分光計測三棱鏡折射率試驗操作步驟的優化分析

白旭峰，楊艷麗，曲保平

晉中信息學院，山西 晉中 030800

0 引言

分光計是用于精確測量光線偏轉角度的工具，可以觀察到復色光的色散現象，測量光的波長等。分光計測三棱鏡折射率試驗的難度系數較大，在試驗過程中容易遇到各種問題，影響試驗的順利進行。為了進一步提升分光計測三棱鏡折射率的效率，文章對分光計測三棱鏡折射率試驗的步驟進行優化。

1 分光計

分光計是由望遠鏡、載物臺、平行光管、讀數裝置及底座組成的一種光學測量儀器，要想實現精確測量，需要滿足以下三個條件：（1）望遠鏡聚焦無窮遠，即望遠鏡適合觀察平行光；（2）望遠鏡平軸、平行光管光軸和載物臺平面與分光計的中心軸垂直；（3）平行光管折射出的是平行光。分光計調節的主要難點在于如何滿足第二個條件，尤其在對于望遠鏡光軸、載物平臺及分光計的中心軸垂直的調節[1-2]。

2 試驗操作步驟

2.1 折射率公式推算

光線示意圖如圖1所示。

圖1 光線示意圖

圖1 中，入射光線夾角δ表示棱鏡偏向角，涉及的折射定律與幾何關系：sini1=nsini2，nsini3=sini4，i2+i3=a，δ=i1-

偏向角δ與光線的入射角i1之間有一定的關聯。根據上述功能可知，當入射角＝i1出射角i4時，此時δ值最小，即最小偏向角δmin。由此可得

結合折射定律，可得棱鏡玻璃的折射率為

由此可知，要想計算出三棱鏡的折射率，首先需計算出三棱鏡的頂角α和入射光的δ[3]。

2.2 頂角的測量

采用自準法進行三棱鏡頂角測定，需要先將目鏡照明鏡打開，讓光線從望遠鏡光管中射出，并垂直入射在三棱鏡的表面上，使人在目鏡中清晰觀察到平面鏡中反射回來的綠色十字叉絲像，如圖2所示。

圖2 三棱鏡頂角測定

試驗過程中需注意以下操作要點：（1）對載物臺的高度進行調節，使三棱鏡與望遠鏡光管保持在一個水平面上；（2）轉動目鏡視度對手輪進行調節，獲得清晰的目鏡視角；（3）三棱鏡貼在望遠鏡的邊緣上，松開望遠鏡的螺絲，伸縮目鏡，讓反射的十字叉絲像聚焦成像后擰緊螺絲，將三棱鏡放回載物臺；（4）調節望遠鏡光軸，使其達到一個平衡狀態，使反射光進入望遠鏡光管；（5）通過水平儀對載物臺的水平狀態進行調節，使目鏡在三棱鏡的反射面上能夠看到綠色十字叉絲像。

在試驗過程中，需對以上要點予以關注，并確保各項均能夠滿足要點，這樣才能夠快速找到反射面上的綠色十字叉絲像，將豎線與分劃板中央豎線對齊，下游標1.2讀數記作θ1、θ2、θ1′、，可得望遠鏡轉過的角度φ為

頂角α=180。-φ。

2.3 最小偏向角的測量

首先確定入射光線的位置與角度，取下三棱鏡后，將望遠鏡光管與平行光管對齊，打開鈉黃光光源。調節狹縫寬度，確保望遠鏡的目鏡中可以觀察到豎直、清晰的亮黃線，轉動望遠鏡光管，使亮黃線與分劃板中心豎線對齊[4]，下游標的讀數記作并將三棱鏡放回置物臺。

如圖3所示，使得AB透光面能夠與平行光管垂直，BC是磨砂面，依照折射定律，出射光在入射光右方，向右旋轉望遠鏡光管，順利找到出射亮黃光線，依照順時針方向轉動載物臺，觀察出射光線移動狀況。若光線依照順時針的方向移動時，也應順時針的方向轉動載物臺，轉動到某一個位置時，光線會突然沿逆時針的方向轉動，此時出射光線的位置即δmin方向，此時固定載物臺，旋轉望遠鏡光管，使出射光線與分化板中央豎線重合，下游標1、2的讀數記作、，可得

圖3 測量最小偏向角

3 誤差分析及步驟優化措施

3.1 誤差分析

分光計在試驗使用中，分為粗調和細調兩種，其中粗調是細調的基礎。粗調的最佳狀態是能夠使平面鏡的正反面正對望遠鏡的光筒時，都能夠通過目鏡觀測到綠色十字像。但是，在具體試驗操作過程中，由于部分人員缺乏相關的經驗，在粗調時往往過于注重速度而忽視了對分光計的調整，直接進行了細調，進行望遠鏡反射綠色十字像的觀測，或是在粗調時，目測載物臺、望遠鏡及平行光管的水平狀況，未能尋找到合適的參照物作為參考標準，因此難以達到理想的水平狀態，影響了光線出入射的角度，難以達到試驗效果。使用雙面反射鏡進行細調時，還可能會遇到以下幾種情況：一是當平面鏡的一個面調整好后，同時找到了叉絲像，但是在轉動180°后卻無法找到叉絲像；二是平行平板與三棱鏡不在一個高度上，因此在調好互換后也難以達到一個理想的狀態[5]。

3.2 優化措施

為了提升試驗效率以及三棱鏡折射率測量的精確性，需要針對上述問題進行優化。首先，使用水準儀替代傳統的目測水平測定的方式，再進行微調，從而確保能夠達到良好的水平狀態；其次，將原有的平面鏡改為與三棱鏡形狀基本相同的三面反射鏡，并在三個面上貼反射膜進行試驗。優化后的操作步驟：

（1）在望遠鏡光管、平行光管各安裝水準儀，確保水平狀況；

（2）載物臺配置大小合適的精準水準儀，并將其內置于一起；

（3）試驗開始前將載物臺的3個調節螺絲降到最低，保障載物臺與底座之間無縫隙，將水準儀放于載物臺的中央位置；

（4）旋轉調節螺絲使得載物臺高度與望遠鏡筒、平行光管底部為同等高度，保持水平；

（5）將三面反射鏡放于載物臺中央，并且對每個面的叉絲像進行調節，使得十字叉絲像與調節叉絲像的中心重合。

4 結束語

綜上所述，通過對分光計測三棱鏡折射率的計算公式及試驗操作步驟的改進及細節的描述，能夠在一定程度上提升相關人員完成試驗的效率，避免誤差事件的發生，從而提升試驗結果的準確性，降低試驗操作的難度。