物理《測定三棱鏡折射率》的實驗報告

2020-10-07 報告

　　【實驗目的】

　　利用分光計測定玻璃三棱鏡的折射率；

　　【實驗儀器】

　　分光計，玻璃三棱鏡，鈉光燈。

　　【實驗原理】

　　最小偏向角法是測定三棱鏡折射率的基本方法之一，如圖10所示，三角形ABC表示玻璃三棱鏡的橫截面，AB和 AC是透光的光學表面，又稱折射面，其夾角a稱為三棱鏡的頂角；BC為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。假設某一波長的光線LD入射到棱鏡的AB面上，經過兩次折射后沿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 三棱鏡的折射

　　由圖10中的幾何關系，可得偏向角

　　(3)

　　因為頂角a滿足，則

　　(4)

　　對于給定的三棱鏡來說，角a是固定的，隨和而變化。其中與、、依次相關，因此實際上是的函數，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于三棱鏡是對稱的，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棱鏡的頂角，即可求出該三棱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，打開鈉光燈光源。

　　(2)打開狹縫，松開狹縫鎖緊螺絲3。從望遠鏡中觀察，同時前后移動狹縫裝置2，直至狹縫成像清晰為止。然后調整狹縫寬度為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。然后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，并無視差。最后鎖緊狹縫裝置鎖緊螺絲3。此時平行光管出射平行光，并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．測三棱鏡的折射率

　　(1)將三棱鏡置于載物臺上，并使玻璃三棱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，然后慢慢轉動載物臺，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后將反向移動。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，并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，擰緊游標盤制動螺絲27，調節游標盤微調螺絲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，使譜線位于分劃板的中央，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，從游標1和游標2讀出該譜線折射光線的角度和。

　　3 測定入射光方向。移去三棱鏡，松開望遠鏡制動螺絲21，移動望遠鏡支架15，將望遠鏡對準平行光管，微調望遠鏡，將狹縫像準確地位于分劃板的中央豎直刻度線上，從兩游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 重復步驟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）計算出三棱鏡對各波長譜線的折射率。計算折射率n的數據表格3。

　　【數據記錄及處理】

　　表3 測量最小偏向角

　　鈉光波長

　　次數游標1 游標2

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