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1、物理实验光栅测量物理实验光栅测量1第1页，共14页，编辑于2022年，星期日 熟悉和掌握分光计的调整和使用方法；熟悉和掌握分光计的调整和使用方法；观察汞光源通过光栅后的衍射光谱；观察汞光源通过光栅后的衍射光谱；根据谱线测定光栅常数、波长。根据谱线测定光栅常数、波长。实验目的实验目的2第2页，共14页，编辑于2022年，星期日实验原理实验原理大量等宽等间距平行狭缝大量等宽等间距平行狭缝构成的光学元件。构成的光学元件。衍射光栅衍射光栅 (透射光栅透射光栅)一、光栅一、光栅全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在
2、干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。实验室中通常使用的实验室中通常使用的衍射光栅衍射光栅，一般为100600/mm。3第3页，共14页，编辑于2022年，星期日二、光栅衍射二、光栅衍射二、光栅衍射二、光栅衍射根据波动光学理论，当单色平行光垂直照射在光栅面上时，将产生夫琅和费根据波动光学理论，当单色平行光垂直照射在光栅面上时，将产生夫琅和费衍射现象，如图所示。产生明条纹的条件为衍射现象，如图所示。产生明条纹的条件为 dsin k=k k=0,1,2,其中其中d是光栅常数，是光栅常数，k为第为第k级衍级衍射角，射角，为入射光波长，为入射光波长，k给出了该给出了该明纹的级次。明纹的级次。如果用会聚透
3、镜将衍射后的平行如果用会聚透镜将衍射后的平行光会聚起来光会聚起来,透镜后焦面上将出透镜后焦面上将出现一系列亮线现一系列亮线-谱线谱线.在在=0的的方向上可以观察到零级谱线方向上可以观察到零级谱线,其其他级数的谱线对称分布在零级两他级数的谱线对称分布在零级两侧侧.4第4页，共14页，编辑于2022年，星期日透光缝宽度透光缝宽度 a不透光缝宽度不透光缝宽度 b光栅常数光栅常数:光栅常数与光栅单位长度的刻痕光栅常数与光栅单位长度的刻痕数数N的关系的关系5第5页，共14页，编辑于2022年，星期日光栅光谱及分辨本领光栅光谱及分辨本领光栅光谱0级级1级级2级级-2级级-1级级3级级-3级级白光的光栅光谱
4、白光的光栅光谱6第6页，共14页，编辑于2022年，星期日这时在这时在=0=0的方向上可以观察到中央谱线极强（称为零级谱线），其它级次的方向上可以观察到中央谱线极强（称为零级谱线），其它级次的谱线则对称地分布在零级谱线的两侧。的谱线则对称地分布在零级谱线的两侧。在本实验中，所用的光源为汞灯，其衍射谱线如下图在本实验中，所用的光源为汞灯，其衍射谱线如下图:7第7页，共14页，编辑于2022年，星期日汞的特征谱线（汞的特征谱线（nmnm）：）：623.4623.4（红）（红）579.0/577.0579.0/577.0（黄）（黄）546.1546.1（绿）（绿）491.6491.6（青）（青）43
5、5.8435.8（蓝）（蓝）407.8407.8（紫）（紫）404.7404.7（紫）（紫）8第8页，共14页，编辑于2022年，星期日调节光栅平面与平行光管的光轴垂直：调节光栅平面与平行光管的光轴垂直：将将平平面面镜镜按按下下图图示示方方位位放放置置在在载载物物台台上上，调调节节螺螺钉钉a2或或a3使使有有光光栅栅表表面面反反射射回回到到望望远远镜镜中中的的十十字字与与目目镜镜内内黑黑色色双双十十字字叉叉丝丝的的上上十十字字叉丝线重合。叉丝线重合。9第9页，共14页，编辑于2022年，星期日调节光栅的刻痕与分光仪主轴平行：调节光栅的刻痕与分光仪主轴平行：转转动动望望远远镜镜，观观察察各各级级
