分光计的调节及应用.doc

辽宁石油化工大学物理 实验论文实验题目分光计的调节和应用姓名学院实验地点周鹏教育实验学院理学院203学号专业、班级实验组号0909010105 实验0902班3号实验时间2010年 11月 17 日 星期三第 12 周 第7、8节分光计的调节及应用周鹏（辽宁石油化工大学教育实验学院0902）【摘要】通过本实验，利用对分光计的调节使用，捕捉大量相关的实验数据，经过合理推导，科学求解，测得某光栅常数，并计算出黄光波长以及光栅的分辨本领色散率。通过多次测量求平均值的方法使实验中产生的误差缩小到最低范围。其最终实验结果与理论值相吻合。关键词：分光计 光栅常数 色散度Regulation of the spectrometer and its applicationZHOU PENG(Liaoning university education experimental college 0902)【Abstract】Through this experiment, use on regulating the use of the spectrometer, capture large amounts of related data, after a reasonable inference that the scientific method, measured a grating constants, and calculate the yellow wavelength and grating of resolving power dispersion rate. Through numerous measurement averaging approach enables experiment in error to a minimum range. The final results of the experiment is consistent with the theoretical value. Keywords: spectrometer optical grating constant dispersity;一、引言分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪。光学中的许多基本量如波长，折射率等都可以直接或间接地表现为光线的偏转角，许多光学仪器(棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等)的基本结构也是以它为基础的，所以分光计是光学实验中的基本仪器之一。使用分光计时必须经过一系列的精细的调节才能得到准确的结果，它的调节技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝所组成的光学器件。光栅一般分为透射式和反射式两种，实验教学中通常采用透射式平面衍射光栅的复制品。在光学中常用光栅来精确地测量光波波长及进行光谱分析。本实验就是利用对分光计的调节使用测得某光栅常数和黄光波长以及光栅的分辨本领色散率的创新性实验。二、实验原理本实验所用的透射光栅是在一块透明的玻璃上刻有大量、均匀、相互平行的刻痕。如图1所示，a为刻痕，是不透光部分，b为透明狭缝的宽度，dab为相邻两狭缝上相应两点的距离，称为光栅常数。图1 光栅 图2 光栅衍射示意图当一束平行单色光垂直照射到光栅平面时，根据夫琅和费衍射理论，在各狭缝处将发生衍射，所有衍射之间又发生干涉，而这种干涉条纹是定域在无穷远处，为此在光栅后要加一个会聚透镜，在用分光计观察光栅衍射条纹时，望远镜的物镜起着会聚透镜的作用，相邻两缝对应的光程差为 (1)出现明纹时需满足条件 (kO，1，2，) (2)式(2)称为光栅方程，其中：为单色光波长；k为明纹级数。在的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其他谱线，则对称地分布在零级谱线的两侧，如图2所示。如果光源中包含几种不同波长，则同一级谱线中对不同的波长有不同的衍射角，从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。对于低压汞灯，它的每一级光谱中有4条谱线：l435.8nm(紫色)，2546.1nm(绿色)，3577.0nm(黄色)，4579.1nm(黄色)。衍射光栅的基本特性可用分辨本领和色散率来表征。