分光计 (光学测角仪) 是一种显示光谱和精确测量角度的仪器。用它可以测量折射率、色散本领、光波波长、光栅常数等物理量。分光计的结构复杂、装置精密, 调节要求也比较高, 但是只要掌握了分光计调节的要领, 调平并非难事。
光的反射、折射定律是几何光学的基础, 也是大学物理实验的基础。一般验证光的反射定律大都用几何的方法, 实验误差较大, 为了培养学生的创新意识和提高学生创新能力, 我们设计了一个用分光计直接验证反射定律的方法。所用到的基本原理就是光的直线传播。分光计的结构如图1所示。
1 实验原理和操作步骤
操作主要分以下几步。
1.1用自准法调平分光计
主要分三步:首先调节自准望远镜使之能够接收平行光;然后, 调整望远镜的光轴和分光计的中心轴垂直;最后调节平行光管使之能够发出平行光。
1.2确定平行光管的位置
在这个实验里, 平行光管是光源, 它发出平行的入射光线。首先打开钠光灯, 把望远镜转到另一侧, 使用望远镜和平行光管大致在一条直线上, 即图中的位置1。在目镜里观察平行光管发出的狭小、清晰的光条, 并使之与望远镜视场中的“︱”线重合。分别利用左右两个游标记下此时的位置分别为φ1左和φ1右。根据光的直线传播原理可知, 平行光管的位置与该位置恰好相差180。
1.3确定平面镜法线的位置。
把平面镜放在载物台上并保持不动, 点亮望远镜上的照明小灯, 旋转望远镜到图1中的位置2, 使得在望远镜中能看到平面镜反射回来的“十”字光斑, 缓慢的调整望远镜的位置使“十”字光斑的“︱”线与视场中的“︱”线重合, 记下此时的两个游标的读数φ2左和φ2右, 即法线的位置。由于平行光管和望远镜的尺寸的缘故, 当入射角不太大时, 法线的位置很难读取, 所以我们把望远镜转到平面镜的另一侧进行读数。
1.4确定反射光线的位置。
旋转望远镜, 直到在望远镜的视场中发现有平面镜的反射光线形成的狭小的光条的像为止, 即图中的位置3。记下此时的位置分别为φ3左和φ3右。
2 实验结果
我们用钠光灯作光源, 并把平面镜的方位变化6次, 实验数据见表1。为了测量的简单起见, 我们把光源的位置保持不变, 即保持位置1的读数不变。为了消除因刻度盘和游标盘不同轴而引起的偏心差, 入射角θ1和反射角θ2按下式取平均值
3 结语
由表1可知, 入射光线和反射光线分居在发现的两侧, 入射角等于反射角。因此实验成功地验证了光的反射定律, 而且操作过程相当简单, 实验误差相对较小, 是一种很好的验证方法。这也有助于学生实验创新能力的提高。
1-小灯;2-分划板套筒;3-目镜;4-目镜筒制动螺丝;5-望远镜倾斜度调节螺丝6-望远镜镜筒;7-夹持待测件弹簧片;8-平行光管;9-平行光管倾斜度调节螺丝10-狭缝套筒制动螺丝;11-狭缝宽度调节螺丝;12-游标圆盘制动螺丝;13-游标圆盘微调螺丝;14-放大镜;15-游标圆盘;16-刻度圆盘;17-底座;18-刻度圆盘制动螺丝19-刻度圆盘微调螺丝;20-载物小平台21-载物台水平调节螺丝;22-载物台紧固螺丝。
摘要：本文以光的直线传播为基础, 采用一种非常巧妙的方式——用分光计直接测量光在发生反射时的反射角和入射角, 从而验证光的反射定律。
关键词：分光计,入射角,反射角,反射定律
参考文献
[1] 张毓英, 等.光学实验[M].北京:电子工业出版社, 1989.
[2] 姚启钧, 等.光学[M].北京:高等教育出版社, 1993.
[3] 赵凯华, 等.光学[M].北京:北京大学出版社, 1984.