北京航空航天大学研究性物理实验论文Word格式.docx
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14——支臂;
15——望远镜微调螺钉;
16——望远镜与度盘联结螺钉;
17——望远镜固紧螺钉（位于图后与螺钉16对称位置）;
18——制动架
（一）;
19——底座;
20——转座;
21——度盘;
22——游标盘;
23——立柱;
24——一游标盘微调螺钉;
25——游标盘固紧螺钉;
26——平行光管光轴水平调节螺钉;
27——平行光管光轴俯仰调节螺钉;
28——狭缝宽度调节螺钉
（一）三角底座
在一角底座中心，装有一垂直的固定轴，望远镜、主刻度圆盘、游标刻度圆盘都可绕它旋转，这一固定轴称分光仪主轴。
（二）刻度固盘
圆盘上刻有角度数值的称为主刻度盘，在其内侧有一游标盘，在游标盘上相对180°
处刻有两个游标。
主刻度盘和游标刻度盘都垂直于仪器主轴，并可绕主轴转动。
读数系统由主刻度盘和游标盘组成，沿度盘一周刻有360个大格，每格1°
，每大格又分成两小格，所以每小格为30′。
主刻度盘内侧有一游标盘。
主刻度盘可以和望远镜一起转动，游标盘可以和载物台一起转动，游标盘在它的对径方向有两个游标刻度，游标刻度的30个小格对应主刻度盘刻度的29个小格，所以这一读数系统的准确度为1′。
它的读数原理与游标卡尺完全相同。
（三）载物平台
载物平台用来放置光学元件，如棱镜光栅等，在其下方有载物台调平螺钉3只，以调节平台倾斜度。
用螺钉可调节载物平台的高度，当固紧时平台与游标盘固联。
固紧螺钉可使游标盘与主轴固联；
拧动螺钉，可使载物台与游标盘一起微动。
（四）自准直望远镜自准直望远镜的结构如图所示，它由目镜、全反射镜、叉丝分划板及物镜组成。
目镜装在A筒内，全反射棱镜和叉丝分划板装在B筒内，物镜装在C筒顶部，A筒通过手轮可在B筒内前后移动，B筒可在C筒内移动。
叉丝分划板上刻有双十字叉丝和透光小十字刻线，并且上叉丝与小十字刻线对称与中心叉丝，全反射棱镜紧贴其上。
开启光源S时，光线经全反射棱镜照亮小十字刻线。
当小十字刻线平面处在物镜的焦平面上时，从刻线发出的光线经物镜变成平行光。
如果有一平面镜将这一平行光反射回来没再经物镜，必成像于焦平面上，于是从目镜中可以看到叉丝和小十字刻线的反射像，并且无视差。
如果望远镜光轴垂直于平面反射镜，反射镜将于上叉丝重合。
这种调节望远镜光轴使之适于观察平行光的方法成为自准直法，这种望远镜称为自准直望远镜。
望远镜通过螺钉的固紧可与主刻度盘固联，又可通过螺钉的固紧与主轴固联，此时拧动望远镜微调螺钉，望远镜将连同主刻度盘绕主轴微动。
（五）平行光管平行光管与底座固联，靠近仪器主轴的一端装有平行光管的物镜，另一端装有可调节狭缝套管，前后移动套管，使得狭缝处在物镜的焦平面上，于是由狭缝产生的光通过物镜后变成平行光。
2、分光仪的调节原理和方法
分光仪常用于测量入射光与出射光之间的角度，为了能准确测得此角度，必须满足两个条件①入射光与出射光均为平行光；
②入射光与出射光均与刻度盘平面平行。
为此须对分光仪进行调整：
使平行光管发出平行光，其光轴垂直于仪器主轴（即平行于刻度盘平面）；
使望远镜接收平行光，其光轴垂直于仪器主轴；
须调整载物平台，使其上旋转的分光元件的光学平面平行于仪器主轴。
下面介绍调整方法。
（1）粗调
调节水平调节螺钉，使望远镜居于支架中央，并目测调节望远镜俯仰螺钉，使光轴大致与主轴垂直，调节载物平台下方的3只螺钉外伸部分等长，使平台平面大致与主光轴垂直。
这些粗调对于望远镜光轴的顺利调整至关重要。
（2）调节望远镜
◇望远镜调焦于无穷远
调节要求：
根据前述自准直原理，当叉丝位于物镜焦平面时，叉丝与小十字刻线的反射像共面，即绿十字与叉丝无视差，此时望远镜只接收平行光，或称望远镜调焦于无穷远。
调节方法：
在载物平台上（见下图）放置平面反射镜，构成上图所示的自准直光路。
开启内藏照明灯泡，照明透光小十字形刻线。