角色散率D(简称色散率)是两条谱线偏向角之差两者波长之差之比： (3)对光栅方程微分可有 (4)由式(4)可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d越小，色散率越大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率；衍射角很小时，色散率D可看成常数，此时，与成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。由式(2)光栅方程，若波长已知，并能测出波长谱线对应的衍射角，则可以求出光栅常数d。三、实验数据的处理3.1 分光计的调整调整分光计就是要达到望远镜聚焦于无穷远处；望远镜和平行光管的中心光轴一定要与分光计的中心轴相互垂直，平行光管射出的光是平行光。(1)调望远镜聚焦于无穷远处。目测粗调：由于望远镜的视场角较小，开始一般看不到反射像。因此，先用目视法进行粗调，使望远镜光轴、平台大致垂直于分光计的转轴。然后打开小灯的电源，放上双面镜(为了调节方便，应将双面镜放置在平台上任意两个调节螺丝的中垂线上，且镜面与平台面基本垂直)，转动平台，使从双面镜正、反两面的反射像都能在望远镜中看到。若十字像偏上或偏下，适当调节望远镜的倾斜度和平台的底部螺丝，使两次反射像都能进入望远镜中。用自准直法调节望远镜：经目测粗调，可以在望远镜中找到反射的十字像。然后通过调节望远镜的物镜和分划板间的距离，使十字像清晰，并且没有视差(当左右移动眼睛时，十字像与分划板上的叉丝无相对移动)，说明望远镜已经聚焦到无穷远处，即平行光聚焦于分划板的平面上。(2)调望远镜光轴垂直于仪器转轴。利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射像。如果望远镜光轴与分光计的中心轴相垂直，而平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物平台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字像与分划板准线上部十字线完全重合。如果不重合，而是一个偏低，一个偏高，可以通过半调整法来解决，即先调节望远镜的高低，使亮十字像与分划板准线上部十字线的距离为原来的一半，再调节载物平台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使亮十字像与分划板准线上部十字线完全重和。将载物平台旋转180，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节，如此反复调整，直至从平面镜两表面反射回来的亮十字像与分划板准线上部十字线完全重合为止。(3)调节平行光管产生平行光。用已调好的望远镜作为基准，正对平行光管观察，并调节平行光管狭缝与透镜的距离，使望远镜中能看到清晰的狭缝像，且像与叉丝无视差。这时平行光管发出的光即为平行光，然后调节平行光管的斜度螺丝，使狭缝居中，上下对称，即平行光管光轴与望远镜光轴重合，都垂直于仪器转轴。3.2 调节光栅方位及测量(1)分光计调节好后可将光栅按双面镜的位置放好，适当调节使从光栅面反射回来的亮十字像与分划板准线上部十字线完全重合。(2)从中央条纹(即零级谱线)左侧起沿一个方向向左移动望远镜，使望远镜中的叉丝依次与第一级衍射光谱中的绿线相重合，记下对应位置的读数，再移动望远镜，越过中央条纹，依次记录右侧第一级衍射光谱中的绿线位置对应的读数。为了减少误差，再从右侧开始，重测一次。3.3 【数据记录与处理】 表1 测量光栅常数 绿光波长 测量位置1234绿光位置k=110802880108228811082288010802880k=-1891026988910269108911269108910269109417943394339.4259.4259.4179.417941794259.42994219.417表2 测量黄光的波长测量位置1234黄光位置k=11083328833108352883310834288331083328833k=-18835268358836268368836268378838268389.9839.9839.9929.9759.9839.9679.9589.9589.9839.98359.9759.9583.4 数据处理3.4.1测量光栅常数 =（9.425+9.429+9.421+9.417）/4=9.423=1.590.00516=0.008=1=0.017=0.019即: =9.4230.019=m=m光栅常数：=m3.4.2 计算黄光的波长=（9.983+9.9835+9.975+9.958）/4=9.975=0.019=1=0.017=0.025即: =9.9750.025=577.4nm合成不确定度 =8.2nm黄光波长：=(577.48.2)nm3.4.3 计算色散率 =0.018四、 误差处理本实验在多处可产生误差。