大学物理实验教案(光栅的衍射

1、大学物理实验教案实验项目光栅的衍射教学目的1. 观察光的衍射现象，了解光栅分光的原理。2. 测定光栅常数和光波波长。实验原理当光射到光栅面上时，在透光狭缝处光线可透过，而在不透光处则不能透过。若这些透光狭缝的宽为。相邻狭缝间不透光部分的宽度为，称为光栅常数。本实验装置产生的光栅衍射是夫琅和费衍射，因为衍射屏（光栅）与光源及观察屏之间的距离均为无穷远（入射光栅的入射光和出射光栅的衍射光均为平行光）。根据夫琅和费衍射理论，当波长为的平行光束投射到光栅平面上时，光波将在两个透光狭缝处发生衍射，所有狭缝的衍射光又彼此发生干涉，其结果是在透镜的焦平面上得到一排明亮分立的光谱线。当平行光垂直入射时，相邻两

2、缝对应点出射的光束的光程差为式中d为光栅常数，称为衍射角。根据衍射光的干涉条件，当衍射角满足下式时则该衍射角方向上的光将会得到加强，叫做主极大，其它方向的光或者完全抵消，或者强度很小在焦平面上形成暗背景。我们把时所对应的主极大分别称为中央(0级)极大，正负第一级极大，正负第二级极大，。如果入射光不是单色光，而是包含几种波长的光，对于同一级次光的波长不同，其衍射角也各不相同，于是复色光将被分解，从而在不同的地方形成不同颜色的光谱线。但是，在中央主极大位置上，即K=0，处，各颜色的光仍重叠在一起，形成中央明条纹。在中央条纹两侧对称分布着级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，对

3、同一级谱线来说，越大，衍射角也越大，越小，越小，即彩色谱线排列是长波谱线在外侧，短波谱线在内侧。如果用分光计测出，则当已知时d可求，当d已知时可求。衍射角为其中为望远镜对准所要测定的正级谱线时，A，B两游标读数。为望远镜对准所要测定的负级谱线时，A，B两游标读数。教学重点与难点重点：1. 分光计的调节（望远镜调焦、望远镜光轴调节、平行光管调节等）； 2. 光栅放置位置的要求； 3. 衍射角测量方法。难点：1. 分光计调节； 2. 游标盘读数。实验内容提要用垂直入射法测定光栅常数d及光波波长：1. 调节分光计，要求达到：（1）望远镜聚焦于无穷远，且其光轴与仪器转轴垂直；（2）平行光管产生平行光，

4、且其光轴与望远镜光轴同轴，狭缝宽度在望远镜视场中约为1mm。2. 光栅位置的调节（1）光栅平面与平行光管轴线垂直。i. 转动望远镜使竖直叉丝对准狭缝的象然后固定望远镜位置;ii. 按下图将光栅放在载物台上，即原来放双面平行平面镜的位置。光栅面垂直平台下两调节螺丝b1，b2的连线;iii. 点亮望远镜上的小灯，转动载物台使光栅正对望远镜，调节b1或b2螺丝直到望远镜中看到光栅面反射回来的叉丝像与上方叉丝重合。注意：望远镜已调好，不能再次调节望远镜倾角调节螺钉。至此，光栅面与望远镜光轴垂直了，因而也与平行光管光轴垂直。调节完毕后应固定游标盘止动螺钉与载物台锁紧螺钉。（2）光栅上狭缝与仪器转轴平行。

5、松开望远镜止动螺钉，向左（或向右）转动望远镜，可以看到谱线，注意观察各谱线是否被视场中央的水平叉丝所平分，如果不是，可调节图中的b3螺丝使各谱线被叉丝平分。（3）转动望远镜使之正对光栅，检查光栅平面是否仍保持与望远镜光轴垂直。若有改变，就要反复调节多次，直到以上两个要求都满足为止。（4）测量：向左转动望远镜，使竖直叉丝对准第二级（K=2）绿色谱线，记下A、B两游标读数，向右转动望远镜，使竖直叉丝对准 K=-2 级绿色谱线，记下A、B两游标读数，。（5）重复测三次，求出光栅常数d。（6）用同样方法测汞的第一级（）两条黄色谱线的波长。测量与数据处理要求1. 光栅放置时应使光栅平面与入射方向垂直；2

6、. 望远镜和游标盘在止动螺钉旋紧的情况下不能强行扳转它们，以免损伤转轴。为此，每次转动望远镜和游标盘前，先检查止动螺钉是否放松；3. 在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度零点；4. 测量汞黄光波长时，观察到两根很靠近的黄色谱线，应注意区分好黄1与黄2；5. 测量衍射角时应读出望远镜在T1位置的两个游标读数，然后转动望远镜到T2位置，再读出此时的两个游标读数。思考题1. 应用光栅方程来测定光栅常数d应满足什么条件?实验时这些条件是怎样保证的?2. 按图30-3的方法放置光栅有什么好处?3. 在本实验所用的仪器条件下，最多能看到几级衍射光谱?而理论计算

7、应能看到几级绿色谱线，两者是否一致?参考资料大学物理实验 马靖 马宋设 施洋主编大学物理实验指导 丁道滢 陈之前编物理实验教程丁慎训 张连芳主编大学物理实验 霍剑青 吴泳华等主编评分标准一、预习及操作评分标准85 95分1.预习充分2.实验时能脱离讲义或稍看讲义, 独立完成;3.遵守操作规程, 仪器调整或电路连接又快又正确, 实验中仪器操作较熟练;4.能主动排除故障, 对发生的 问题能进行分析判断;5.读数(有效数字,单位)、记录正确。6.光栅常数，衍射角，波长数值正确。75 84分1.预习较充分;2.实验时对照讲义后能独立完成;3.遵守操作规程, 仪器调整或电路连接能主动完成, 并无大差错, 实验中能正确使用仪器4.能在教师启发下, 排除故障, 或对发生的问题进行分析判断;5.读数的有效数字要提醒。6.光栅常数，衍射角，波长误差较大60 74分1.有预习，但效果一般;2.边看讲义边实验, 虽然按时完成, 但有依赖性;3.能遵守操作规程, 仪器调整或电路连接水平较差, 实验仪器操作不熟练;4.读数的有效数字要指导。5.光栅常数，衍射角，波长误差很大。双黄线衍射角，波长相同。60分1. 无预习。2.违反操作规程, 而使仪器器件损坏;3.弄虚作假; 4.在规定时间内未完成实验要求。 符合2，3，4其中一条,