调节目镜（转动目镜手轮，筒壁螺纹结构使得目镜筒在叉丝分划板筒内前后移动），改变目镜与叉丝分划板之间的距离，直至看清反射镜沿水平方向的方位，若平面反射镜的镜面在俯仰方向上已大致垂直于望远镜光轴，则在旋转载物台的过程中，总可以在某一位置，通过目镜看到一个绿色十字（可能不太清晰），如看不到则应视情况调节望远镜下方的俯仰螺钉或载物台下方的或螺钉，再一次粗调望远镜光轴大致与平面反射镜的镜面垂直。
前后伸缩叉丝分划板套筒B，改变叉丝与物镜之间的距离，直到在目镜中清晰无视差的看到一个明亮的绿色小十字（透光小十字刻线的像）为止。
◇调整望远镜光轴与仪器主轴垂直
调整原理：
若望远镜光轴垂直于平面反射镜镜面，且平面镜镜面平行于仪器主轴，则望远镜光轴必垂直于仪器主轴。
此时若将载物台绕仪器主轴转180°
，使平面镜另一面对准望远镜，望远镜光轴仍将垂直于平面镜。
若望远镜光轴开始时垂直于平面镜，但不垂直于仪器主轴，亦即平面镜镜面不平行于主轴，则将平面镜反转180°
后，望远镜光轴不再垂直于平面镜镜面。
由光路成像的原理可知，当望远镜光轴垂直于平面镜镜面时，反射像绿十字与上叉丝重合。
若同时有平面镜镜面平行于仪器主轴，则平面镜反转180°
后，仍有望远镜主轴与平面镜垂直，绿十字仍与上叉丝重合。
此时必有望远镜光轴垂直于主轴。
若平面镜镜面不平行于仪器主轴，则平面镜反转180°
后，绿十字与上叉丝将不再重合。
调整方法：
在望远镜调焦于无穷远的基础上，观察绿色小十字，一般它会偏离上叉丝，调节载物台调平螺钉或，使绿色小十字向上叉丝移近1/2的偏离距离，再调节望远镜俯仰调节螺钉，使绿色小十字与上叉丝重合，这时，望远镜光轴与平面镜镜面垂直。
将平面镜反转180°
，重复调节载物台调平螺钉或，并调节望远镜俯仰调节螺钉，使绿色小十字各自消除1/2与上叉丝的偏离量，再次使望远镜光轴与屏幕镜镜面垂直。
如此重复几次，直至平面镜绕主轴旋转180°
，绿色小十字始终都落在上叉丝中心为止。
每进行一次调节，光轴与主轴垂直状态及平面镜与主轴的平行状态就改善一次。
多次调节，逐渐达到完全改善为止，故称为逐次逼近调节。
又由于每次各调1/2的偏离量，故又称半调法。
◇调整叉丝分划板的纵丝与主轴平行
分划板的上叉丝与纵丝是互相垂直的。
当纵丝与主轴不平行时，绕主轴转动望远镜，在望远镜视场中，会看到绿色小十字的运动轨迹与上叉丝相交。
只要微微转动（不能有前后滑动）叉丝镜筒，达到绿色小十字的运动轨迹与上叉丝重合，叉丝方向就调好了。
平行光管的调整
◇使平行光管产生平行光
当被光所照明的狭缝刚好位于透镜的焦平面上时，平行光管射出平行光。
将已调节好的望远镜对准平行光管，拧动狭缝宽度调节手轮，打开狭缝，松开狭缝套筒锁紧螺钉，前后移动狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中无视差的看到边缘清晰的狭缝像时，平行光管即发出平行光。
◇调平行光管光轴与仪器主轴垂直
望远镜光轴已垂直仪器主轴，若平行光管与其共轴，则平行光管光轴同样垂直主轴。
旋转望远镜至观察到狭缝像，调整平行光管俯仰调节螺钉，使狭缝像的中点与中心叉丝重合（中心叉丝与狭缝中点都可视为望远镜与平行光管光轴所垂直通过的地方）；
或将狭缝横放，调平行光管的俯仰调节螺钉至狭缝的固定边与中心叉丝重合。
至此，分光仪的调整已基本完成，现已满足两个条件：
○1入射光与出射光均为平行光；
○2入射光与刻度盘平面平行，但出射光还未调至与刻度盘平面平行，这一步与具体的测量内容有关，需结合分光仪的应用来进行。
三棱镜的放置
如上图所示，按逆时针方向称三棱镜的三个顶角为A、B、C，AB、AC构成待测顶角A的光学面，BC为磨沙面。
放置时，令三棱镜的AB（BC、AC）边平行于载物台上的径线（、）。
这样一来，在调节（）线下的调平螺钉a（c）时，整个棱镜将以（ba）为轴转动，由于AB（AC）面与bc（ba）垂直，故不会影响AB（AC）面与仪器主轴的相对关系。