(1)分光计的望远镜未调水平。由于十字亮线需要在光栅未放与放上时都能完全与刻线重合，故调节时是通过逐次逼近的办法，但仍只能保证基本重合，会产生一定的误差；(2)光栅放在分光计的平台上可能与平台不垂直，使在观察时，分出的光线与目镜上的竖直刻线不平行而无法确定准确的位置；(3)在观察时，由于光线具有一定的宽度，且边界并不十分清晰锐利，造成在对齐光线与分划线时斌都不能保证每次都在光线的同一个位置而造成误差；(4)在转动分光计的望远镜时，停下来之后，下一次向相反方向转，会有半个齿轮缝隙的咬合误差；(5)读数时会有视觉误差。五、思考题1.怎样调整分光计？调整时应注意的事项？答：先目测粗调，使望远镜和平行光管大致垂直与中心轴；另外再调载物台使之大致呈水平状态。（2）点亮照明小灯，调节并看清准线和带有绿色小十字窗口。（3）调节并使载物台上的准直镜正反两面都进入望远镜，并且成清晰的像。（4）采取逐步逼近各半调节法使从准直镜上发射所成的十字叉丝像与准直线重合。（5）目测使平行光管光轴与望远镜光轴重合，打开狭缝并在望远镜中成清晰的大约1mm宽的狭缝像。（6）使狭缝像分别水平或垂直并调节使狭缝像中心与十字叉丝中点想重合。调节过程中要注意已经调节好的要固定好，以免带入新的误差，另外注意逐步逼近各半调节法的使用。2.光栅方程和色散率的表达式中各量的物理意义及适用条件?答：（1）在光栅方程 中为实验中所测光的波长，如本实验中绿光的波长。K为衍射光谱级数为衍射角，d为光栅常数即光栅相临两刻蚊间长度。实用条件取决与级数的选取应与实验相一致。（2）色散率的表达式 中相应量与光栅方程中具有相同含义。3.当平行光管的狭缝很宽时，对测量有什么影响?答：造成测量误差偏大，降低实验准确度。不过，可采取分别测狭缝两边后求两者平均以降低误差。4.若在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，则应如何调整?答：证明狭缝没有调与准线重合有一定的倾斜，拿开光栅调节狭缝与准线重合。5.为何作自准调节时,要以视场中的上十字叉丝为准，而调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准?答：因为在自准调节时照明小灯在大十字叉丝下面，另外要保证准直镜与望远镜垂直，就必须保证其在大十字叉丝上面，并且距离为灯与大十字叉丝相同的地方，即以视场中的上十字叉丝为准。现在，很容易就知道为什么在调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准了。6.光栅光谱与棱镜光谱相比有什么特点?答：棱镜光谱为连续的七色光谱，并且光谱经过棱镜衍射后在两边仅仅分别出现一处；光栅光谱则不同，它为不连续的并且多处在平行光管轴两边出现，另外还可以条件狭缝的宽度以保证实验的精确度六、结束语 通过自己设计实验方案，在实验中发现问题解决问题，可加深对实验原理的理解和灵活应用，提高分析问题的能力。在处理数据的过程中，可有效加强对计算机基本技能的使用。参考文献【1】 江美福，方建兴。大学物理实验教程。北京：科学出版社，2009：978-7-03-024320-1【2】 黄金华，许星光,崔玉广。物理实验教程。北京：化学工业出版社，2010:978-7-122-07613-7附;分光计的结构简介分光计的结构如图2.14.3所示，它主要包括望远镜、载物平台、平行光管和读数装置四个部分。分光计的中心有一个竖直轴，称为分光计的中心轴。图2.14.3 分光计外形图1狭缝装置；2狭缝装置锁紧螺钉；3平行光管；4制动架(二)；5载物台；6载物台调节螺钉(3只)；7载物台锁紧螺钉；8望远镜；9目镜锁紧螺钉；10阿贝式自准直目镜；11目镜调节手轮；12望远镜仰角调节螺钉；13望远镜水平调节螺钉；14望远镜微调螺钉；15转座与刻度盘止动螺钉；16望远镜止动螺钉；17制动架(一)；18底座；19转座；20刻度盘；21游标盘；22游标盘微调螺钉；23游标盘止动螺钉；24平行光管水平调节螺钉；25平行光管仰角调节螺钉；26狭缝宽度调节手轮1.望远镜望远镜可以绕仪器的中心轴旋转到任意位置，并可用锁紧螺丝固定住，其所处的位置可以从读数窗读出。分光计中采用的望远镜是一种自准望远镜，它由镜筒、物镜(消色差凸透镜)、分划板、阿贝式目镜、套筒、全反射式棱镜及小灯组成，如图2.14.4所示。图2.14.5是分划板示意图。小电灯发出的光，经全反射棱镜照亮分划板上的十字刻线，当分划板位于物镜焦平面上时，十字刻线发出的光经物镜后形成平行光，成像于无穷远处。若在物镜前面放置一个垂直于望远镜主光轴的平面反射镜，则反射回来的平行光，经物镜聚焦在分划板上方十字叉丝处形成亮十字像。2.平行光管平行光管的作用是