第二輪光學(xué)實(shí)驗(yàn)講義1第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二輪光學(xué)實(shí)驗(yàn)1、用雙棱鏡干涉測(cè)鈉光波長(zhǎng)（實(shí)驗(yàn)七）2、用透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)（實(shí)驗(yàn)九）第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)利用光的干涉現(xiàn)象測(cè)量光波波長(zhǎng)的方法。2．了解雙縫的干涉條件及在實(shí)驗(yàn)中如何實(shí)現(xiàn)。3．掌握實(shí)驗(yàn)光路的調(diào)節(jié)和測(cè)微目鏡的使用。實(shí)驗(yàn)七.用雙棱鏡干涉測(cè)鈉光波長(zhǎng)第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基本要求雙棱鏡及其干涉測(cè)波長(zhǎng)的原理。同軸等高調(diào)節(jié)方法。測(cè)微目鏡的使用方法。調(diào)出并測(cè)量條紋間距和虛光源間距的方法。觀察干涉條紋的特點(diǎn)以及條紋間距影響因素。第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三元件：①雙棱鏡（折射棱角<1°）。②單縫（調(diào)寬度、調(diào)豎直度）。③測(cè)微目鏡（測(cè)長(zhǎng)度的方法）。第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三MCU-15型測(cè)微目鏡的外型和結(jié)構(gòu)如圖所示測(cè)微目鏡由目鏡光具組、分劃板、讀數(shù)鼓輪和接頭裝置組合而成。預(yù)習(xí)測(cè)微目鏡的使用注意：防止回程誤差第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)微目鏡中的視場(chǎng)第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：1.說(shuō)明：(1)本裝置與教材介紹的略有不同，主要是在光源與狹縫之間的透鏡不使用，其余都相同。(2)狹縫：狹縫是一個(gè)縫寬和狹縫取向都可調(diào)節(jié)的裝置，狹縫平面和滑塊中心不在同一平面上，所以必須引入修正量(33.5mm或39.5mm)。雙棱鏡干涉條紋（非定域干涉）第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)測(cè)微目鏡：測(cè)微目鏡的測(cè)量平面(測(cè)量平面)和滑塊中心不在同一平面上，由此引入修正量為29.5mm。(4)雙棱鏡：由于雙棱鏡的楔角很小，所以實(shí)際的雙棱鏡是很難判斷棱脊在哪一面，但這不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的個(gè)結(jié)果，棱脊朝向哪一邊都是無(wú)關(guān)緊要的，正如教材上的圖7-1和7-3那樣。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.實(shí)驗(yàn)原理雙棱鏡干涉與雙縫干涉類(lèi)似，條紋間距為(其中d為兩虛光源的間距)由此可知，只要測(cè)出D、d和x，即可計(jì)算出光波波長(zhǎng)。從單縫發(fā)出的光徑雙棱鏡折射后形成兩束猶如從虛光源發(fā)出的頻率相同，振動(dòng)方向相同，并且在相遇點(diǎn)有恒定的位相差的相干光束，它們?cè)诳臻g相遇，則形成干涉條紋。第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三共軸等高：①可先將光具座上各元件緊靠在一起，用目視調(diào)整它們等高；②點(diǎn)亮光源，照亮狹縫，用白屏在雙棱鏡后面檢查：經(jīng)雙棱鏡折射后的光束，有否疊加區(qū)（應(yīng)更亮些）？疊加區(qū)能否進(jìn)入測(cè)微目鏡？當(dāng)移動(dòng)白屏?xí)r，疊加區(qū)是否逐漸向左右（或上下）偏移？根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，進(jìn)行判斷，進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)使之共軸。(1)共軸等高調(diào)節(jié)(按教材進(jìn)行)。3.操作：按圖放置好實(shí)驗(yàn)器材。第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三再按圖放置，狹縫與雙棱鏡的間距約為30cm。然后手執(zhí)白屏檢查。注意：移動(dòng)光源使亮線在光斑中間；雙棱鏡放在橫向可移動(dòng)的滑塊上；測(cè)量d時(shí)所用的透鏡最好也放在可移動(dòng)的滑塊上。(2)調(diào)節(jié)干涉條紋：調(diào)節(jié)狹縫寬度和方位(不是調(diào)節(jié)雙棱鏡)，使干涉條紋清晰、明亮。(3)測(cè)量D：?jiǎn)未螠y(cè)量D，誤差不計(jì)。(4)測(cè)量x：用測(cè)微目鏡測(cè)出明紋的距離，再除以10即得x。重復(fù)3次。(5)測(cè)量d：按教材進(jìn)行。第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由此計(jì)算d：(6)計(jì)算光波波長(zhǎng)。在雙棱鏡和測(cè)微目鏡之間，移動(dòng)透鏡，虛光源可在目鏡的分劃板上分別成一大一小的兩次實(shí)像，兩虛光源的兩次實(shí)像間距分別為d1或d2。將測(cè)微目鏡的叉絲交點(diǎn)分別與狹縫的兩個(gè)虛像的內(nèi)側(cè)重合，測(cè)出d1或d2，重復(fù)3次。注意事項(xiàng)：(1)要使狹縫與棱脊平行。(2)使用測(cè)微目鏡時(shí)要防止回程誤差。(3)測(cè)量x和d1和d2的過(guò)程中，狹縫和雙棱鏡之間的距離是絕不能變動(dòng)的！在測(cè)量d1和d2時(shí)，測(cè)微目鏡與狹縫的距離要超過(guò)焦距的4倍。第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三數(shù)據(jù)表格：(僅供參考)用雙棱鏡干涉測(cè)鈉光波長(zhǎng)第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分光計(jì)操作考試要求：分光計(jì)調(diào)節(jié)到工作狀態(tài)實(shí)驗(yàn)九.用透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、光柵衍射的原理——多縫夫瑯和費(fèi)衍射（平行光衍射）?縫數(shù)為N光柵常數(shù)：d=b+a

