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1、第二轮光学实验讲义1本讲稿第一页，共三十七页第二轮光学实验第二轮光学实验1、用双棱镜干涉测钠光波长（实验七）、用双棱镜干涉测钠光波长（实验七）2、用透射光栅测定光波波长（实验九）、用透射光栅测定光波波长（实验九）本讲稿第二页，共三十七页实验目的 1学习利用光的干涉现象测量学习利用光的干涉现象测量光波波长光波波长的方法。的方法。2了解了解双缝的干涉条件双缝的干涉条件及在实验中如何实现。及在实验中如何实现。3掌握实验掌握实验光路的调节光路的调节和测微目镜的使用。和测微目镜的使用。实验七实验七.用双棱镜干涉测钠光波长用双棱镜干涉测钠光波长本讲稿第三页，共三十七页基本要求1.双棱镜及其干涉测波长的原理
2、。双棱镜及其干涉测波长的原理。2.同轴等高调节方法。同轴等高调节方法。3.测微目镜的使用方法。测微目镜的使用方法。4.调出并测量条纹间距和虚光源间距的方法。调出并测量条纹间距和虚光源间距的方法。5.观察干涉条纹的特点以及条纹间距影响因素。观察干涉条纹的特点以及条纹间距影响因素。本讲稿第四页，共三十七页元件：元件：双棱镜（折射棱角双棱镜（折射棱角 1）。）。单缝（调宽度、调竖直度）。单缝（调宽度、调竖直度）。测微目镜（测长度的方法）。测微目镜（测长度的方法）。本讲稿第五页，共三十七页MCU-15型测微目镜的外型和结构如图所示型测微目镜的外型和结构如图所示测微目镜由目镜光测微目镜由目镜光具组、分划
3、板、读具组、分划板、读数鼓轮和接头装置数鼓轮和接头装置组合而成。组合而成。预习预习测微目镜的测微目镜的使用使用注意：防止回程误差注意：防止回程误差本讲稿第六页，共三十七页测微目镜中的视场测微目镜中的视场本讲稿第七页，共三十七页一一.实验内容及操作实验内容及操作实验装置如图所示：实验装置如图所示：1.说明：说明：(1)本装置与教材介绍的略有不同，主要是在光源与狭本装置与教材介绍的略有不同，主要是在光源与狭缝之间的透镜不使用，其余都相同。缝之间的透镜不使用，其余都相同。(2)狭缝：狭缝是一个缝宽和狭缝取向都可调节的装狭缝：狭缝是一个缝宽和狭缝取向都可调节的装置，狭缝平面和滑块中心不在同一平面上，所
4、以必须引入置，狭缝平面和滑块中心不在同一平面上，所以必须引入修正量修正量(33.5mm或或39.5mm)。双棱镜干涉条纹（非定域干涉）（非定域干涉）本讲稿第八页，共三十七页(3)测测微微目目镜镜：测测微微目目镜镜的的测测量量平平面面(测测量量平平面面)和和滑滑块块中中心不在同一平面上，由此引入修正量为心不在同一平面上，由此引入修正量为29.5mm。(4)双双棱棱镜镜：由由于于双双棱棱镜镜的的楔楔角角很很小小，所所以以实实际际的的双双棱棱镜镜是是很很难难判判断断棱棱脊脊在在哪哪一一面面，但但这这不不会会影影响响实实验验的的个个结结果果，棱棱脊脊朝朝向向哪哪一一边边都都是是无无关关紧紧要要的的，正
5、如教材上的图正如教材上的图7-1和和7-3那样。那样。本讲稿第九页，共三十七页2.实验原理实验原理双棱镜干涉与双缝干涉类似，条纹间距为双棱镜干涉与双缝干涉类似，条纹间距为(其中其中d为两虚光源的间距为两虚光源的间距)由此可知，只要测出由此可知，只要测出D、d 和和 x，即可计算出光波波长。即可计算出光波波长。从从单单缝缝发发出出的的光光径径双双棱棱镜镜折折射射后后形形成成两两束束犹犹如如从从虚虚光光源源发发出出的的频频率率相相同同，振振动动方方向向相相同同，并并且且在在相相遇遇点点有有恒恒定定的的位位相差的相干光束，它们在空间相遇，则形成干涉条纹。相差的相干光束，它们在空间相遇，则形成干涉条纹
