目测法测透射光栅常数

评分：大学物理实验设计性实验实验报告实验题目：目测法测透射光栅常数班级：计算机08-2姓名：周兆国学号：39指导教师：李天乐

茂名学院物理系大学物理实验室实验日期：2009年12月4日实验15《目测法测透射光栅常数》实验提要实验课题及任务《目测法测透射光栅常数》实验课题任务是，给定一个光栅和光源(如汞灯、钠灯或激光器等)，根据光源的已知光谱，在没有分光计和其它测量仪器的情况下，仅利用米尺和自制实验器材，结合直接目视法，测量透射光栅的光栅常数。该实验还可以已知光栅常数测量未知谱线的波长。学生根据自己所学知识，设计出《目测法测透射光栅常数》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。设计要求⑴通过在实验室用目测的方式观察光栅的衍射现象，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出光栅方程与光路图中的那些物理量(即待测量的物理量)有关，根据光栅方程和待测物理量的关系推导出计算公式，写出该实验的实验原理。(注：这一步是本实验的关键所在，得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。)⑵选择实验测量仪器，仅限于光栅、米尺(10m/0.005m或3m/0.001m)、光源(汞灯、钠灯或激光器)的选择，可以自制辅助器件。⑶设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。⑷测量时那些物理量可以测量一次，那些物理量必须得多次测量，说明原理。⑸实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器的选择及提示⑴光栅：实验室给定，光栅参数为：300/mm⑵米尺：3m/0.001m或10m/0.005m任选，⑶光源：钠灯、汞灯、激光器，任选。⑷可以自制实验器材，如带刻度的条型光屏，也可以借助现有实验室的条件。实验所用公式及物理量符号提示⑴光栅方程:(k=0、1、2、3、……)式中(其中为光栅缝宽，为相邻缝间不透明部分的宽度)为相邻狹缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，为衍射光谱线的级次。⑵用表示谱线到0级谱线的距离，用表示光栅到0级谱线的垂直距离。提交整体设计方案时间学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求用纸质版(电子版用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里)供教师修改。思考题⑴光栅与光源之间的距离多远比较合适？⑵眼睛与光栅的距离对测量有没有影响？⑶光屏和光源是否一定要在一个平面内？⑷光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？参考文献参阅各实验书籍中的夫琅和菲衍射原理及光栅衍射原理。几何光学，人眼睛的光学原理。目测法测量光栅常数一

实验目的：

1、通过实验观察光栅的衍射光谱，并学会画出简单的光路图。

2、培养我们的逻辑思维能力，分析光栅的分光作用和原理，利用光栅衍射原理测定光栅常数。

3、培养我们对问题的分析能力、对事物的观察能力、自己的动手操作能力以及解决问题的能力。4、培养我们实事求是的工作态度，培养我们的物理兴趣。

二

实验仪器：

透射光栅（光栅参数为：300/mm）

米尺（10m/0.005m）

激光器三

实验原理：图1光栅衍射原理示意图普通平面光栅是一块基板玻璃片上,用刻线机划出一组很密的等距的平行线构成的,光射到每一刻痕处便发生散射，刻痕起不透光的作用，光只能从刻痕间透明狭缝中通过，因此，可以反光栅看成一系列密集、均匀而又平行的排列狭缝。光照射到光栅上，通过每个狭缝的光都发生衍射，而衍射光通过透镜后便互相干涉。设光波波长为，狭缝和刻痕的宽度分别为和,则通过各狭缝以角度衍射的光，经透镜会聚后如果是相加强时，在其焦平面上就得到明亮的干涉条纹。根据光的干涉条件：光程差等于波长的整数倍或零时形成亮条纹。由图（1）可知，衍射光的光程差为，于是，形成亮条纹的条件为：，，，，……（1）的亮条纹叫中央条纹或零级条纹，为左右对称分布的一级条纹，为左右对称的二级条纹，以此类推。光栅狭缝与刻痕宽度之和称为光栅常数。若在光栅片上每厘米宽刻有n条刻痕，则光栅狭缝常数。当已知时，只要测出某级条纹所对应的衍射角，通过式（1）即可计算出光栅常数：（2）当入射光是白光时，中央明纹为白色其它同一级的条纹不重合，波长较长的在外，波长较短的在内。四实验内容及步骤：1.实验内容：图2实验衍射光路示意图如上图，现在用目测法测量光栅常数，可以用眼睛作为一个凸透镜，若将平行光垂直照射在光栅上，从光栅的另一面用眼睛观察，可以发现在对面墙壁上有像产生，其实是虚像点。即如上图，当知道和，可以计算出光栅到各级衍射条纹的垂直距离，为=。因此可以通过=,求得/（2）用激光器进行实验，查出此激光波长。当=1时,可以得到d=.所以，=/;当=2时,可以得到=.所以，d=2/，以此类推，求出各个并取平均值。2.实验步骤：1.打开激光器，将激光斜射在固定在墙上的长纸条中心处，在距离激光点足够远的地方（S>>10），适当的调整摆放在桌面的光栅，使透过光栅看纸条的视线垂直于纸条。2.透过光栅仔细观察，将可以看到纸条上有一级一级红色的衍射光斑虚像，在激光器两边依次排开。分别为一级衍射光斑，二级衍射光斑......3.用笔在纸条上记下激光光点位置A，再记下一级衍射光斑虚像的位置B.C。4.用直尺量出点A到点B的距离，为，再测出点A到C的距离，为，用米尺量出光栅到墙的垂直距离S。5.改变光栅到墙的垂直距离S，重复以上实验步骤，并记录所测得的实验数据。原始数据记录：实验日期：2009年12月4日目测法测量透射光栅常数：光栅到墙壁的距离180017001600光斑到零级的距离（左）（右）（左）（右）（左）（右）351.00351.50332.00331.20307.50308.00351.25331.60307.75光栅常数3.303.303.353.32仪器误差：0.1激光波长：指导老师签名：五实验数据：光栅到墙壁的距离180017001600光斑到零级的距离（左）（右）（左）（右）（左）（右）351.00351.50332.00331.20307.50308.00351.25331.60307.75光栅常数3.303.313.353.32仪器误差：0.1激光波长：六数据处理：对于第一组数据：不确定度的计算：，又，，同理：对于第二组数据，可得：对于第三组数据，可得：由以上三组数据可看出：所以，相对不确定度用表示，七实验结果表达：八讨论：1.思考题⑴光栅与光源之间的距离多远比较合适？答：光栅与光源之间的距离大约3米比较合适，因为光栅到光源之间的距离如果大于10倍的一级明斑到光源的距离，这样的测量结果比较精确。⑵眼睛与光栅的距离对测量有没有影响？答：眼睛与光栅的距离对测量没有的影响，因为衍射后的光路是确定的，所以只要保证能透过光栅看到虚像，无论眼睛如何动，虚像都不会有变化。⑶光屏和光源是否一定要在一个平面内？答：光屏和光源是一定要在一个平面内，因为这样做可以更加方便测量出的距离。⑷光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？答：应采用单次测量，这样做已经满足实验精度的要求。2.实验心得：通过本次实验让我学会了目测法测量透射光栅常数的方法，在做实验前要多思考，学会发散思维，把以前所学过的物理知识用上，这样才能设计好最佳的实验方案。在描点的时候，两只眼都睁开观察虚像更加准确，而且两个人要配合的默契，读数和测量要精准，才能得出最佳的实验结果。感谢学校给了我这样一个亲自动手设计实验的机会，这不仅锻炼了我的思考能力，更重