大学物理实验教案(光栅的衍射).doc

PAGE PAGE 4 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λ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λ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，对同一级谱线来说，λ越大，衍射角也越大，λ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λ已知时d可求，当d已知时λ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λ： 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，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。 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? ? 光栅放置时应使光栅平面与入射方向垂直； 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； 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； 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； 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、