实验32 分光计的调节和使用分光计是用来精确测量角度的光学仪器，物理实验中常用来测量三棱镜的顶角，折射率，研究光栅衍射特性，测光波波长等。

每一种应用都需要对分光计进行精确的调节，分光计的结构复杂而精密，调节难度大，其调节是本实验的重点和难点。

因此，熟悉分光计的基本结构和掌握它的基本调节要求和方法，对调整和使用其它光学仪器具有普遍的指导意义。

【实验目的】1. 了解分光计的结构和各部分的作用；2. 学会用“二分之一调节法”正确调节分光计；3. 掌握用分光计测角的方法，并测量三棱镜的顶角A。

【实验仪器、用具】分光计，单色光源，双平面反射镜，三棱镜等。

【实验原理】1. 分光计的结构与角度测量原理分光计由望远镜、平行光管、刻度盘、载物台与底座５个部分组成。

如图32-1所示。

1-望远镜锁紧螺钉，2-望远镜，3-载物台水平调节螺钉，4-三棱镜，5-分光计主轴，6-载物台，7-平行光管，8-平行光管狭缝锁紧螺钉，9-平行光管水平调节螺钉，10-游标盘止动螺钉，11-底座，12-望远镜止动螺钉，13-刻度盘与望远镜固定螺钉，14-刻度盘与游标盘，15-望远镜水平调节螺钉图32-1 分光计结构示意图1.1 望远镜望远镜是由一个长焦距的物镜和一个短焦距的目镜组成。

物镜的像方焦点(焦平面)与目镜的物方焦点(焦平面)几乎重合，在它们的共同焦平面处装有一块分划板，用以对望远镜进行调焦。

物镜和目镜均为凸透镜的望远镜称为开普勒望远镜，目镜为凹透镜的称为伽利略望远镜。

分光计中望远镜的基本结构与开普勒望远镜一样，不同的是在其分划板上贴有一个特制的直角小棱镜及对分划板的特殊设计(如图32-2)，棱镜的一个直角面紧贴在分划板上，面上除留有一个“╋”字形透光孔以外，其余部分为不透光面。

棱镜的另一个直角面朝向镜筒下方，可以从其下方的开孔处射入照明光线(常用发光二极管发出的绿色光)，用以照亮“╋”字窗。

分划板上的调焦准线形状为“”形，即在图形视野中的一个居中“┼”分划线的上半部分的一半处，又有一较短的横线，短横线与竖直线形成的“┼”字(称为调节“┼”字)形与小棱镜的透光“╋”字窗关于水平长线为镜面对称。

这种特制的准线是为了调节望远镜严格水平而设计的。

称这种结构的望远镜为自准直望远镜，即可以用自准直法进行调节的望远镜，如图32-3所示。

图32-2 自准直望远镜结构图示意图小棱镜图32-3 望远镜自准直法调节光路图1.2 平行光管平行光管是用来产生平行光的装置。

分光计中的平行光管比较简单，即由两个套在一起并可以相对移动的圆筒组成，如图32-4所示。

在图中左侧圆筒的外端面上装有一个可以调节宽度的狭缝装置，调节狭缝的两个刀口之间的距离，可以获得一条很细的线光源。

在图中右侧的圆筒的外端面上，装有一个凸透镜。

通过调节旋钮调节两筒的相对位置，使狭缝正好位于透镜的焦平面上，因为狭缝上各点与透镜主光轴的距离都不远，则从透镜出射的光可以看成是平行光。

图32-4 平行光管结构示意图 1.3 角度测量装置及其角度测量原理角度测量装置包括望远镜支架、载物台与刻度盘。

在分光计的底座上装有一个竖直的轴，称为分光计的主轴。

望远镜、刻度盘、载物台都可以绕主轴转动，也可以用锁紧螺钉使其固定而不再能绕主轴转动。

（1）望远镜支架如图32-1所示，望远镜通过套在主轴上的支架可以绕主轴转动，锁紧螺钉13可使望远镜与刻度盘构成一个整体(即转动望远镜时带动刻度盘一起转动)；锁紧螺钉12则望远镜不能绕主轴转动，此时可通过下方微调旋钮小范围微调其位置；螺钉15用于调节望远镜水平；调节望远镜前端的水平位置调节螺钉可使其对反射像准载物台中心。