6、。本讲稿第十页，共三十七页共轴等高：共轴等高：可可先先将将光光具具座座上上各各元元件件紧紧靠靠在在一一起起，用用目目视视调调整整它它们等高；们等高；点点亮亮光光源源，照照亮亮狭狭缝缝，用用白白屏屏在在双双棱棱镜镜后后面面检检查查：经经双双棱棱镜镜折折射射后后的的光光束束，有有否否叠叠加加区区（应应更更亮亮些些）？叠叠加加区区能能否否进进入入测测微微目目镜镜？当当移移动动白白屏屏时时，叠叠加加区区是是否否逐逐渐渐向向左左右右（或或上上下下）偏偏移移？根根据据观观察察到到的的现现象象，进进行行判判断断，进进行行必必要要的的调调节节使之共轴。使之共轴。(1)共轴等高调节共轴等高调节(按教材进行按教材
7、进行)。3.操作：按图放置好实验器材。操作：按图放置好实验器材。本讲稿第十一页，共三十七页再按图放置，狭缝与双棱镜的间距约为再按图放置，狭缝与双棱镜的间距约为30cm。然后手执白屏检查。然后手执白屏检查。注意：移动光源使亮线在光斑中间；双棱镜放在注意：移动光源使亮线在光斑中间；双棱镜放在横向可移动的滑块上；测量横向可移动的滑块上；测量d 时所用的透镜最好时所用的透镜最好也放在可移动的滑块上。也放在可移动的滑块上。(2)调节干涉条纹：调节狭缝宽度和方位调节干涉条纹：调节狭缝宽度和方位(不是调不是调节双棱镜节双棱镜)，使干涉条纹清晰、明亮。，使干涉条纹清晰、明亮。(3)测量测量D：单次测量：单次测
8、量D，误差不计。，误差不计。(4)测量测量 x：用测微目镜测出明纹的距离，再除以：用测微目镜测出明纹的距离，再除以10即得即得 x。重复重复3次次。(5)测量测量d：按教材进行。：按教材进行。本讲稿第十二页，共三十七页由此计算由此计算d：(6)计算光波波长。计算光波波长。在双棱镜和测微目镜之间，移动透镜，虚光源可在目镜的分在双棱镜和测微目镜之间，移动透镜，虚光源可在目镜的分划板上分别成一大一小的两次实像，两虚光源的两次实像间划板上分别成一大一小的两次实像，两虚光源的两次实像间距分别为距分别为d1或或d2。将测微目镜的叉丝交点分别与狭缝的两个虚像的内侧重合，测出将测微目镜的叉丝交点分别与狭缝的两
9、个虚像的内侧重合，测出d1或或d2，重复重复3次次。注意事项：注意事项：(1)要使狭缝与棱脊平行。要使狭缝与棱脊平行。(2)使用测微目镜时要防止回程误差。使用测微目镜时要防止回程误差。(3)测量测量 x和和d1和和d2的过程中，狭缝和双棱镜之间的距离是绝的过程中，狭缝和双棱镜之间的距离是绝不能变动的！在测量不能变动的！在测量d1和和d2时，测微目镜与狭缝的距离要超时，测微目镜与狭缝的距离要超过焦距的过焦距的4倍。倍。本讲稿第十三页，共三十七页数据表格：数据表格：(仅供参考仅供参考)用双棱镜干涉测钠光波长用双棱镜干涉测钠光波长本讲稿第十四页，共三十七页实验结果：实验结果：本讲稿第十五页，共三十七