6、谱谱线线，注注意意中中央央主主极极大大条条纹纹两两侧侧的的谱谱线线是是否否等等高高，若若不不等等高高，微微调调载载物物台台上上螺螺钉钉a1使使各各谱谱线线在在望望远远镜镜视场中等高。视场中等高。测量衍射角：测量衍射角：使使望望远远镜镜中中黑黑色色双双十十字字叉叉丝丝竖竖直直线线、亮亮十十字字竖竖直直线线、狭狭缝缝像像三三者者重重合合；转转动动望望远远镜镜，选选择择一一条条明明亮亮谱谱线线，辨辨别别其其级级数数，读读取取该该谱谱线在中央明纹两侧的位置，记录数据。线在中央明纹两侧的位置，记录数据。10第10页，共14页，编辑于2022年，星期日实验内容实验内容1.1.调节分光计至可以测量的状态。调
7、节分光计至可以测量的状态。2.2.将光栅放置在载物台上，调节使平将光栅放置在载物台上，调节使平行光管垂直于光栅平面，行光管垂直于光栅平面，观察衍射谱线，调节使观察衍射谱线，调节使0 0级左右两边级左右两边的谱线等高。的谱线等高。3.3.测量汞灯光谱线中的测量汞灯光谱线中的546.1（绿）（绿）和和579.0/577.0（黄）（黄）（挨得很紧）的（挨得很紧）的-1级、级、-2级和级和+1级、级、+2级的位置。级的位置。注：如果注：如果已知入射光的波长已知入射光的波长,用分光计测用分光计测出出k级谱线对应的衍射角级谱线对应的衍射角 k则可求光栅则可求光栅常数常数d;若若已知光栅常数已知光栅常数d，
8、则，则反过来也反过来也可求可求出该谱线对应的入射光波长出该谱线对应的入射光波长。11第11页，共14页，编辑于2022年，星期日4.调整分光计处于正常工作状态。安置光栅，调节平台，使达到入射光调整分光计处于正常工作状态。安置光栅，调节平台，使达到入射光垂直照射在光栅表面垂直照射在光栅表面.5.测量黄光、绿光的光栅常数测量黄光、绿光的光栅常数.为了消除分光计刻度盘的偏心差，对同一方位要同时读出两游标盘的为了消除分光计刻度盘的偏心差，对同一方位要同时读出两游标盘的读数，取其平均。例如，对读数，取其平均。例如，对k级，左右游标读数分别为级，左右游标读数分别为 k及及 k，对，对k级，左右游标读数分别
9、为级，左右游标读数分别为 k及及 k（如图），则（如图），则k级衍射角为级衍射角为 6.将测量数据填入自拟表格、用列表法记录实验数据、并用公式计算。算出将测量数据填入自拟表格、用列表法记录实验数据、并用公式计算。算出相对误差相对误差E。7.注意是设计性实验，要求自补实验原理及实验步骤；并注意实验结注意是设计性实验，要求自补实验原理及实验步骤；并注意实验结果的单位表示。请查阅相关书籍。果的单位表示。请查阅相关书籍。12第12页，共14页，编辑于2022年，星期日015305051 50 00+14 50 14-2 2-2 2 2 2=2-2 +2 2-2 2 2 2 2-2+2-1+1013第1
10、3页，共14页，编辑于2022年，星期日.附：实验常见问题及处理1.1.实验中观察到的衍射条纹没有与叉丝竖线平行就开始测量，这是记录的数据实验中观察到的衍射条纹没有与叉丝竖线平行就开始测量，这是记录的数据显然是由误差的。调节载物台的螺丝，使衍射条纹与叉丝竖线平行在测量。显然是由误差的。调节载物台的螺丝，使衍射条纹与叉丝竖线平行在测量。2.2.实验中所用的光栅能够将所要测量的黄实验中所用的光栅能够将所要测量的黄1 1和黄和黄2 2分开，然而在实验中有些实验分开，然而在实验中有些实验者调出的衍射条纹中黄者调出的衍射条纹中黄1 1和黄和黄2 2线几乎分不开，出现这种现象的原因有：线几乎分不开，出现这种现象的原因有：1.1.）狭缝调得太宽，或平行光管发出的光并不是平行光，在望远镜的焦平面上）狭缝调得太宽，或平行光管发出的光并不是平行光，在望远镜的焦平面上聚焦不清晰。重新调节平行光管。聚焦不清晰。重新调节平行光管。2.2.）望远镜的目镜没有调好，如果是这个原因那就只有从头开始调节了。）望远镜的目镜没有调好，如果是这个原因那就只有从头开始调节了。14第14页，共14页，编辑于2022年，星期日