試驗(yàn)5-7用光柵測(cè)量光的波長試驗(yàn)講義單 教師姓名：王殿生2試驗(yàn)5－7〔一〕教學(xué)根本要求理解用干預(yù)衍射法間接測(cè)量思想方法。學(xué)會(huì)由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整周密儀器的思想方法。了解分光計(jì)的主要構(gòu)造，深刻體會(huì)并把握分光計(jì)各局部的功能及調(diào)整和使用方法；明確分光計(jì)最終的調(diào)整狀態(tài)。正確理解和如何保證入射光垂直入射光柵外表的方法和作用。了解衍射光柵的主要特性，通過試驗(yàn)觀看衍射光強(qiáng)的分布特征。了解分光計(jì)的偏心差、望遠(yuǎn)鏡的視差、讀數(shù)顯微鏡的螺距差等誤差的產(chǎn)生緣由和消退方法。嫻熟把握角游標(biāo)原理和讀數(shù)方法以及讀數(shù)顯微鏡的正確使用方法。學(xué)會(huì)并正確使用幾種測(cè)量方法：自準(zhǔn)法、光學(xué)放大法、累積放大法、機(jī)械放大法等。試驗(yàn)簡(jiǎn)介

〔二〕講課提綱衍射光柵是利用多縫衍射原理使光波發(fā)生色散的光學(xué)元件，由大量相互平行、等寬、等間距的狹縫或刻痕所組成。由于光柵具有較大的色散率和較高的區(qū)分本領(lǐng)，故它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中?，F(xiàn)代高科技技術(shù)可制成每厘米有上萬條狹縫的光柵，它不僅適用于分析可見光成分，還能用于紅外和紫外光波。在構(gòu)造上有平面光柵和凹面光柵之分，同時(shí)間柵分為透射式和反射式兩大類。本試驗(yàn)所用光柵是透射式光柵。光在傳播過程中的衍射、散射等物理現(xiàn)象以及光的反射和折射等都與角度有關(guān)，一些光學(xué)量如折射率、波長、衍射條紋的極大和微小位置等都可以通過測(cè)量有關(guān)的角度去確定。在光學(xué)技術(shù)中，準(zhǔn)確測(cè)量光線偏折的角度具有格外重要的意義。分光計(jì)是一種用于角度準(zhǔn)確測(cè)量的典型光學(xué)儀器，常用來測(cè)量光波波長、折射率、色散率、觀測(cè)光譜等。由于該裝置比較周密，操縱掌握局部多而簡(jiǎn)單，故使用時(shí)肯定要嚴(yán)格按要求進(jìn)展。特別是對(duì)于初學(xué)者，往往會(huì)感到一些困難。但只要在調(diào)整、試驗(yàn)過程中，明確調(diào)整要求，留意觀看現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論學(xué)問去分析、指導(dǎo)操作，一般也是能夠把握的。分光計(jì)的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有肯定的代表性，學(xué)會(huì)它的調(diào)整和使用方法，有助于把握操作更為簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器。試驗(yàn)中使用的主要儀器有分光計(jì)和測(cè)量顯微鏡，分別測(cè)量光柵衍射角和光柵常數(shù)，重點(diǎn)訓(xùn)練的方法與技1〕分光計(jì)的調(diào)整方法，包括望遠(yuǎn)鏡目鏡調(diào)整和調(diào)焦、平行光管的調(diào)整等2〕〔3〕測(cè)量顯微鏡的調(diào)整和使用方法。消退視差的方法以及消退螺距差的方法。本試驗(yàn)是一個(gè)物理光學(xué)試驗(yàn)，分光計(jì)的使用和調(diào)整有肯定的難度，也是本試驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理難度不大。光柵衍射光柵衍射方程0,1,2,3, 光柵衍射條紋的中間幾級(jí)條紋的光強(qiáng)比較均勻，條紋比較清楚，測(cè)量時(shí)誤差較小。分光計(jì)的調(diào)整調(diào)整的要求：〔1〕望遠(yuǎn)鏡承受平行光，光軸與分光計(jì)中心軸垂直〔2〕平行光管出射平行光，光軸與分光計(jì)中心軸垂直。