用分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法探討

段麗鳳

[摘 要]玻璃是我們生活中十分常見的物體，折射率是這種透明介質的主要參數之一。通過一些方法將玻璃三棱鏡的折射率進行確定，就能夠更好地掌握玻璃的應用技巧。通過對分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法進行研究，并對測量所需要的儀器以及一些使用方法進行分析，以能夠扎實了解分光計測量的基本原理以及結構，最終得到待測玻璃的折射率。

[關鍵詞]分光計測量；玻璃；折射率；方法

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0047-03

分光計是一個用于準確測量光線改變角度以及改變方向的一種儀器，其能夠對光在進入不同介質中的反射角、折射角以及衍射角等數據進行測量，并且其測量的精度十分高，此外，分光計還能夠利用不同的光學儀器來對不同物質的光折射角進行測量，因此，掌握分光計測量的方法十分的重要。本文意在對分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法進行詳細敘述，其具體內容如下。

一、原理

將玻璃材料制作成三棱鏡形狀，其頂角A是已知的，故而不用再次進行測量。然后利用最小偏向角方法計算其折射率，在本次的原理闡述中，原理圖如圖1所示。

當一束平行光線入射角為i1的方向投入到玻璃的AB面上，在通過玻璃的兩次折射之后，會從折射角i4的方向AC面折射出來，成為光線t，原有的光線通過棱鏡的兩次折射后，光線方向會發生改變，其總體的角度變化可以用過入射光線和射出光線的延長線的夾角δ進行表示，這個角度就成為是偏向角，通過圖一中的角度可以得到，δ的角度能夠通過計算得到，即δ=（i1-i2）+（i4-i3）=i1+i4-A。由此，也能夠證明，對于玻璃三棱鏡而言，其頂角以及折射率都是確定的，而偏向角是隨著i1的變化而變化的，故而說，δ是i1的函數。

通過計算，可以得到當i1=i4或i2=i3時，入射光線和出射光線會對稱地出現在三棱鏡的兩旁，而偏向角的值是最小值，這個時候稱這個值為最小偏向角，用δm表示，因為，這個階段的i2=A/2， i1=（A+δm）/2，所以能夠得到玻璃的折射率計算公式，如式（1）所示。

這樣，只要用分光計測量出玻璃的頂角以及最小偏向角，就能夠得到玻璃的折射率n。

二、步驟

（一）設備的調試工作

應用到的儀器設備有分光計、玻璃三棱鏡、平面反射鏡、鈉光燈源。在測量之前最重要的工作是對各個設備進行調節，只有這樣，才能夠真正保證測量結果的準確性。

分光計的組成主要有平行光管、望遠鏡、載物臺、圓刻度盤以及其他。其中平行光管主要具備的元件有：狹縫、緊固螺釘、平行光管、平行光管光軸水平螺釘、仰角螺釘、狹縫調節。望遠鏡主要具備的元件有望遠鏡、緊固螺釘、分化板、目鏡、仰角螺釘、望遠鏡光軸水平螺釘、支臂、轉角微調、制動架、望遠鏡止動螺釘。載物臺所具備的相關元件有載物臺、載物臺調平螺釘（3只）、載物臺鎖緊螺釘。而圓刻度盤所具備的元件有主尺止動螺釘、主尺、游標盤、游標盤微調螺釘、游標盤止動螺釘。其它包括制動架、底座、轉座以及立柱。

在此次的方法探析中，主要需要進行調節的設備就只有一個，就是分光計，要想保證分光計調節的準確性，就要能夠通過構成分光計的幾個元件入手，首先是望遠鏡的調節，讓望遠鏡的光軸能夠垂直地立在儀器的轉軸之上，其主要需要動手調節的有兩個部分，即清晰度的調節，以及儀器轉軸的調節，將平面反射鏡放置在載物臺上，使其能夠正面對著望遠鏡，這樣就能夠將分劃板下面的光源反饋給望遠鏡，將目鏡上的十字點亮，當看到一個亮十字后，在將平面鏡的兩個面返回十字能夠重合到的黑線上，這樣就說明，反射鏡的平面平行于儀器垂直于望遠鏡的光軸。在清晰度的調節上，目的就是讓目鏡的黑線變得更加的清晰，然后調整物鏡讓十字變得更加清晰，如果初始亮的十字與黑線上方的距離為L，則調整螺絲釘，使其距離減少一半，并將在載物臺的水平減少一半，這樣，亮十字就能夠與黑準線重合。

載物臺的調節，調節的目的就是讓載物臺的臺面與儀器的轉軸相垂直。首先轉動游標盤來帶動載物臺進行轉動，讓玻璃的AB面對準望遠鏡，然后再調節載物臺下的螺釘，讓亮十字與黑十字相交叉重合，即讓AB面垂直在望遠鏡的光軸。然后再講AC面轉向望遠鏡，調節臺下其他螺釘，讓AC面也與望遠鏡的光軸相互垂直，反復的調節兩個反射面，直至AB面以及AC面都能夠與望遠鏡的光軸相垂直為止，此時的載物臺臺面與儀器的轉軸也相互垂直。