（2）载物台载物台用来放置光学器件，如平面镜、三棱镜、光栅等。

它由两个圆形平板和连接两个平板的3个可调螺钉构成。

下面的一个平板固定于套在主轴上的套筒上，上面的一个平板可以通过调节3个可调螺钉调节其高度和表面水平。

（3）刻度盘(角游标)与分光计角度测量原理刻度盘一个套装在主轴上的大圆环上，称为刻度盘。

刻度盘沿其内圆周边进行了角度刻度(720分格，360º)，其分度为0.5º(30´)。

另一个套装在主轴上的小圆盘上，称为游标盘。

游标盘与刻度盘共面，其圆周与刻度盘的内圆周相切（紧密接触，但可以相对移动），在圆盘的圆周上装有两个游标，构成两个读数窗口，两个游标间对应点的角度差为180º。

游标的刻度与刻度盘的角度刻度相互接触，便于读数。

游标读数的分度值为1´，即游标的30个小格对圆盘中心所张的角度与刻度盘上29个小格对圆盘中心所张的角度相等(即二者每格的张角相差1´) 。

读数方法按游标原理读取，读数时，先看游标零刻度线指示的主刻度盘的角度值，再由游标与主刻度盘上的刻线对得最准的第n 条线给出30´以下的角度值n (03' n )，然后二者相加。

读数示例见图32-5，刻度盘上读数为03139'︒，游标上刻线14与刻度盘刻线重合，故读数为44139'︒。

图32-5 分光计角度读数示意图当用调节好的分光计测量某一光线所在角位置时，先将望远镜与入射光线(平行光管轴线)对准，记下此时两个窗口的角度读数。

然后连同望远镜一起转动刻度盘，找到待测光线以后，再次记下两窗口的角度读数。

以第一次读数为零点，两次读数之差即为光线偏离入射方向的角度，这就是分光计测量角度的原理。

（4）消偏心差测量光线的角位置时，为了提高读数精度，每次读数都必须读取两个游标刻度所指示的角度值，然后求平均。

目的是为了消除由于刻度盘刻划中心O 与其旋转中心'O （即仪器主轴）不重合所引起的偏心差。

如图32-6，望远镜实际转角为ϕ，由于偏心从刻度盘上读出的角度是1ϕ和2ϕ，由几何关系可得122ϕϕϕ+=即11221['']2ϕθθθθ=-+- （32-1） 式中，1θ、2θ分别是望远镜初始位置的游标“1”和游标“2”的读数；1'θ、2'θ分别是望远镜转过ϕ角后游标“1”和游标“2”的读数。

图32-6 偏心差原理图2. 分光计光学系统的水平调节由分光计测量角度的原理可知，能够进行角度测量的前提条件是入射光线和经光学器件后的出射光线所在的平面必须与望远镜的光轴平行，这就要求平行光管、望远镜和载光物台与分计主轴垂直，且平行光管和望远镜基本等高，同时载物台的高度能使光线射到放在其上的光学器件上，最好在器件的中部位置。

这一工作为分光计光学系统的水平调节，简称为分光计的调节，其中关键是调节望远镜光轴与分光计主轴垂直。

调节分光计的望远镜光轴与主轴垂直是用自准直法成像原理(见实验31)进行的。

将平面反射镜放置在载物台上，放置方法如图32-7示。

当使发光二极管发出的绿色光从贴在望远镜分划板上的小三棱镜的入射光孔射入小棱镜后，由45º斜面反射，照亮“╋”字透光窗。

由透光窗上每一点出射的光经过物镜折射后成为平行光，当在望远镜前方的载物台上竖直放置一个反射平面镜M 时，经M 反射的光仍为平行光，只是其方向角发生了改变，反射光经物镜再次折射后又会聚在分划板上，即物镜的焦平面上，因而通过目镜可以在分划板上看到“╋”字透光窗的自准直反射像。

