摘要：分光儀是一種精密的測量角度的光學(xué)儀器。在實驗室里通常采用測量最小偏向角的方法測量三棱鏡的折射率。通過對實驗內(nèi)容的分析和長期的實踐，本文提出了測量三棱鏡折射率的一種新方法，介紹了如何用分光儀精確確定三棱鏡的頂角、最小偏向狀態(tài)時出射光線的位置及其法線位置，并結(jié)合分光儀測三棱鏡折射率的具體實例，進(jìn)行了具體的分析， 給出了其測量不確定度的最終評定。

關(guān)鍵詞：分光儀 出射光線 法線位置 出射角 折射率

分光儀是一種精密的測量角度的光學(xué)儀器。利用分光儀測定三棱鏡折射率的實驗是普通物理實驗的基礎(chǔ)實驗課題，在實驗室里通常采用測量最小偏向角的方法進(jìn)行測量.如圖1所示，光線PO透過頂角為的三棱鏡后，沿OˊPˊ方向射出時產(chǎn)生的偏向角為記為δ。在入射光線和出射光線處于光路對稱的情況下，即入射角i1等于出射角 i2 時，偏向角為最小，記為δm.則三棱鏡的折射率n與三棱鏡的頂角、最小偏向角δm有如下關(guān)系:

因此，當(dāng)入射角i1等于出射角i2的情況下，只要測出三棱鏡的頂角、最小偏向狀態(tài)時的出射角i2，就可以間接測出三棱鏡的折射率n。那么如何測量三棱鏡的頂角、最小偏向狀態(tài)時的出射角i2呢？

▲▲ 一、測量原理和方法

測量前首先將分光儀調(diào)整好，即（1）望遠(yuǎn)鏡適合平行光；（2）望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直于儀器的主軸；（3）準(zhǔn)直管產(chǎn)生平行光，并與望遠(yuǎn)鏡共軸。

1.頂角A的測量

采用自準(zhǔn)法測量頂角。很多書中、資料中，都是旋緊刻度盤下的螺釘，使望遠(yuǎn)鏡和刻度盤固定不動而轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤或是轉(zhuǎn)動載物臺，使三棱鏡的一個折射面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，找到十字叉絲的反射像并使十字叉絲的反射像和調(diào)整叉絲完全重合，記錄相應(yīng)游標(biāo)的讀數(shù)。在實驗過程中，學(xué)生轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤或是轉(zhuǎn)動載物臺時，經(jīng)常使三棱鏡和載物臺發(fā)生相對位移，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，學(xué)生對實驗的興趣大大減少。

筆者通過分析實驗原理和多次實驗解決了以上的問題。如圖2所示，將待測棱鏡置于載物臺上，鎖緊游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡與刻度圓盤的離合控制螺絲(00線置于望遠(yuǎn)鏡下)，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使其對準(zhǔn)三棱鏡的一個折射面，找到十字叉絲的反射像并使十字叉絲的反射像和調(diào)整叉絲完全重合（圖3）。記錄刻度盤上兩游標(biāo)讀數(shù)V1 ，V2 ；再轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使其對準(zhǔn)三棱鏡的另一個折射面，并且使十字叉絲的反射像和調(diào)整叉絲完全重合（圖3），記錄相應(yīng)的游標(biāo)讀數(shù)V1′，V2′；同一游標(biāo)兩次讀數(shù)之差｜V1′- V1｜或｜V2′- V2｜，就是棱鏡角的補(bǔ)角θ：

2.最小偏向狀態(tài)時出射角i2的測量

如圖4所示，望遠(yuǎn)鏡從最小偏向狀態(tài)時所對應(yīng)的出射光線位置轉(zhuǎn)到該出射光線的法線位置，其轉(zhuǎn)過的角度就是出射角i2。

(1)確定最小偏向狀態(tài)時的出射光線位置.

鎖緊游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡與刻度圓盤的離合控制螺絲(00線置于望遠(yuǎn)鏡下).將待測三棱鏡按圖4所示放置在載物臺上， 使入射光線射入三棱鏡的 AC面上，左右移動三棱鏡的位置使入射角在39°51′～87°之間[2]， 轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，一定能夠清楚的看見鈉光經(jīng)三棱鏡折射后形成的黃色譜線。慢慢轉(zhuǎn)動載物臺，使譜線往偏向角減小的方向移動，同時轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡跟蹤該譜線。當(dāng)載物臺轉(zhuǎn)到某一位置時，無論是向左轉(zhuǎn)動，還是向右轉(zhuǎn)動，該譜線都向相反的方向轉(zhuǎn)動，這個譜線反向移動的極限位置就是三棱鏡對該譜線的最小偏向角的位置，即最小偏向狀態(tài)時出射光線的位置（圖4望遠(yuǎn)鏡1）.鎖緊望遠(yuǎn)鏡止動螺絲， 記錄刻度盤上兩游標(biāo)讀數(shù)V1 ，V2 。

（2）確定出射光線的法線Nˊ的位置。

松開望遠(yuǎn)鏡的止動螺絲，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，在AB面上找到十字叉絲的反射像且使十字叉絲的反射像和調(diào)整叉絲完全重合（圖3），該位置就是出射光線的法線Nˊ的位置。鎖緊望遠(yuǎn)鏡止動螺絲，記錄相應(yīng)的游標(biāo)讀數(shù)V1′V2′。如圖4望遠(yuǎn)鏡2所示。

則：最小偏向狀態(tài)時的出射角

▲▲ 二、結(jié)語

通過以上測量結(jié)果分析，新的測量方法可行度很高，可以運用在基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)中。新的測量方法可以使學(xué)生從另一個角度去理解實驗理論，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新意識。提高了實驗教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn):

[1]楊述武. 普通物理實驗(光學(xué)部分)[M].北京: 高等教育出版社，2000

[2]陸靜珠.關(guān)于棱鏡中入射角與偏向角關(guān)系的探討[J] .湖州師范學(xué)院學(xué)報，2001， 23(6)

（責(zé)任編輯：劉璐）