平行光管的調節：平行光管的最終要能夠與光軸相互垂直于儀器的轉軸，即平行光管的光軸要能夠與望遠鏡的光軸相重合，前后的移動平行光管的夾縫，能夠在視野中呈現出一個清晰的圖像，并且與黑準線之間沒有視差，調節狹縫的螺絲釘來改變光管狹縫的寬度，直到其能夠呈現出一個細銳的圖像為止，此時的平行光管所能夠射出的平行光就能夠與望遠鏡的豎線相互重合，即平行光管的光軸能夠與望遠鏡的光軸相平行。

（二）測量的步驟以及內容

第一步是要對分光計進行調整，第二步是要測量最小偏向角，因為前面已經說明調節以及計算的方法，所以在這里不再次贅述。

第三步是要對光譜線進行觀察，該操作是在鈉光的平行光管的夾縫照亮的基礎上的，要先用眼睛沿著玻璃射出的方向尋找折射后的夾縫現象，然后再找到望遠鏡中眼睛所在的方位，此時的望遠鏡就能夠看到鈉光譜線了。

第四步要能夠詳細的觀察偏向角的變化，稍稍的轉動載物臺，使光線的入射角改變，觀察納譜線的偏角是增加還降低，是向著哪個方向進行移動的，然后在慢慢地轉動載物臺，讓納譜線向著角度降低的方向進行移動，同時還要轉動望遠鏡來跟蹤納譜線，直至載物臺沿著譜線方向轉動時，譜線不會隨著載物臺方向的轉動而發生相應的改變，這時，納譜線移動的反方向位置就是轉折點和納譜線最小偏向角的位置。

第五步要測量出射光的方位角坐標。望遠鏡中分劃板的中心十字焦點固定在最小偏向角的位置上，然后用游標盤來讓螺釘的位置固定，并且要將載物臺進行微調節，使玻璃可以進行微小的轉動，找出納譜線反方向的移動的確切位置，再固定載物臺，轉動望遠鏡后，讓分劃板的中心十字交點可以對準納譜線，標記游標1和游標2的讀數這個數值就是出射光的方位。

第六步是對入射光的方位進行測定，將玻璃從載物臺上拿開，移動望遠鏡，使其能夠與入射的平行光相交，并讓分劃板中心的十字交點能夠與平行光管的狹縫像相對，記錄下兩個游標的數值，該數值就是入射角的位置。

第七步是要將第三步、第四步以及第五步、第六步的步驟進行重復，再將表格中的數據進行記錄，依據公式來求出最小偏向角，然后求出三個最小偏向角的平均值，最后在通過求折射率的公式將玻璃折射率求出。

三、注意事項

1.望遠鏡、平行光管上的鏡頭，三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、揩。如發現有塵埃時，應該用用脫脂棉沾一些乙醚、酒精的混合液（4∶1）將鏡面輕擦干凈。在折射棱鏡的拋光面加1～2滴溴代萘，再貼上標準試樣的拋光面，鏡頭紙輕輕揩擦干凈后即可。三棱鏡、平面鏡不準磕碰或跌落，以免損壞。

2.分光計是較精密的光學儀器，要加倍愛護，不應在制動螺絲鎖緊時強行轉動望遠鏡，也不要隨意擰動狹縫。

3.在測量數據前務須檢查分光計的幾個制動螺絲是否鎖緊，若未鎖緊，取得的數據會不可靠。

4.測量中應正確使用望遠鏡轉動的微調螺絲，以便提高工作效率和測量準確度。

5.在游標讀數過程中，由于望遠鏡可能位于任何方位，故應注意望遠鏡轉動過程中是否過了刻度的零點。

6.調整時應調整好一個方向，這時已調好部分的螺絲不能再隨便擰動，否則會造成前功盡棄。

7.望遠鏡的調整是一個重點。首先轉動目鏡手輪看清分劃板上的十字線，而后伸縮目鏡筒看清亮十字。

四、數據分析

分光計以及其他儀器的正確使用，才能夠盡可能的減少測量中的誤差，所以在一起的使用過程中首先要注意不要輕易的觸碰設備，以免因此而導致人為誤差的增加。在做好設備的調整后，要能夠仔細判斷，在使用的過程中也要注意消除偏心差。不同的介質，在試驗中有著不同的數據，在本次的方法探究中，主要應用的是分光計的方法進行測量，進而推理，也能夠通過分光計的方式對不同的物質的折射率進行研究。

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[特約編輯：張 雷]