10、页分光计操作考试分光计操作考试要求：分光计调节到工作状态要求：分光计调节到工作状态实验九实验九.用透射光栅测定光波波长用透射光栅测定光波波长本讲稿第十六页，共三十七页一、一、光栅衍射的原理光栅衍射的原理多缝夫琅和费衍射（平行光衍射）多缝夫琅和费衍射（平行光衍射）缝数为缝数为N光栅常数：光栅常数：d=b+a 本讲稿第十七页，共三十七页1、光强分布、光强分布 (1)先先设设想想将将衍衍射射屏屏上上的的各各缝缝除除任任意意一一条条之之外外都都遮遮住住，这这时时接接收收屏屏上上呈呈现现的的是是单单缝衍射花样。缝衍射花样。光光强强的的分分布布即即衍衍射射花花样样仅仅取取决决于于衍衍射射角角 ，当当只只有
11、有单单缝缝上上下下平平移移时时，衍衍射射花花样样不不变变，因因此此：若若让让 N 条条缝缝轮轮流流开开放放，幕幕上上获获得得的的花花样样是是完完全全一样的。一样的。分析：分析：本讲稿第十八页，共三十七页2、光栅方程：、光栅方程：若若衍衍射射角角为为 的的光光束束经经透透镜镜会会聚聚后后互互相相加加强强，则则角角 必须满足关系式必须满足关系式光栅方程：光栅方程：本讲稿第十九页，共三十七页 光光栅栅衍衍射射光光谱谱示示意意图图本讲稿第二十页，共三十七页(2)将将光光栅栅按按图图放放置置在在平平台台上上，转转动动内内盘盘(载载物物平平台台)，使使在在光光栅栅的的两两面面都都能能看看到到反反射射的的“
12、绿绿色色小小十十字字”，调调节节b2或或b3，使使“绿绿色色小小十十字字”和和目镜中的调整叉丝重合。目镜中的调整叉丝重合。二二.实验内容及操作要求实验内容及操作要求1.分光计调节到工作状态。分光计调节到工作状态。2.光栅位置调节光栅位置调节(1)调节分光计后，使望远镜对调节分光计后，使望远镜对准准直管，固定望远镜。准准直管，固定望远镜。本讲稿第二十一页，共三十七页(3)转转动动望望远远镜镜和和平平台台，使使“准准直直管管狭狭缝缝像像”、“叉叉丝丝的的竖竖直直线线”和和“绿十字竖直线绿十字竖直线”三者重合。三者重合。三线合一三线合一本讲稿第二十二页，共三十七页(4)固定内盘固定内盘(平台平台)，
13、转动望远镜观察光谱，如果，转动望远镜观察光谱，如果左右两侧的光谱线相对于目镜中叉丝的水平线左右两侧的光谱线相对于目镜中叉丝的水平线高低不等时，说明光栅的衍射平面和观察面不高低不等时，说明光栅的衍射平面和观察面不一致，此时可调节一致，此时可调节b1，使光谱中心线和水平叉，使光谱中心线和水平叉丝线重合。丝线重合。(5)当步骤当步骤(4)完成后，步骤完成后，步骤(3)的效果会被破坏掉，的效果会被破坏掉，所以要重复步骤所以要重复步骤(3)。本讲稿第二十三页，共三十七页3.测定光栅常量测定光栅常量d透射光栅是由一系列等间距、透射光栅是由一系列等间距、等宽度的狭缝组成。当一束等宽度的狭缝组成。当一束平行光
14、照射，就形成了一系平行光照射，就形成了一系列相干的细带波源。这些细列相干的细带波源。这些细带在带在 方向传播的光相干叠加。方向传播的光相干叠加。在衍射理论中，在衍射理论中，当当光栅常量光栅常量d与光的波长及衍射角之间的关系与光的波长及衍射角之间的关系满足满足可以看出，对于第一级光谱可以看出，对于第一级光谱(k=1)，如果已知波长，则只要，如果已知波长，则只要测出该光的衍射角测出该光的衍射角，即可求出光栅常量，即可求出光栅常量d。出现主最大出现主最大在透镜的焦平面出现衍射亮条纹在透镜的焦平面出现衍射亮条纹(谱线谱线)。本讲稿第二十四页，共三十七页操操作作：转转动动望望远远镜镜到到光光栅栅的的一一
