物理实验报告《测定三棱镜折射率》

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物理实验报告《测定三棱镜折射率》

物理实验报告《测定三棱镜折射率》

【实验目的】

利用分光计测定玻璃三棱镜的折射率;

【实验仪器】

分光计,玻璃三棱镜,钠光灯。

【实验原理】

最小偏向角法是测定三棱镜折射率的基本方法之一,如图10所示,三角形ABC表示玻璃三棱镜的横截面,AB和 AC是透光的光学表面,又称折射面,其夹角a称为三棱镜的顶角;BC为毛玻璃面,称为三棱镜的底面。假设某一波长的光线LD入射到棱镜的AB面上,经过两次折射后沿ER方向射出,则入射线LD与出射线ER的夹角 称为偏向角。

图10 三棱镜的折射

由图10中的几何关系,可得偏向角

(3)

因为顶角a满足 ,则

(4)

对于给定的三棱镜来说,角a是固定的, 随 和 而变化。其中 与 、 、 依次相关,因此 实际上是 的函数,偏向角 也就仅随 而变化。在实验中可观察到,当 变化时,偏向角 有一极小值,称为最小偏向角。理论上可以证明,当 时, 具有最小值。显然这时入射光和出射光的方向相对于三棱镜是对称的,如图11所示。

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图11 最小偏向角

若用 表示最小偏向角,将 代入(4)式 得

(5)

(6)

因为 ,所以 ,又因为 ,则

(7)

根据折射定律 得,

(8)

将式(6)、(7)代入式(8)得:

(9)

由式(9)可知,只要测出入射光线的最小偏向角 及三棱镜的顶角 ,即可求出该三棱镜对该波长入射光的折射率n .

【实验内容与步骤】

1.调节分光计

按实验24一1中的要求与步骤调整好分光计。

2.调整平行光管

(1)去掉双面反射镜,打开钠光灯光源。

(2)打开狭缝,松开狭缝锁紧螺丝3。从望远镜中观察,同时前后移动狭缝装置2,直至狭缝成像清晰为止。然后调整狭缝宽度为1毫米左右(用狭缝宽度调节手轮1调节)。

(3)调节平行光管的倾斜度。将狭缝转至水平,调节平行光管光轴仰角调节螺丝29,使狭缝像与望远镜分划板的中心横线重合。然后将狭缝转至竖直方向,使之与分划板十字刻度线的竖线重合,并无视差。最后锁紧狭缝装置锁紧螺丝3。此时平行光管出射平行光,并且平行光管光轴与望远镜光轴重合。至此分光计调整完毕。

3.测三棱镜的折射率

(1)将三棱镜置于载物台上,并使玻璃三棱镜折射面的法线与平行光管轴线夹角约为60度。

(2)观察偏向角的变化。用光源照亮狭缝,根据折射定律判断折射光的出射方向。先用眼睛(不在望远镜内)在此方向观察,可看到几条平行的彩色谱线,然后慢慢转动载物台,同时注意谱线的移动情况,观察偏向角的变化。顺着偏向角减小的方向,缓慢转动载物台,使偏向角继续减小,直至看到谱线移至某一位置后将反向移动。这说明偏向角存在一个最小值(逆转点)。谱线移动方向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角。

1 用望远镜观察谱线。在细心转动载物台时,使望远镜一直跟踪谱线,并注意观察某一波长谱线的移动情况(各波长谱线的逆转点不同)。在该谱线逆转移动时,拧紧游标盘制动螺丝27,调节游标盘微调螺丝26,准确找到最小偏向角的位置。

2 测量最小偏向角位置。转动望远镜支架15,使谱线位于分划板的中央,旋紧望远镜支架制动螺丝21,调节望远镜微调螺丝18,使望远镜内的分划板十字刻度线的中央竖线对准该谱线中央,从游标1和游标2读出该谱线折射光线的角度 和 。

3 测定入射光方向。移去三棱镜,松开望远镜制动螺丝21,移动望远镜支架15,将望远镜对准平行光管,微调望远镜,将狭缝像准确地位于分划板的中央竖直刻度线上,从两游标分别读出入射光线的角度 和 。

4 按 计算最小偏向角 (取绝对值)。

5 重复步骤1~6,可分别测出汞灯光谱中各谱线的最小偏向角 。

6 按式(9)计算出三棱镜对各波长谱线的折射率。计算折射率n的数据表格3。

【数据记录及处理】

表3 测量最小偏向角

钠光波长()

次数 游标1 游标2

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