调三棱镜的AB面和AC面与望远镜光轴垂直
此调整在已调好望远镜的基础上进行。
先用自准直法调AB面与望远镜光轴垂直（即AB面与仪器主轴平行），如不垂直，可调节调平螺钉b或c；
再转动载物平台将AC面转向望远镜，此时可且只可调节调平螺钉a使AC面与望远镜光轴垂直，因为调a不会破坏已调好的AB面与望远镜光轴的垂直关系。
从以上叙述中可体会到，三棱镜的放置与调平螺钉的调节，要遵循调整第二面的方位时不致改变第一面的方位的原则。
按照此原则，并掌握当某调平螺钉到平台中心的连线与三棱镜的一棱面平行时。
调节此螺钉不会改变该棱面的方位的规律，调整就会得心应手，否则会给调整带来麻烦。
在调整三棱镜的过程中，可以看到应保证望远镜光轴的旋转平面与主轴的垂直关系不变，否则将造成测量角度的误差，损失分光仪测角的准确度。
反射法测三棱镜定焦的测量原理：
旋转载物台至三棱镜顶角A对准平行光管，使部分平光由AB面反射；
另一部分平行光由AC面反射。
当望远镜在I位置观察到AB面反射的狭缝像，在II位置观察到AC面反射的狭缝像时，望远镜转过了角度θ，由图可知
又因为
实验三棱镜折射率的测量
最小偏角法
如图所示，单色平行光束入射到三棱镜AB面，经折射后由AC面出射，出射光线与入射光线的夹角称为偏向角δ。
沿主截面入射的光线DE在界面AB上发生第一次折射，由折射定律有
折射光线EF入射到界面AC上发生第二次折射，同理有
设三棱镜顶角为A，由△EOF和△EPF可知
可见对顶角一定的棱镜而言，偏向角δ随入射角而变；
对某一个值，偏向角有最小值，称为最小偏向角。
由最小偏向角条件可以证得
最终有
三、实验仪器
分光仪、平面反射镜、三棱镜、钠灯和电源。
四、实验步骤
实验1分光仪的调整
根据实验原理部分提供的方法对分光仪进行调整
要求：
○1平面反射镜反射回来的绿色十字与叉丝无视差。
○2平面镜正、反两面反射回来的绿色十字均与上叉丝重合，且转动平台过程中绿色十字沿上叉丝移动。
○3狭缝像与叉丝无视差，且中心点与中心叉丝等高。
实验2三棱镜顶角的测量
1.调整三棱镜
将三棱镜放置于载物台上，使待测顶角A靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根径线平行，用压杆固定好棱镜。
将望远镜对准三棱镜某光学平面，调节与另一光学平面平行的在载物台径线下螺钉，使绿色十字与上叉丝重合。
同理再调整另一光学平面。
2.用反射法测棱镜顶角
为了准确的测量三棱镜的顶角，除了严格调整分光仪和三棱镜外，尚须准确读取数据和掌握正确的测量方法。
偏心差的消除
在分光仪的生产过程中，分光仪的主刻度盘和游标盘不可能完全同心，读数时不可避免的将产生偏差，称为偏心差，这是仪器本身的系统误差。
消除系统误差的办法是采用对径读数法。
设开始时，左边游标的读数为，右边游标的读数为，当望远镜或载物平台转过某一角度后，左边游标的读数为，右边游标的读数为，可以由左边的读数得到其转角，由右边读数得到，然后取其平均值,这就可以消除偏心差，得到准确的结果。
减小主刻度盘刻度不均匀造成的系统误差
如果主刻度盘不均匀，测量时将产生一定的系统误差。
为了减少此误差，需在刻度盘不同部位进行多次测量，然后取其平均值。
测量方法：
每次测量时应改变初始值，即开刻度盘固紧螺钉，单独旋转—，测量次数不少于5次。
注意：
推动望远镜的时候应推动望远镜支臂，切勿推动望远镜镜筒，以免破坏望远镜与仪器主轴的垂直关系，造成角度测量的超差。
实验3棱镜折射率的测量
用最小偏向角法测棱镜折射率
旋转载物平台，使平行光入射三棱镜的AB面，用望远镜在AC面观察折射光线，之后沿某方向缓慢转动平台，可看到谱线随平台转动向一个方向移动，当移到某个位置时突然向反方向折回，这一转折位置即该谱线的最小偏向位置。
测量此位置处谱线与入射光线的夹角，此即最小偏向角。
五、数据处理
1、实验原始数据记录
反射法测量三棱镜顶角
角度
组别
-
1
247º
10
67º
127º
12
307º
20
