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资源描述
2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,1,衍射光栅常数与光波波长的测量,一、 实验目的,光栅是一种重要的光学元件,在光谱分析、计量、光通信等领域应用比较广泛,按光路情况,光栅分为透射式和反射式。本实验研究的是透射光栅,即由一组数目很多、等间距紧密平行排列的狭缝组成。,1、了解光栅的主要特性及其应用; 2、 进一步掌握分光计的调整和应用; 3、观察光栅衍射现象,学会测量光栅常数,用光栅测光波的波长。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,2,汞灯,平面镜,光栅,分光计,二、实验装置,分光计,透射光栅,汞灯。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,4,本实验用分光计的准直管获得平行光,垂直照射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到分划板上,进行观察和读数。,使用复色光源时,由光栅方程,各衍射级次中不同波长成分的衍射角不同,从而获得分光。,本实验采用低压汞灯能发出四种不同波长的光:紫光波长紫=4358A0,绿光波长绿=5461A0,黄光波长黄1=5770A0,黄光波长黄2=5791A0,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,5,绿+1级,绿 -1级,黄1 +1 级,黄2 +1 级,黄2 -1 级,黄1 -1 级,本实验通过测量绿光(波长已知)的衍射角可计算出光栅常数d,再通过测量紫光、双黄线的衍射角,可计算出紫光和两种黄光的波长。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,6,2、谱线半角宽度,条纹细,特别注意:k级主极大左是kN-1,右kN+1级极小!,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,7,中心角距离,半角宽,瑞利判据,光栅的 分辨本领,3、光栅的分辨本领,两条谱线(两个主极大)的角间距,谱线本身的半角宽,光栅的分辨本领与谱线的级次和光栅的缝数成正比。当要求在某一级次的谱线上提高光栅的分辨本领时,必须增大光栅的总缝数。这就是光栅之所以要刻上上万条甚至几十万条刻痕的原因.,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,8,、调节分光计,平行光管产生平行光(平行光管的狭缝位于其物镜焦平面上),且光轴与仪器主轴垂直。,望远镜能接受平行光(分划板位于物镜焦平面上),且光轴与仪器主轴垂直。,载物台平面与仪器主轴垂直。,四、实验内容及要求,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,9,、调节光栅,望远镜及平行光管均与光栅平面垂直(三线合一)。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,10,光栅刻线与仪器主轴平行。,转动望远镜,观察 1级、 2级各级衍射主极大,看它们是否等高。若不等高,调节B3螺钉使它们等高。,注意,测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,11,、测量衍射角,以绿光为例,转动望远镜,使-2级与分划板垂线重合,读角位置1和1,再测+2级角位置2和2,则1级绿光的衍射角为:,测量时,从最右端的黄2光开始,依次测黄2、黄1,绿光,紫光直到最左端的黄2光。,光栅衍射光谱示意图,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,12,左边绿色光谱,右边绿色光谱,0白色光谱,右游标,左游标,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,13,测量顺序,测量顺序,五、实验数据记录与数据处理要求,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,14,以绿光的衍射角计算光栅常数d及其不确定度,正确表示结果(绿光波长为546.1nm) 。,光栅常数 d u(d) 。,求紫光、黄1和黄2四种波长三条谱线的波长 u()(二级),计算紫光、绿光、黄1和黄2四种波长成分的衍射角,其不确定度只考虑B类:以仪器示值误差限为1计 。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,15,以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率 并与理论值 比较。(注意单位),注意事项,对光学仪器及光学元件表面,不能用手触摸,小心使用勿损坏。 使用分光计时,一切紧固用的螺钉,该紧固时应紧固,该松开时应松开。如当止动螺钉未紧固时,调微动螺钉则不起作用。转动望远镜时,若没有松开紧固螺钉而用力转动,将使分光计的中心轴产生伤痕,而这种损伤在外表都看不到。 使用分光计时,注意角游标的读数,游标经过360(即0)时,读数应修正(加360;或减 360)。因此当望远镜对准平行光管时,可把刻度盘的读数调在90及270左右。 注意:测量时“一口气” 测完,中途不走开,不讲话,望远镜一个方向偏转,不回头。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,16,实验报告基本要求: 字迹清晰,文理通顺,图表正确,数据完备和结论明确 内容包括: (1)实验名称 (2)实验目的 (3)实验仪器:型号 名称(重要参数) (4)实验原理: 原理阐述、原理图、光路图、主要计算公式 (5)实验步骤 (6)数据处理:原始数据重新列表并计算处理 (7)实验结论:测量结果报导 (8)误差分析:重要实验误差来源 (9)思考题:、试说明光栅分光和棱镜分光,所产生的光谱有何区别?、用公式dsink = k测d和时,实验要保证什么条件?如何实现?、当狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象,为什么? (10)教师签字数据!,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,17,数据处理要求案例,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,18,、光栅常数,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,19,、各光波波长,本实验采用低压汞灯能发出四种不同波长的光:紫光波长 紫=4358A0,绿光波长绿=5461A0,黄光波长黄1=5770A0,黄光波长黄2=5791A0;所用光栅规格为每毫米300刻线。有测量结果可知:利用光栅衍射级次高的谱线测量,可以提高测量的准确度。,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,20,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,21,实验数据处理,测量结果与数据分析:,光栅受光宽度,2020/6/20,重庆邮电大学理学院物理实验中心,22,问题讨论: 比较光栅光谱与棱镜光谱的异同,棱镜光谱: 利用材料对不同色光的折射率不同的原理进行分光。 色散曲线不是直线,光谱为非匀排光谱。 不存在多级谱线。 光栅光谱: 利用光栅衍射原理进行分光。 色散曲线为直线,光谱为匀排光谱。 存在多级谱线。级次越高,角色散率越大。 光栅的分辨本领比棱镜大,且条纹清晰。,
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