大学物理实验光栅衍射.pptx

一、实验原理一、实验原理1 1 1 1、光栅分光原理、光栅分光原理、光栅分光原理、光栅分光原理光栅透光部分宽为光栅透光部分宽为光栅透光部分宽为光栅透光部分宽为a a，不透光部分宽为不透光部分宽为不透光部分宽为不透光部分宽为b b，d d=a a+b b称为称为称为称为光栅常数光栅常数光栅常数光栅常数。波长为波长为波长为波长为 的单色平行光垂直照射光栅时，出射角的单色平行光垂直照射光栅时，出射角的单色平行光垂直照射光栅时，出射角的单色平行光垂直照射光栅时，出射角满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。光栅常数光栅常数光栅常数光栅常数d d，波长，波长，波长，波长 以及衍射角以及衍射角以及衍射角以及衍射角 三个量，已知其三个量，已知其三个量，已知其三个量，已知其中两个，则第三个可由光栅方程求得。中两个，则第三个可由光栅方程求得。中两个，则第三个可由光栅方程求得。中两个，则第三个可由光栅方程求得。本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到分划板上，进行观察和读数。分划板上，进行观察和读数。分划板上，进行观察和读数。分划板上，进行观察和读数。使用复色光源时，由光栅方程，各衍射级次使用复色光源时，由光栅方程，各衍射级次使用复色光源时，由光栅方程，各衍射级次使用复色光源时，由光栅方程，各衍射级次中不同波长成分的衍射角中不同波长成分的衍射角中不同波长成分的衍射角中不同波长成分的衍射角不同，从而获得不同，从而获得不同，从而获得不同，从而获得分光。分光。分光。分光。本实验使用汞灯作为光源，光源中包含紫色、本实验使用汞灯作为光源，光源中包含紫色、本实验使用汞灯作为光源，光源中包含紫色、本实验使用汞灯作为光源，光源中包含紫色、蓝色、绿色和黄色等多种波长成分。蓝色、绿色和黄色等多种波长成分。蓝色、绿色和黄色等多种波长成分。蓝色、绿色和黄色等多种波长成分。-2 -1 0 +1 +2绿绿绿绿+1+1+1+1级级级级绿绿绿绿-1-1-1-1级级级级黄黄黄黄1 1 1 1+1+1+1+1级级级级黄黄黄黄2 2 2 2+1+1+1+1级级级级黄黄黄黄2 2 2 2-1-1-1-1级级级级黄黄黄黄1 1 1 1-1-1-1-1级级级级本实验通过测量绿光（波长已知）的衍射角可计本实验通过测量绿光（波长已知）的衍射角可计本实验通过测量绿光（波长已知）的衍射角可计本实验通过测量绿光（波长已知）的衍射角可计算出光栅常数算出光栅常数算出光栅常数算出光栅常数d d d d，再通过测量双黄线的衍射角，再通过测量双黄线的衍射角，再通过测量双黄线的衍射角，再通过测量双黄线的衍射角，可计算出两种黄光的波长。可计算出两种黄光的波长。可计算出两种黄光的波长。可计算出两种黄光的波长。2 2 2 2、光栅的基本特性、光栅的基本特性、光栅的基本特性、光栅的基本特性衍射光栅的基本特性可用分辨本领和衍射光栅的基本特性可用分辨本领和衍射光栅的基本特性可用分辨本领和衍射光栅的基本特性可用分辨本领和角角角角色散率色散率色散率色散率来表征。角色散率来表征。角色散率来表征。角色散率来表征。角色散率D D D D是两条谱线偏向角之是两条谱线偏向角之是两条谱线偏向角之是两条谱线偏向角之差差差差 与与与与两者波长差两者波长差两者波长差两者波长差 之比：之比：之比：之比：*（不作）（不作）光栅的分辨本领光栅的分辨本领光栅的分辨本领光栅的分辨本领R R R R表征光栅分辨光谱表征光栅分辨光谱表征光栅分辨光谱表征光栅分辨光谱细节的能力。定义为两条刚可被分开的谱线的细节的能力。定义为两条刚可被分开的谱线的细节的能力。定义为两条刚可被分开的谱线的细节的能力。定义为两条刚可被分开的谱线的波长（平均）与他们波长差之比。波长（平均）与他们波长差之比。波长（平均）与他们波长差之比。波长（平均）与他们波长差之比。二、实验内容二、实验内容调节分光计调节分光计调节分光计调节分光计平行光管产生平行光平行光管产生平行光平行光管产生平行光平行光管产生平行光（平行光管的狭缝位于其（平行光管的狭缝位于其（平行光管的狭缝位于其（平行光管的狭缝位于其物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。望远镜能接受平行光望远镜能接受平行光望远镜能接受平行光望远镜能接受平行光（分划板位于物镜焦平（分划板位于物镜焦平（分划板位于物镜焦平（分划板位于物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。面上），且光轴与仪器主轴垂直。面上），且光轴与仪器主轴垂直。