光栅衍射_物理实验.doc

光栅衍射一、实验目的1了解分光计的工作原理，掌握其调整方法。2学会使用分光计和光栅测定光谱的波长。二、实验原理光栅分为透射光栅和反射光栅，本实验使用透射光栅，如图2.9.1所示。 图2.9.2 汞的衍射光谱图2.9.1 透射光栅光路示意图若将平行光垂直照射在光栅上，光栅衍射明纹的条件是衍射角必须满足下列关系, 式中称为光栅常数， =，为每毫米上狭缝数目，为入射光波长，k为谱线级数，k为k级谱线对应的衍射角。若已知N，并测出衍射角k，即可求得波长。若入射光为几种不同波长的光，则由光栅方程可知，除中央明纹相互重叠外，其它每一级谱线都因对应的衍射角不同而相互分开。本实验汞光灯发出六种不同波长的可见光，如图2.9.2，其中有紫、绿、黄1、黄2四条强线，另一紫是中强线，兰是弱线。三、实验仪器1、分光计 分光计主要由平行光管、阿贝式自准直望远镜、平台(即载物台)、刻度盘和游标盘四部分组成图2.9.3 望远镜及平台图2.9.4 平行光管 图2.9.5 阿贝式自准直望远镜分光计的调整方法：（1）粗调。用肉眼观察，调节平台、望远镜筒、平行光管都初步达到水平状态，为进一步的细调打下基础。图2.9.7 望远镜调整（2）用自准法调望远镜对平行光聚焦。将双反平面镜放在平台上并与望远镜光轴目测垂直，为了便于调节，放置平面镜时应使平面镜与平台下的3个调节螺钉中的两个平行，如图2.9.7所示，调节平面镜的俯仰只需调A螺钉。点亮目镜下的小灯，然后转动目镜，先看清分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒使十字窗的像十分清晰，并用视差法检查(上下或左右移动眼睛，像与十字线无相对位移)，使十字窗与其反射像之间无视差。由自准直的原理可知，望远镜已经调焦至无限远了或称望远镜能接收平行光，以后目镜不要再调。（3）调望远镜光轴与分光计中心轴相互垂直。为了测准角度，必须使望远镜的光轴和平行光管的光轴都与刻度盘平行，而刻度盘在制造时已垂直于分光计中心轴。因此，当它们的光轴与分光计中心轴垂直时，就达到与刻度盘平行的要求。如果望远镜的光轴严格垂直于平面镜，那么十字窗的像就与分划板上部的叉丝完全重合。如果不重合，一般情况是望远镜和平面镜都有倾斜。可用“分部调节法”进行调整：（a）先调望远镜高低，首先观察从平面镜的I表面反射的十字窗的像与上部叉丝线的距离，然后将平台转动180，观察从平面镜的表面反射的十字窗的像与上部叉丝的距离，然后调节望远镜俯仰调节螺钉，使从平面镜的、表面的反射像分别在上部叉丝上方和下方，且距离相等，即消除了由望远镜倾斜产生的偏离；（b）然后调平台的螺钉A，使反射像与上部十字线完全重合，即消除了由平面镜倾斜(即平台AA方向不垂直于分光计中心轴)产生的偏离；（c）可以进行一次检查，转动平台180，如果未达到实验要求，可重复上述步骤（a）和（b）即可完全达到要求。（4）调整平行光管。取下平面镜并关闭望远镜上的照明灯。用已调好的望远镜来调节平行光管。调整方法如下：（a）从侧面和俯视两个方向用目视法把平行光管光轴大致调节到与望远镜光轴相一致；（b）打开狭缝，用光源将狭缝照明，从望远镜中观察，同时伸缩狭缝筒，直到看见清晰的狭缝像且与叉丝线无视差，这样平行光管发出的光即为平行光。然后调整缝宽约1毫米；（c）转动狭缝呈水平状，调节平行光管的俯仰，使狭缝的像与分划板上的叉丝的中心水平线重合，这样平行光管的光轴就与分光计中心轴垂直。在测量时将狭缝转动呈竖直状，并要使狭缝像仍保持清晰。2、汞灯汞光灯也叫水银灯，它是充入稀薄汞蒸汽而制成的放电管，能发出若干种不同波长的可见光。本实验要求测量其中最亮的紫、绿、黄1和黄2四种谱线的波长。3、透射光栅（600 mm-1，仪=3mm-1），双反平面镜四、实验内容1、测汞光谱的谱线波长（1） 按照前面叙述的方法把分光计调整到实验要求的状态。（2）在平台上放置光栅。（3）调整光栅使其狭缝与分光计中心轴平行。绕分光计的竖直中心轴转动望远镜，观察汞谱线分布情况，若发现分布倾斜如图2.9.8或相反，就是由于光栅狭缝与中心轴不平行造成的。调节平台下螺钉B或C使谱线分布高低一样。 倾斜的谱线（4）.测量衍射角。转动望远镜，从左边第一 条谱线黄2开始向右，依次测出K=-1级的、黄2、黄1、绿、紫四条谱线和K=+1级的紫、绿、黄1、黄2、四条谱线的角坐标。在叉丝接近谱线时，要微动望远镜使竖叉丝线与谱线中心重合，然后读数。对同一波长的谱线，K=-1时两 个游标盘A和B的读数分别记为-1A和-1B；K=+1两个游标盘A和B的读数分别记为+1A和+1B。数据记入表2.9.12、数据处理（1）用下面的公式计算各游标测得的的衍射角1A或1B。 ，取平均值 ，则待测的波长 。计算各谱线的波长。（2）由光栅方程可导出波长的相对不确定度传播律（这里的应