調(diào)整步驟：用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)。用逐次靠近法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直。以望遠(yuǎn)鏡為基準(zhǔn)，調(diào)整平行光管出射平行光并且光軸與分光計(jì)中心軸垂直〔確定不允許再調(diào)整望遠(yuǎn)鏡水平、焦距和載物臺(tái)的螺絲，可移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡〕光柵的調(diào)整自準(zhǔn)法調(diào)整光柵平面垂直于平行光管光軸，狹縫與光柵刻線平行。測(cè)量光柵常數(shù)調(diào)整測(cè)量顯微鏡，承受累積放大測(cè)量法測(cè)量。記錄處理數(shù)據(jù)要求測(cè)量光柵常數(shù)和單縫的寬度時(shí)，測(cè)量顯微鏡讀數(shù)準(zhǔn)確到0.01mm，估量到0.001mm。從分光度上讀數(shù)時(shí)，肯定要準(zhǔn)確無誤。特別留意是否過了0.5度刻線。用光柵測(cè)量的光波長，與理論值誤差要小于5％。用不確定度傳遞公式計(jì)算光波長測(cè)量值的不確定度?！踩吃囼?yàn)報(bào)告5-7用光柵測(cè)量光的波長〔教學(xué)目的〕１．生疏分光計(jì)的調(diào)整及使用方法。２．通過觀看鈉黃光經(jīng)過光柵及單縫的衍射現(xiàn)象，進(jìn)一步加深對(duì)光衍射理論的理解。３．嫻熟使用測(cè)量顯微鏡測(cè)量微小長度，包括正確讀數(shù)，并消退螺距差。４．把握用光柵測(cè)量光波長的方法?！仓攸c(diǎn)訓(xùn)練的根本方法與技能〕試驗(yàn)方法：干預(yù)法。測(cè)量方法：間接測(cè)量方法。數(shù)據(jù)處理方法：角游標(biāo)原理和讀書方法。儀器調(diào)整使用方法：①由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整周密儀器的思想方法。②光學(xué)儀器的垂直與水平、光線的聚攏與平行的調(diào)整方法。消退系統(tǒng)誤差方法：①偏心差的消退方法。②視差的消退方法。〔試驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法〕光柵測(cè)量波長平面光柵是一種依據(jù)光的波動(dòng)理論制成的色散元件,由大量等寬等間距,相互平行的狹縫(刻痕)所組成。凹面光柵之分,同時(shí)間柵分為透射式和反射式兩類。常用的平面透射式刻痕光柵是用光學(xué)玻璃片刻制而成的,試驗(yàn)教學(xué)用的光柵一般是復(fù)制光柵或用兩束激滑局部,光才能通過,相當(dāng)于一條狹縫。因此光柵實(shí)際上是一排密集均勻而又平行的狹縫。依據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射原理,當(dāng)波長為λ的單色平行光垂直照耀在光柵平面上時(shí),在每一狹縫處都將產(chǎn)生衍射,聚在屏幕上,就會(huì)形成一系列被相當(dāng)寬的暗區(qū)隔開的,亮度大,寬度窄的明條紋。沿著與入射線成角傳播的各條波束,其相鄰光束中的光程差為δ=(ａ+ｂ)ｓｉｎ=ｄｓｉｎ式中ａ為縫寬,ｂ為刻痕寬度,ｄ=ａ+ｂ稱為光柵常數(shù)。依據(jù)波的疊加原理,在滿足ｄｓｉｎ=ｋλ(ｋ=±1,±2…)時(shí),光將加強(qiáng),形成亮紋。其它方向的衍射光或者完全抵消,或者強(qiáng)度很弱,幾乎減為暗被景。式中ｋ是光譜的級(jí)數(shù),是ｋ級(jí)譜線的衍射角。從dｓｉｎ=ｋ式中看出,假設(shè)光柵常數(shù)并測(cè)出某級(jí)明條紋的相應(yīng)的角,則如入射光的波長便可以由此得出。假設(shè)一條包括各種波長的白光,對(duì)于不同波長的光,其衍射角也一樣。中心明紋各色重疊,呈白光,其兩側(cè)對(duì)稱分布著ｋ=1,ｋ=2,…加的次序由里向外開放形成彩色光譜,從而把復(fù)色光分解成單色光。左右游標(biāo)讀數(shù)方法和偏心差的消退如右圖所示，計(jì)算公式是

