三棱鏡光學(xué)性質(zhì)實驗教學(xué)指導(dǎo)引言三棱鏡作為一種基本的光學(xué)元件，在光學(xué)研究與教學(xué)中占據(jù)重要地位。通過三棱鏡，我們可以直觀地觀察到光的折射、色散等奇妙現(xiàn)象，深入理解光的波動性本質(zhì)。本實驗教學(xué)指導(dǎo)旨在幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握三棱鏡的光學(xué)特性，學(xué)習(xí)相關(guān)的實驗操作技能與數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和探索精神。一、實驗?zāi)康?.觀察白光通過三棱鏡后的色散現(xiàn)象，理解其成因。2.掌握測定三棱鏡頂角的方法。3.學(xué)習(xí)使用最小偏向角法測定三棱鏡材料對單色光的折射率。4.培養(yǎng)光學(xué)實驗的基本操作技能，如分光計的調(diào)節(jié)與使用。二、實驗原理1.光的色散白光由多種不同波長的單色光組成。當白光入射到三棱鏡的一個光學(xué)面時，由于不同波長的光在介質(zhì)中的折射率不同，它們將以不同的折射角進入棱鏡，經(jīng)過另一個光學(xué)面再次折射后，不同波長的光將沿不同方向射出，從而在空間形成按波長順序排列的彩色光譜，這種現(xiàn)象稱為光的色散。2.三棱鏡的頂角三棱鏡的頂角（A）是指三棱鏡兩個光學(xué)折射面之間的夾角。本實驗中采用反射法測定頂角。當一束平行光入射到三棱鏡的頂角附近時，光線將在兩個光學(xué)面上發(fā)生反射。通過測量兩束反射光之間的夾角，即可計算出頂角的大小。若測得兩反射光的方位角分別為φ?和φ?，則頂角A=(φ?-φ?)/2。3.最小偏向角與折射率當單色光以一定角度入射到三棱鏡時，出射光線將偏離原來的入射方向，這個偏離角度稱為偏向角（δ）。偏向角的大小隨入射角的變化而變化。當入射角滿足特定條件時，偏向角達到最小值，稱為最小偏向角（δ???）。棱鏡材料的折射率（n）、棱鏡頂角（A）和最小偏向角（δ???）之間存在如下關(guān)系：n=sin[(A+δ???)/2]/sin(A/2)通過測量三棱鏡的頂角A和某單色光通過棱鏡時的最小偏向角δ???，即可由上式計算出該棱鏡對該單色光的折射率。三、實驗儀器與器材1.分光計2.三棱鏡3.鈉光燈（或汞燈、白熾燈等）4.雙面反射鏡5.放大鏡（輔助讀數(shù)用）四、實驗裝置與調(diào)節(jié)1.分光計的調(diào)節(jié)分光計是本實驗的核心儀器，其調(diào)節(jié)質(zhì)量直接影響實驗結(jié)果的準確性。調(diào)節(jié)步驟如下：*粗調(diào)：目測調(diào)整望遠鏡、平行光管和載物臺大致水平，使它們的光軸大致同軸且垂直于儀器主軸。*望遠鏡調(diào)焦至無窮遠：1.點亮望遠鏡的目鏡照明小燈，旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦手輪，使分劃板十字叉絲清晰。2.將雙面反射鏡放置在載物臺上（鏡面大致垂直于望遠鏡光軸），通過望遠鏡觀察，緩慢轉(zhuǎn)動載物臺，尋找由鏡面反射回來的綠色十字像。若找不到，需重新粗調(diào)。3.找到像后，旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)焦手輪，使十字像清晰且與十字叉絲無視差。此時望遠鏡已調(diào)焦至無窮遠。*調(diào)節(jié)望遠鏡光軸垂直于儀器主軸（各半調(diào)節(jié)法）：1.觀察雙面反射鏡正反兩面反射回來的十字像，若像與分劃板上十字叉絲的上十字（或特定基準線）不重合，調(diào)節(jié)望遠鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲和載物臺調(diào)平螺絲（注意各調(diào)節(jié)一半距離），使正反兩面的像都與上十字重合。*調(diào)節(jié)平行光管出射平行光且光軸垂直于儀器主軸：1.打開鈉光燈，照亮平行光管的狹縫。2.將望遠鏡對準平行光管，松開望遠鏡固定螺絲，移動望遠鏡，從望遠鏡中觀察狹縫像。3.調(diào)節(jié)平行光管物鏡調(diào)焦手輪，使狹縫像清晰。4.調(diào)節(jié)平行光管狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲，使狹縫寬度適中。5.調(diào)節(jié)平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲，使狹縫像的中心位于分劃板中央。此時平行光管光軸與望遠鏡光軸共線，且垂直于儀器主軸。2.三棱鏡的放置與調(diào)節(jié)將三棱鏡放置在載物臺上，使三個角對準載物臺的三個調(diào)平螺絲（或其中一個光學(xué)面的中心大致落在某一螺絲的中垂線上）。目的是為了方便調(diào)節(jié)三棱鏡的光學(xué)面與儀器主軸平行。五、實驗內(nèi)容與步驟1.測量三棱鏡的頂角（反射法）1.將三棱鏡頂角A對準平行光管，使頂角附近的兩個光學(xué)面均能接收到平行光管射出的光束，并將反射光反射到望遠鏡中。