定游標(biāo)； (2)打開水銀燈電源，使準(zhǔn)直器發(fā)出的平行光照射到棱鏡的兩個光學(xué)面上； (3)鎖緊旋轉(zhuǎn)底座和刻度盤鎖緊螺釘，將望遠鏡轉(zhuǎn)到位置1，即望遠鏡視場內(nèi)十字絲反射的準(zhǔn)直器裂紋圖像和AB面反射的準(zhǔn)直器裂紋圖像棱鏡的輪廓，并記錄游標(biāo)盤上的左右光標(biāo)。 之后將望遠鏡轉(zhuǎn)到位置2，使望遠鏡物鏡視場中的十字絲反射棱鏡AC面反射的準(zhǔn)直器的狹縫像，然后讀取左右光標(biāo)的位置當(dāng)望遠鏡處于位置2時游標(biāo)盤上的指示，根據(jù)式（15-6）、式（15-7）估算出棱鏡的內(nèi)角A。
3. 使用最小偏轉(zhuǎn)角法測量三棱鏡的折射率 (1) 將三棱鏡放置在載物臺上，如圖 15-4 所示。 放置時，確保三棱鏡的一個頂點盡可能靠近載物臺中心，并使光線穿過三棱鏡的兩個光學(xué)面； 擰緊望遠鏡和刻度盤的鎖緊螺釘，轉(zhuǎn)動望遠鏡尋找棱鏡的折射光譜，觀察光的色散現(xiàn)象； (3) 選擇綠色譜線作為檢測對象，轉(zhuǎn)動游標(biāo)將載體推到物臺上，將譜線連接到入射光方向。 為了不丟失望遠鏡中的譜線，望遠鏡需要在同一方向上進行通信。 當(dāng)觀測到的譜線正式開始向相反方向溝通時，鎖定游標(biāo)； (4) 轉(zhuǎn)動望遠鏡，使十字準(zhǔn)線與譜線對齊。 該位置對應(yīng)于以最小偏轉(zhuǎn)角發(fā)射的折射光的方向。 記錄游標(biāo)盤上左右光標(biāo)的指示三棱鏡綠光折射率，然后取下棱鏡，將望遠鏡轉(zhuǎn)向入射光方向。 將十字線對準(zhǔn)白色譜線，然后讀取望遠鏡在此位置時游標(biāo)盤上左右光標(biāo)的指示，并利用公式（15-6）估計角點，即為最小偏轉(zhuǎn)角； (5)為減小檢測偏差，重復(fù)前次檢測(5次)，取平均值作為綠色譜線的最小偏差角度； (6)選擇藍紫色譜線，重復(fù)之前的檢測，估計藍紫色譜線的最小偏差角； (7)將估算的內(nèi)角A值和 , 值代入公式(15-6)進行估算，并對結(jié)果進行分析比較。 【注意事項】水銀燈點亮后，需要十幾分鐘才能達到穩(wěn)定工作狀態(tài)； 關(guān)閉后必須將燈頭拆下冷卻十分鐘以上才能重新啟動。
棱鏡是一種精密光學(xué)器件。 請勿用手觸摸棱鏡的光學(xué)表面，以免造成損壞或損壞。 水銀燈的紫外線很強，不要直視，以免凍傷眼睛。 不同顏色的光具有不同的最小偏轉(zhuǎn)角，需要分別檢測。 每次檢測完最小偏轉(zhuǎn)角后，需要檢測光的入射角。 【思考問題】 1、借助平面鏡調(diào)整儀器后，為什么放上棱鏡后還需要調(diào)整載物臺？ 2、用反射法檢測棱鏡角度時，為什么棱鏡在載物臺上的位置要使內(nèi)角遠離準(zhǔn)直器？ 嘗試畫一個光路圖來說明。 3、檢測譜線最小偏轉(zhuǎn)角時，如何放置棱鏡才能使觀測到的折射光譜最甜美、最明亮？