119º
58
50
54
2
63º
3
243º
303º
123º
15
51
57
122º
302º
8
2º
182º
15
119º
50
53
51.5
4
183º
22
3º
28
243º
39
54
49
5
357º
23
117º
27
237º
25
57º
30
58
57
57.5
补充说明：
=
×
[（
−
）+（
）]
2、数据计算和处理过程
A类不确定度
B类不确定度
合成不确定度
由于
所以
最终结果
最小偏向角法测量棱镜折射率
298º
30
118º
24
247º
40
67º
35
50º
0.8871
0º
33
180º
309º
45
129º
48
0.8869
52º
232º
1º
181º
16
47
0.8866
121º
301º
70º
27
250º
46
0.8863
20
18
2、实验数据处理
不确定度的计算
由反射法测量顶角实验可知
A=1.0463U（A）=0.0003
所以可求折射率为
最终结果为
六、误差分析
本实验中的误差包括仪器本身造成的误差和人眼观察时产生的误差。
仪器圆盘刻度不均匀造成系统误差，仪器调节时并未严格符合要求造成误差，读数时人眼观察没有与刻度盘垂直造成观察误差，读数时人手误触了仪器造成仪器发生变化，光线发生偏移造成误差。
七、实验改进部分
实验改进建议
仪器的调整
本实验中我们需要对分光仪进行调整，使得平行光管发出平行光，其光轴垂直于仪器主轴；
使望远镜接受平行光，其光轴垂直于仪器主轴，使载物平台上的分光元件光学平面平行于仪器主轴。
在调节望远镜光轴与主轴垂直是往往需要耗费较多时间，对此我们可以使用仪器（如水平仪）粗调望远镜和载物台水平，方便下一步的调整，节约时间。
另外我们也可以利用迈克尔逊干涉实验中利用激光调整的方法在望远镜上固定一激光器与望远镜主轴平行，使激光通过一小孔，射在平面镜上，根据反光点的位置调整载物台螺钉，使反光点回到小孔即可。
在调节载物台下面的螺钉时，可以发现载物台时常与螺钉发生相对滑动，容易对后续的调整造成麻烦，因此可以将载物台和螺钉的材料改为铁磁性物质，减少相对位移的产生。
数据的测量
在测量数据时，人眼视线未与表盘垂直容易造成视觉偏差，因此我们可以将数字表盘改为可以显示角度的电子表盘，可以消除人眼的偏差，便于读数和记录。
八、实验感想
本实验作为光学实验，对仪器调节的准确性要求非常高，仪器的准确调节是实验进行下去的前提。
本实验前的粗调过程十分重要，如果第一步没有做好，以后就会事倍功半。
所以本实验要一步一步进行，切不可急于求成。
本实验调节实验现象的过程中，狭缝的宽度影响实验测量的准确性，如果没有控制狭缝的宽度，那么实验的数据结果就会超出误差限，实验就会失败。
本实验的数据记录的过程中，我们需要按照老师要求的数据记录顺序来记录四个角度，如果没有按照此顺序来进行，数据的测量误差就会偏大，这是光学实验中不允许的。
此外，我们可以采取一些测量技巧，比如将角度的初值
调整到整数刻度，可以部分减少实验观测造成的误差。
另外应当提前设计好数据记录表格，这样既能在记录数据时有条不紊，也能大大减轻数据处理的工作量。
还能减少实验出错的可能性。
另外的注意事项还有，在实验进行的过程中，人的身体部位极易与仪器发生误触，应予以注意。
九、实验原始数据记录
说明：
本实验报告最后附实验时的原始数据记录纸，并且附有实验老师的确认签字。
十、对教学改革的建议
大学基础物理实验是培养学生数理基础中十分重要的环节，应予以足够重视，今年来，随着互联网信息的普及，学生可以从网路上获取许多信息，包括物理实验的相关数据。
因此物理实验的教师要在实验中尽可能避免抄袭数据现象的发生。
对此可以采取建立数据库，对实验数据进行查重比较等手段。
参考文献：
[1]李朝荣等.基础物理实验（修订版）.北京.北京航空航天大学出版社
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