面上），且光轴与仪器主轴垂直。载物台平面与仪器主轴垂直。载物台平面与仪器主轴垂直。载物台平面与仪器主轴垂直。载物台平面与仪器主轴垂直。调节光栅调节光栅调节光栅调节光栅望远镜及平行光管望远镜及平行光管望远镜及平行光管望远镜及平行光管均与光栅平面垂直均与光栅平面垂直均与光栅平面垂直均与光栅平面垂直（三线合一）。（三线合一）。（三线合一）。（三线合一）。望远镜对准平行光望远镜对准平行光望远镜对准平行光望远镜对准平行光管，光栅放置于载管，光栅放置于载管，光栅放置于载管，光栅放置于载物台上，转动内盘和望远镜，物台上，转动内盘和望远镜，物台上，转动内盘和望远镜，物台上，转动内盘和望远镜，使零级主极大、反射绿叉丝使零级主极大、反射绿叉丝使零级主极大、反射绿叉丝使零级主极大、反射绿叉丝像均与分划板垂线重合，然像均与分划板垂线重合，然像均与分划板垂线重合，然像均与分划板垂线重合，然后后后后锁紧内盘锁紧内盘锁紧内盘锁紧内盘。B1 1B3 3B2 2光栅刻线与仪器主轴平行。光栅刻线与仪器主轴平行。光栅刻线与仪器主轴平行。光栅刻线与仪器主轴平行。转动望远镜，观察转动望远镜，观察转动望远镜，观察转动望远镜，观察 1 1 1 1级、级、级、级、2 2 2 2级各级衍射主级各级衍射主级各级衍射主级各级衍射主极大，看它们是否等高。若不等高，调节极大，看它们是否等高。若不等高，调节极大，看它们是否等高。若不等高，调节极大，看它们是否等高。若不等高，调节B B B B3 3 3 3螺钉使它们等高。螺钉使它们等高。螺钉使它们等高。螺钉使它们等高。注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起。定在一起。定在一起。定在一起。测量衍射角测量衍射角测量衍射角测量衍射角以绿光为例，转动望远镜，使以绿光为例，转动望远镜，使以绿光为例，转动望远镜，使以绿光为例，转动望远镜，使-1-1-1-1级与分划板级与分划板级与分划板级与分划板垂线重合，读角位置垂线重合，读角位置垂线重合，读角位置垂线重合，读角位置 1 1和和和和 1 1，再测再测再测再测+1+1+1+1级角位级角位级角位级角位置置置置 2 2和和和和 2 2，则则则则1 1 1 1级绿光的衍射角级绿光的衍射角级绿光的衍射角级绿光的衍射角为：为：为：为：测量时，从最右端的黄测量时，从最右端的黄测量时，从最右端的黄测量时，从最右端的黄2 2 2 2光开始，依次测黄光开始，依次测黄光开始，依次测黄光开始，依次测黄2 2 2 2、黄、黄、黄、黄1 1 1 1，绿光，绿光，绿光，绿光，直到最左端的黄直到最左端的黄直到最左端的黄直到最左端的黄2 2 2 2光，重光，重光，重光，重复测量三次。复测量三次。复测量三次。复测量三次。三、数据处理三、数据处理计算绿光、黄计算绿光、黄计算绿光、黄计算绿光、黄1 1和黄和黄和黄和黄2 2三种波长成分的衍射角三种波长成分的衍射角三种波长成分的衍射角三种波长成分的衍射角及不确定度，正确表示结果。及不确定度，正确表示结果。及不确定度，正确表示结果。及不确定度，正确表示结果。（分光计测量角度时，（分光计测量角度时，（分光计测量角度时，（分光计测量角度时，B B B B类不确定度取类不确定度取类不确定度取类不确定度取1 1 1 1分）分）分）分）以绿光的衍射角计算光栅常数以绿光的衍射角计算光栅常数以绿光的衍射角计算光栅常数以绿光的衍射角计算光栅常数d d及其不确定度，及其不确定度，及其不确定度，及其不确定度，正确表示结果（绿光波长为正确表示结果（绿光波长为正确表示结果（绿光波长为正确表示结果（绿光波长为546.1nm546.1nm）。使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的衍射角计算黄光的波长，并与已知值衍射角计算黄光的波长，并与已知值衍射角计算黄光的波长，并与已知值衍射角计算黄光的波长，并与已知值(p369p369)比较，计算定值误差。比较，计算定值误差。比较，计算定值误差。比较，计算定值误差。以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率 并与理论值并与理论值并与理论值并与理论值 比较，计算定值比较，计算定值比较，计算定值比较，计算定值误差。误差。误差。误差。（注意单位）（注意单位）（注意单位）（注意单位）谱谱线线次次数数衍射角位置读数衍射角位置读数游标游标位置位置+1+1级级-1-1级级绿绿光光1 1左左右右2 2左左右右3 3左左右右谱谱线线测量次测量次数数1 1级读数级读数-1-1级读数级读数游标游标1 1游标游标2 2游标游标1 1游标游标2 2黄黄1 11 12 23 3黄黄2 21 12 23 3