光栅衍射法测定光波长.ppt

实验名称 光栅衍射法测定光波长 实验目的 熟悉分光计的调节 理解光栅衍射现象 学习用光栅衍射法测定光的波长或光栅常数 实验原理及背景知识介绍 光栅和棱镜一样 是重要的分光光学元件 已广泛应用在光栅谱仪 光栅单色仪等 光栅是一组数目极多的等宽 等距和平行排列的狭缝 分为透射光栅和反射光栅两种 本实验中用的是平面透射光栅 实验原理及背景知识介绍 当光垂直入射到光栅面上时 透射光在满足式 dsin k k 0 1 2 1 的衍射角 方向上有亮条纹出现 如图1 对已知波长的光波 测出其经光栅衍射后的衍射角 并判定其级次k后 即可测出所用光栅的光栅常数d 已知光栅常数d 就可以通过测出待测波长对应的衍射角 后 计算出待测波长 实验原理及背景知识介绍 实验仪器介绍 光栅由透光的狭缝和不透光部分构成 令a表示透光狭缝的宽度 b表示不透光部分的宽度 则光栅常数d a b 习惯上用单位毫米里的狭缝数目N来描述光栅特征 如图2 光栅常数d与N的关系为 图2光栅结构示意图 实验内容 调节分光计 1 把望远镜目镜分划板上的叉丝调节清晰 2 把望远镜调节到适合观察平行光 3 把望远镜的光轴调节到与仪器的主轴垂直 4 把平行光管调节到能够出射平行光 5 把平行光管的光轴调节到与望远镜共轴 6 把狭缝调节成竖直状态且宽度适中 实验内容 光波长的测量利用分光计装置 根据光栅衍射的光路放置好光栅并观察光栅衍射现象 把分光计的望远镜分别对准级的衍射条纹 测量出级衍射条纹两方向对应的读数和 计算出衍射角 根据公式 可算出光波长 实验步骤 一 调节分光计 三 测定衍射角 三 计算光波长 二 根据光路图放置好光栅并观察光栅衍射现象 一 调节分光计 1 粗调 1 目测粗调使望远镜光轴大致水平 并粗调平行光管使其与望远镜大致共轴 2 调节载物台水平度调节螺丝使载物台台面大致水平 一 调节分光计 2 调节望远镜 1 目镜调焦目镜调焦的目的是使眼睛通过目镜能很清楚地看到目镜中分划板上的刻线和叉丝 调焦办法 接通仪器电源 把目镜调焦手轮旋出 然后一边旋进一边从目镜中观察 直到分划板刻线成像清晰 再慢慢地旋出手轮 至目镜中刻线的清晰度将被破坏而未被破坏时为止 如图3 遮光窗 图3目镜分划板 一 调节分光计 2 调节望远镜 2 应用自准法对望远镜调焦 使其适合观察平行光a 接上电源 将分划板照亮 b 将双面反射镜放在载物台上 如图4 c 调节望远镜府仰角螺钉 寻找经过平面镜反射回来的的绿十字 并前后移动目镜装置对望远镜调焦 使绿十字叉丝成像清晰 如图5 图4双面反射镜的放置 图5双面反射镜反射回来的绿十字 一 调节分光计 2 调节望远镜 3 应用各半调节法调节望远镜的光轴与仪器的主轴垂直 a 望远镜内出现清晰的绿十字叉丝像 而与分划板上方的十字刻度线有一定的高度差h 图6a b 调节望远镜光轴仰角调节螺丝 使高度差h减小一半 图6b c 再调节载物台调平螺丝b或c 使高度差全部消除 图6c 图6各半调节法示意图 一 调节分光计 d 旋转载物台 使双面反射镜转过180 重复各调一半法 使绿十字叉丝像如图6 c 所示 e 重复上述步骤 使经双面反射镜两个面反射的的绿十字叉丝像均如图6 c 所示 一 调节分光计 3 调节平行光管 1 调节平行光管 使其适合观察平行光 调节平行光管上的狭缝装置在平行光管轴线上的位置 直到狭缝的像最清晰 此时平行光管出射平行光 如图7所示 图7平行光管出射平行光 一 调节分光计 3 调节平行光管 2 调节平行光管 使其与望远镜共轴 旋转狭缝90o 使其与目镜分划板水平刻线平行 调节平行光管水平调节螺钉 使狭缝与目镜视场中心的水平刻线重合 如图8所示 图8平行光管与望远镜共轴示意图 一 调节分光计 3 调节平行光管 3 调节缝宽适中 0 5mm左右 旋转狭缝90o 使其与目镜分划板竖直刻线平行 调节狭缝宽度调节手轮 使狭缝宽度适中 如图9所示 图9狭缝宽度调节示意图 二 放置光栅 光栅 1 用汞灯照亮平行光管的狭缝 使望远镜目镜中的分划板上的中心垂线对准狭缝的像 然后固定望远镜 2 将装有光栅的光栅支架置于载物台上 使其一端对准调平螺丝a1 一端置于另两个调平螺丝a2 a3的中点 如图10所示 3 旋转游标盘并调节调平螺丝a2或a3 当从光栅平面反射回来的 十 字像与分划板上方的十字线重合时 如图11所示 固定游标盘 1 调节光栅平面使其与平行光管的光轴垂直 图10光栅放置示意图 图11光栅反射绿十字示意图 二 放置光栅 2 观察光栅衍射现象 图12汞灯的部分光栅衍射光谱示意图 放置好光栅后 移动望远镜观察光栅的正负级衍射条纹 并通过调节载物台的调平螺钉 使正负级的条纹等高 如图12所示 三 测定衍射角 1 把分光计的望远镜分别对准级的衍射条纹 测量出级衍射条纹方位对应的读数 2 把分光计的望远镜分别对准级的衍射条纹 测量出级衍射条纹方位对应的读数 3 不改变光栅的位置 重复测量数据8次 4 按照下列公式计算衍射角 四 计算光波长 将测量出来的衍射角 的值 光栅常数d 衍射级别k的值代入下式 dsin k k 0 1 2 1 即可得到被测光线的波长 实验完成 当实验完成 所有实验相关原始数据 包括每一测量量的仪器示值误差 都已按要求记录在预习报告的三线表中后 可示意教师检验自己的实验数据 教师在检查 核对完该同学的仪器状态与数据无误并签字后 填写好仪器使用登记表 整理好仪器 并收回椅子 方可离开实验室 思考题 如果光栅常数不知道 又要用它来测量波长 怎么办 分析测量同一种颜色不同级数的光时 对波长测量结果的影响 若平行光管的狭缝过大 请问它对测量结果的影响 如果入射光线和光栅平面不垂