2.轉(zhuǎn)動望遠鏡，找到由一個光學(xué)面反射回來的狹縫像，使分劃板十字叉絲的豎線與狹縫像對齊，記錄左右游標讀數(shù)θ?和θ?'。3.再轉(zhuǎn)動望遠鏡，找到由另一個光學(xué)面反射回來的狹縫像，同樣對齊后記錄讀數(shù)θ?和θ?'。4.重復(fù)測量多次（例如3-5次），計算每次測量的頂角A=|(θ?-θ?)+(θ?'-θ?')|/4，然后取平均值作為最終的頂角A。2.觀察白光的色散現(xiàn)象1.換上白光光源（如白熾燈）。2.將三棱鏡按適當方位放置在載物臺上，使白光通過三棱鏡的一個光學(xué)面入射，從另一個光學(xué)面射出。3.轉(zhuǎn)動望遠鏡，在視野中尋找彩色光譜。觀察光譜的顏色組成和排列順序，記錄所觀察到的現(xiàn)象。3.測量三棱鏡對某一單色光的最小偏向角并計算折射率1.使用鈉光燈（發(fā)出波長約為特定值的單色光）。2.將三棱鏡放置在載物臺上，使入射光、出射光與三棱鏡的兩個光學(xué)面形成合適的入射角和出射角。3.先用眼睛直接觀察，找到鈉黃光經(jīng)棱鏡折射后的出射方向。4.將望遠鏡對準該出射光，找到鈉黃光的狹縫像。5.輕輕轉(zhuǎn)動載物臺（帶動棱鏡轉(zhuǎn)動），同時通過望遠鏡跟蹤觀察狹縫像的移動。此時偏向角隨之變化，注意觀察狹縫像移動的方向。當載物臺轉(zhuǎn)到某一位置時，狹縫像會停止移動并開始反向移動，這個轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的偏向角就是最小偏向角δ???。6.鎖定載物臺，微調(diào)望遠鏡，使分劃板十字叉絲豎線與狹縫像精確對齊，記錄此時望遠鏡的方位角讀數(shù)φ?和φ?'。7.移去三棱鏡，將望遠鏡直接對準平行光管（即入射光方向），使十字叉絲豎線與狹縫像對齊，記錄此時的方位角讀數(shù)φ?和φ?'。8.最小偏向角δ???=|(φ?-φ?)+(φ?'-φ?')|/2。9.重復(fù)測量多次（例如3-5次），取δ???的平均值。10.根據(jù)前面測得的頂角A和最小偏向角δ???，代入公式計算棱鏡對鈉黃光的折射率n。六、數(shù)據(jù)記錄與處理1.數(shù)據(jù)記錄表格（示例）表一：三棱鏡頂角測量數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)θ?(左)θ?'(右)θ?(左)θ?'(右)A(計算值):---:------:-------:------:-------:---------123...**平均值****A=**表二：最小偏向角測量數(shù)據(jù)記錄表（鈉黃光）次數(shù)φ?(左)φ?'(右)φ?(左)φ?'(右)δ???(計算值):---:------:-------:------:-------:------------123...**平均值****δ???=**2.數(shù)據(jù)處理方法*頂角A的計算：對每次測量，計算A=|(θ?-θ?)+(θ?'-θ?')|/4，然后求多次測量的算術(shù)平均值。*最小偏向角δ???的計算：對每次測量，計算δ???=|(φ?-φ?)+(φ?'-φ?')|/2，然后求多次測量的算術(shù)平均值。*折射率n的計算：將測得的A和δ???代入公式n=sin[(A+δ???)/2]/sin(A/2)進行計算。注意計算過程中角度單位需轉(zhuǎn)換為弧度或確保計算器處于角度模式。*誤差分析：簡要分析實驗中可能存在的誤差來源，如分光計本身的儀器誤差、讀數(shù)誤差、調(diào)節(jié)不完善帶來的誤差等。七、注意事項1.儀器愛護：分光計是精密光學(xué)儀器，操作時動作要輕緩，嚴禁用力轉(zhuǎn)動或扳動各部件。2.光學(xué)元件：三棱鏡、雙面反射鏡等光學(xué)元件的光學(xué)表面嚴禁用手觸摸或擦拭，如有污漬，應(yīng)請老師用專用鏡頭紙?zhí)幚怼Ｄ萌±忡R時應(yīng)拿其磨砂面或棱角。3.調(diào)節(jié)耐心：分光計的調(diào)節(jié)是實驗成功的關(guān)鍵，需要耐心細致，嚴格按照調(diào)節(jié)步驟進行。4.光源使用：使用鈉光燈時，注意其使用壽命，不要頻繁開關(guān)。點亮后待其穩(wěn)定發(fā)光再進行測量。5.安全注意：實驗過程中注意用電安全，避免光源過熱燙傷。八、實驗思考與拓展1.除了反射法，還有什么方法可以測定三棱鏡的頂角？（例如自準直法）2.在尋找最小偏向角時，若載物臺轉(zhuǎn)動方向不同，觀察到的現(xiàn)象有何異同？3.如果實驗中使用汞燈，會觀察到幾條不同顏色的譜線？分別對應(yīng)哪些波長？能否分別測量它們的最小偏向角并計算折射率？這說明了什么？4.若三棱鏡的頂角測量值偏大或偏小，對折射率的計算結(jié)果有何影響？5.試分析在實驗過程中，哪些因素會導(dǎo)致最小偏向角的測量誤差？如何減小這些誤差？九、實驗結(jié)論1.本次實驗測得三棱鏡的頂角A=（具體數(shù)值及單位）。2.觀察到白光通過三棱鏡后被分解為彩色光譜，顏色排列順序為（從紅到紫或從紫到紅，根據(jù)實際觀察描述）。3.測得三棱鏡對鈉黃