物理《測定三稜鏡折射率》的實驗報告

物理《測定三稜鏡折射率》的實驗報告

  【實驗目的】

  利用分光計測定玻璃三稜鏡的折射率;

  【實驗儀器】

  分光計,玻璃三稜鏡,鈉光燈。

  【實驗原理】

  最小偏向角法是測定三稜鏡折射率的基本方法之一,如圖10所示,三角形ABC表示玻璃三稜鏡的橫截面,AB和 AC是透光的光學表面,又稱折射面,其夾角a稱為三稜鏡的頂角;BC為毛玻璃面,稱為三稜鏡的底面。假設某一波長的光線LD入射到稜鏡的AB面上,經過兩次折射後沿ER方向射出,則入射線LD與出射線ER的夾角 稱為偏向角。

  圖10 三稜鏡的折射

  由圖10中的幾何關係,可得偏向角

  (3)

  因為頂角a滿足 ,則

  (4)

  對於給定的三稜鏡來說,角a是固定的, 隨 和 而變化。其中 與 、 、 依次相關,因此 實際上是 的函式,偏向角 也就僅隨 而變化。在實驗中可觀察到,當 變化時,偏向角 有一極小值,稱為最小偏向角。理論上可以證明,當 時, 具有最小值。顯然這時入射光和出射光的方向相對於三稜鏡是對稱的,如圖11所示。

  圖11 最小偏向角

  若用 表示最小偏向角,將 代入(4)式 得

  (5)

  或

  (6)

  因為 ,所以 ,又因為 ,則

  (7)

  根據折射定律 得,

  (8)

  將式(6)、(7)代入式(8)得:

  (9)

  由式(9)可知,只要測出入射光線的最小偏向角 及三稜鏡的頂角 ,即可求出該三稜鏡對該波長入射光的折射率n .

  【實驗內容與步驟】

  1.調節分光計

  按實驗24一1中的要求與步驟調整好分光計。

  2.調整平行光管

  (1)去掉雙面反射鏡,開啟鈉光燈光源。

  (2)開啟狹縫,鬆開狹縫鎖緊螺絲3。從望遠鏡中觀察,同時前後移動狹縫裝置2,直至狹縫成像清晰為止。然後調整狹縫寬度為1毫米左右(用狹縫寬度調節手輪1調節)。

  (3)調節平行光管的傾斜度。將狹縫轉至水平,調節平行光管光軸仰角調節螺絲29,使狹縫像與望遠鏡分劃板的中心橫線重合。然後將狹縫轉至豎直方向,使之與分劃板十字刻度線的豎線重合,並無視差。最後鎖緊狹縫裝置鎖緊螺絲3。此時平行光管出射平行光,並且平行光管光軸與望遠鏡光軸重合。至此分光計調整完畢。

  3.測三稜鏡的折射率

  (1)將三稜鏡置於載物臺上,並使玻璃三稜鏡折射面的法線與平行光管軸線夾角約為60度。

  (2)觀察偏向角的變化。用光源照亮狹縫,根據折射定律判斷折射光的出射方向。先用眼睛(不在望遠鏡內)在此方向觀察,可看到幾條平行的彩色譜線,然後慢慢轉動載物臺,同時注意譜線的移動情況,觀察偏向角的變化。順著偏向角減小的方向,緩慢轉動載物臺,使偏向角繼續減小,直至看到譜線移至某一位置後將反向移動。這說明偏向角存在一個最小值(逆轉點)。譜線移動方向發生逆轉時的偏向角就是最小偏向角。

  1 用望遠鏡觀察譜線。在細心轉動載物臺時,使望遠鏡一直跟蹤譜線,並注意觀察某一波長譜線的移動情況(各波長譜線的.逆轉點不同)。在該譜線逆轉移動時,擰緊遊標盤制動螺絲27,調節遊標盤微調螺絲26,準確找到最小偏向角的位置。

  2 測量最小偏向角位置。轉動望遠鏡支架15,使譜線位於分劃板的中央,旋緊望遠鏡支架制動螺絲21,調節望遠鏡微調螺絲18,使望遠鏡內的分劃板十字刻度線的中央豎線對準該譜線中央,從遊標1和遊標2讀出該譜線折射光線的角度 和 。

  3 測定入射光方向。移去三稜鏡,鬆開望遠鏡制動螺絲21,移動望遠鏡支架15,將望遠鏡對準平行光管,微調望遠鏡,將狹縫像準確地位於分劃板的中央豎直刻度線上,從兩遊標分別讀出入射光線的角度 和 。

  4 按 計算最小偏向角 (取絕對值)。

  5 重複步驟1~6,可分別測出汞燈光譜中各譜線的最小偏向角 。

  6 按式(9)計算出三稜鏡對各波長譜線的折射率。計算折射率n的資料表格3。

  【資料記錄及處理】

  表3 測量最小偏向角

  鈉光波長

  次數 遊標1 遊標2

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