第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、光強(qiáng)分布(1)先設(shè)想將衍射屏上的各縫除任意一條之外都遮住，這時(shí)接收屏上呈現(xiàn)的是單縫衍射花樣。?光強(qiáng)的分布即衍射花樣僅取決于衍射角，當(dāng)只有單縫上下平移時(shí)，衍射花樣不變，因此：若讓N條縫輪流開(kāi)放，幕上獲得的花樣是完全一樣的。分析：第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、光柵方程：若衍射角為的光束經(jīng)透鏡會(huì)聚后互相加強(qiáng)，則角必須滿足關(guān)系式光柵方程：第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光柵衍射光譜示意圖第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)將光柵按圖放置在平臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)盤(pán)(載物平臺(tái))，使在光柵的兩面都能看到反射的“綠色小十字”，調(diào)節(jié)b2或b3，使“綠色小十字”和目鏡中的調(diào)整叉絲重合。二.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作要求1.分光計(jì)調(diào)節(jié)到工作狀態(tài)。2.光柵位置調(diào)節(jié)(1)調(diào)節(jié)分光計(jì)后，使望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直管，固定望遠(yuǎn)鏡。第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和平臺(tái)，使“準(zhǔn)直管狹縫像”、“叉絲的豎直線”和“綠十字豎直線”三者重合。三線合一第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(4)固定內(nèi)盤(pán)(平臺(tái))，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡觀察光譜，如果左右兩側(cè)的光譜線相對(duì)于目鏡中叉絲的水平線高低不等時(shí)，說(shuō)明光柵的衍射平面和觀察面不一致，此時(shí)可調(diào)節(jié)b1，使光譜中心線和水平叉絲線重合。(5)當(dāng)步驟(4)完成后，步驟(3)的效果會(huì)被破壞掉，所以要重復(fù)步驟(3)。第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.測(cè)定光柵常量d透射光柵是由一系列等間距、等寬度的狹縫組成。當(dāng)一束平行光照射，就形成了一系列相干的細(xì)帶波源。這些細(xì)帶在方向傳播的光相干疊加。在衍射理論中，當(dāng)光柵常量d與光的波長(zhǎng)及衍射角之間的關(guān)系滿足可以看出，對(duì)于第一級(jí)光譜(k=1)，如果已知波長(zhǎng)，則只要測(cè)出該光的衍射角，即可求出光柵常量d。出現(xiàn)主最大——在透鏡的焦平面出現(xiàn)衍射亮條紋(譜線)。第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三操作：轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡到光柵的一側(cè)(T1方向)，使叉絲的豎直線對(duì)準(zhǔn)汞燈光譜中的綠色譜線(波長(zhǎng)為546.07nm的第一級(jí)光譜)的中心，記錄兩游標(biāo)值v1和v2，將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向光柵的另一側(cè)(T2方向)，同樣使叉絲的豎直線對(duì)準(zhǔn)綠色譜線，記錄兩游標(biāo)值v1和v2，則T1方向與T2方向的夾角就是衍射角的二倍(2)，重復(fù)3次。由此計(jì)算光柵常數(shù)d：第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.測(cè)量未知波長(zhǎng)本實(shí)驗(yàn)要求測(cè)出一條“紫光”、兩條“黃光”譜線的衍射角，并根據(jù)已算出的d，由光柵方程計(jì)算它們的波長(zhǎng)。5.計(jì)算光柵的第一級(jí)角色散將光柵方程對(duì)波長(zhǎng)微分，可得光柵的角色散使用汞燈光源，已知一級(jí)光譜中兩黃線的波長(zhǎng)差為=2.11nm(或2.06nm)，結(jié)合測(cè)得的兩黃線的衍射角之差=(1-2)，求角色散(二級(jí)不要求)第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三深紫紫色藍(lán)綠綠色黃1黃2中央無(wú)色散弱紫弱藍(lán)綠第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)十.用透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1：第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)結(jié)果2：綠光：光柵常數(shù)：紫光：第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黃光1：黃光2：第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光柵的一級(jí)角色散：第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三六、誤差分析指南1、入射平行光不垂直光柵平面而引入的誤差。當(dāng)入射光與光柵法線成

0角時(shí)，對(duì)d=1/600mm的光柵來(lái)說(shuō)，

0=3°相對(duì)誤差可算出是0.16%，可見(jiàn)偏離角度不大時(shí)此誤差可以忽略不計(jì)。2、如果把光柵放反了，即把涂著藥膜的一面對(duì)著平行光管，相當(dāng)于在光路中加了一層介質(zhì)（如玻璃），由于介質(zhì)的折射使衍射光線平移了一個(gè)距離，介質(zhì)的兩個(gè)面是平行的，那么透過(guò)介質(zhì)后的衍射光線的角度不變，因此經(jīng)望遠(yuǎn)鏡后會(huì)聚后在分劃板上的位置也不會(huì)改變，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。3、波長(zhǎng)是實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確給出的，故本實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源是衍射角的測(cè)量。第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期三復(fù)習(xí)思考題1、