15、侧侧(T1方方向向)，使使叉叉丝丝的的竖竖直直线线对对准准汞汞灯灯光光谱谱中中的的绿绿色色谱谱线线(波波长长为为546.07nm的的第第一一级级光光谱谱)的的中中心心，记记录录两两游游标标值值v1和和v2，将将望望远远镜镜转转向向光光栅栅的的另另一一侧侧(T2方方向向)，同同样样使使叉叉丝丝的的竖竖直直线线对对准准绿绿色色谱谱线线，记记录录两两游游标标值值v 1和和v 2，则则T1方方向向与与T2方方向向的的夹夹角角就就是是衍衍射射角角 的二倍的二倍(2 )，重复，重复3次。次。由此计算光栅常数由此计算光栅常数 d：本讲稿第二十五页，共三十七页4.测量未知波长测量未知波长本实验要求测出一条本实
16、验要求测出一条“紫光紫光”、两条、两条“黄光黄光”谱线的衍射角，谱线的衍射角，并根据已算出的并根据已算出的 d，由光栅方程计算它们的波长。，由光栅方程计算它们的波长。5.计算光栅的第一级角色散计算光栅的第一级角色散将光栅方程将光栅方程 对波长微分，可得光栅的角色散对波长微分，可得光栅的角色散使使用用汞汞灯灯光光源源，已已知知一一级级光光谱谱中中两两黄黄线线的的波波长长差差为为=2.11nm(或或2.06nm)，结结合合测测得得的的两两黄黄线线的的衍衍射射角角之之差差=(1-2)，求角色散，求角色散(二级不要求二级不要求)本讲稿第二十六页，共三十七页深紫紫色蓝绿绿色黄1黄2中央无色散弱紫弱蓝绿本
17、讲稿第二十七页，共三十七页实验十.用透射光栅测定光波波长实验结果1：本讲稿第二十八页，共三十七页本讲稿第二十九页，共三十七页实验结果2：绿光：光栅常数：紫光：本讲稿第三十页，共三十七页黄光1：黄光2：本讲稿第三十一页，共三十七页光栅的一级角色散：本讲稿第三十二页，共三十七页六、误差分析指南六、误差分析指南1、入入射射平平行行光光不不垂垂直直光光栅栅平平面面而而引引入入的的误误差差。当当入入射射光光与与光光栅栅法法线线成成 0角角时时，对对d=1/600mm的的光光栅栅来来说说，0=3相相对对误误差差可可算算出出是是0.16%，可可见见偏偏离离角角度度不不大大时时此此误差可以忽略不计。误差可以忽
18、略不计。2、如如果果把把光光栅栅放放反反了了，即即把把涂涂着着药药膜膜的的一一面面对对着着平平行行光光管管，相相当当于于在在光光路路中中加加了了一一层层介介质质（如如玻玻璃璃），由由于于介介质质的的折折射射使使衍衍射射光光线线平平移移了了一一个个距距离离，介介质质的的两两个个面面是是平平行行的的，那那么么透透过过介介质质后后的的衍衍射射光光线线的的角角度度不不变变，因因此此经经望望远远镜镜后后会会聚聚后后在在分分划划板板上上的的位位置置也也不不会会改变，对实验结果没有影响。改变，对实验结果没有影响。3、波波长长是是实实验验室室准准确确给给出出的的，故故本本实实验验的的主主要要误误差差来来源源是衍射角是衍射角 的测量。的测量。本讲稿第三十三页，共三十七页复习思考题复习思考题1、本实验的相干光是如何获得的？、本实验的相干光是如何获得的？2、狭缝的宽度对光谱的测量有什么影响？、狭缝的宽度对光谱的测量有什么影响？3、光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处？、光栅光谱和棱镜光谱有哪些不同之处？4、当当用用钠钠光光（=589.0nm）垂垂直直入入射射到到一一毫毫米米内内有有100条刻痕的透射光栅上，问最多能看到有几级光谱？条刻痕的透射光栅上，问最多能看到有几级光谱？本讲稿第三十四页，共三十七页本讲稿第三十五页，共三十七页本讲稿第三十六页，共三十七页本讲稿第三十七页，共三十七页