如果载物台平面与望远镜光轴已经都处于水平状态(即与主轴垂直)，则所成的像应位于分划板上半视野中的“┼”字即调节“┼”字处，如图32-3所示。

(想想为什么？)若望远镜的光轴、载物台平面不与主轴垂直，则透光窗的像将不会位于分划板上的调节“┼”处，此时须反复同时调节望远镜的光轴方向和载物台平面的倾斜度，直到使透光窗的像位于分划板上的调节“┼”处，具体做法为如图32-8所示。

先调节望远镜水平调节螺钉，见图32-1（15），使“╋”字像向调节“┼”字靠近一半，再调节载物台靠近望远镜一侧的高度调节螺钉(图32-7螺钉2或3)，使其再次向调节“┼”字靠近一半，通过两次一半高度的调节使两十字重合。

称此方法为二分之一调节法。

图32-7 平面镜反射镜放置示意图 图32-8 十字重合调节示意图由于载物台是由两个平板组成的，下面的平板是固定在望远镜的主轴上，而上面板并没有套装在主轴上，只是由安装在下面板上的3个螺钉顶起，以上的调节并不能保证望远镜的光轴与分光计的主轴垂直。

只有载物台的两个平板相互平行了，才能表明望远镜的光轴与载物台平行且与分光计的主轴垂直了。

为了调节载物台的两个平面平行，在平面反射镜的一个面调整完毕后，将载物台旋转180º，另一面也能反射回一个十字，通过前述各调一半的方法调整两十字重合。

反复旋转载物台调节3～5次后可达到望远镜光轴与载物台平行的目的，即望远镜光轴与分光计的主轴垂直。

【实验内容、步骤】 1. 分光计的调节 1.1 分光计调节要求调节分光计应满足以下三个要求：（1）平行光管发出平行光，标志为：在已经调好的望远镜的目镜中可看到狭缝的清晰像。

123（2）望远镜接收平行光，或称望远镜对无穷远聚焦，标志为：从目镜中观察分划板上的叉丝和小绿“╋”字像同时清晰。

（3）平行光管和望远镜的光轴与分光计的主轴相互垂直。

标志为：无论转动载物台多少度（一般是每次转180度）绿“╋”字像总是落在分划板调节“┼”字上，如图32-3所示。

1.2 具体调节步骤1.2.1 调节前的准备工作熟悉仪器，对照分光计的外型图及实物，熟悉各部分的结构及使用方法，尤其要弄清各螺钉的功能和作用。

先把分光计的电源接上，点亮照明小灯，对照图32-1将各个螺钉逐一轻轻扭动,了解其作用，可转动部分逐一松开、转动、锁紧、微动，了解各部分的机械功能后，就可进行正式调节。

具体是：（1) 望远镜单独转动；（2) 外分度盘与望远镜一起转动，通过紧固望远镜和度盘之间紧固螺钉图32-1(13)来实现；（3) 游标盘转动，松开游标盘止动螺钉图32-1(10)；（4) 游标盘固定不动，通过底座和游标盘间止动螺钉图32-1(10)实现；（5) 载物台单独转动、升降；（6) 载物台与游标盘固联并与游标盘一起动、静，通过旋紧载物台紧固螺钉实现。

1.2.2 目测粗调首先将平行光管对准光源，用眼睛估测，调节平行光管、望远镜使其光轴通过载物台的转轴中心。

调节载物台下的三个调节螺钉，使载物台大致水平，尽量垂直于旋转主轴，调节平行光管、望远镜使其光轴与载物台平面大致平行，也就是使平行光管、望远镜和载物台大致处于水平状态。

旋紧望远镜紧固螺钉，以便进行下一步调节。

目测粗调很重要，此步做得是否到位将决定整个调节是否顺利，并可减少后面细调的盲目性。

1.2.3 调节望远镜聚焦无限远（自准直法）（1）将分划板上的叉丝（“”字形线）调清晰：只要转动望远镜视度调节手轮就可以将叉丝调清晰，调好后调节手轮以后不再旋动。