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2

“)]1〔試驗(yàn)儀器〕〔一〕試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介試驗(yàn)儀器包括JJY型分光計(jì)、測(cè)量顯微鏡、光柵、G20Na－I鈉光燈、單縫等。分光計(jì)3分光計(jì)是測(cè)量角度的周密儀器,是一般的光學(xué)儀器,其類型較多,但主要由三足底座,平行光管,載物臺(tái),望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)盤組成。三足底座，底座上裝有中心軸(又稱主軸),軸上裝有可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡,刻度盤和載物臺(tái),其中底角的立柱上裝有平行光管。平行光管，平行光管的作用是產(chǎn)生平行光。鏡筒的一端裝有一個(gè)消色差平面上時(shí),平行光管可產(chǎn)生平行光束。載物臺(tái)，載物臺(tái)是用來放置待測(cè)樣品的圓盤。望遠(yuǎn)鏡，其構(gòu)造由物鏡和目鏡組成?？潭缺P，望遠(yuǎn)鏡與刻度盤相連,望遠(yuǎn)鏡的支架和刻度盤固定在一起,可繞分光計(jì)中心軸旋轉(zhuǎn)。讀數(shù)圓，刻度盤和游標(biāo)盤套在中心軸上,盤平面垂直于轉(zhuǎn)軸,并可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；在同始終徑的兩端各裝有一個(gè)游標(biāo)讀口的兩次讀數(shù)之差,然后取平均值作為望遠(yuǎn)鏡繞載物臺(tái)轉(zhuǎn)過的角度。鈉光燈

分光計(jì)測(cè)量顯微鏡 光柵1試驗(yàn)儀器概貌測(cè)量顯微鏡，測(cè)量光柵常數(shù)。衍射光柵，實(shí)現(xiàn)光的衍射。5893Ao的鈉光?！捕吃囼?yàn)儀器調(diào)整與使用分光計(jì)的調(diào)整為了準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)角度,必需將分光計(jì)調(diào)好,以到達(dá)三個(gè)要求:(1(2)望遠(yuǎn)鏡能承受(3)經(jīng)過待測(cè)光學(xué)元件的光線構(gòu)成的平面應(yīng)與儀器的中心轉(zhuǎn)軸垂直,即要求平行光管,望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于轉(zhuǎn)軸;待測(cè)元件的光學(xué)面應(yīng)平行于轉(zhuǎn)軸。為了保證這些條件,必需對(duì)分光計(jì)進(jìn)展下述調(diào)整,其中尤以望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整最為重要,其它調(diào)整均以望遠(yuǎn)鏡調(diào)整為主，具體調(diào)整步驟如下:①．粗調(diào):用眼睛觀看并調(diào)整載物臺(tái)下方的三個(gè)調(diào)平螺絲,使載物臺(tái)水平,調(diào)整望遠(yuǎn)鏡、平行光管的調(diào)平螺絲的高度,使載物臺(tái)平面,望遠(yuǎn)鏡，平行光管大致垂直于儀器的主軸。②．細(xì)調(diào):ａ.接通電源(6.3V),點(diǎn)亮小燈,將望遠(yuǎn)鏡里的分劃板照亮,并旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦手輪10,使分劃板刻線成象清楚。ｂ.將雙面反射鏡放在載物臺(tái)上,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)面觀看,看到反射平面有一亮十字,然后從望遠(yuǎn)鏡正面觀看,緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),則亮十字隨之移動(dòng),連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),當(dāng)反射平面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí),在望遠(yuǎn)鏡中可看到一亮光斑,這就是被平面鏡反射回來的綠色亮十字絲像。ｃ.松開目鏡緊鎖螺釘,前后移動(dòng)套筒,使亮十字絲像清楚并消退視差,此時(shí),望遠(yuǎn)鏡已能接收平行光并成象于分劃板上,旋緊螺釘,此后目鏡筒不要再伸縮移動(dòng)。③．調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸,使望遠(yuǎn)鏡軸線回轉(zhuǎn)平面與刻度盤平面平行。ａ.轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),分別使反射鏡的兩反射面反射回來的亮十字絲象均進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。ｂ.反射鏡的其中一反射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡筒,此時(shí)觀看,亮十字絲象可能與分劃板上方的十字線不重合,調(diào)整46載物臺(tái)調(diào)平螺釘b1

或b2合。這種調(diào)整方法稱為“各半調(diào)整法“。ｃ.轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),使平面反射鏡轉(zhuǎn)過180°此時(shí)反射鏡另一反射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡筒,同樣用“各半調(diào)整法“進(jìn)展調(diào)整,使亮十字象到達(dá)準(zhǔn)確位置。ｄ光軸已垂直于載物臺(tái)光軸,且其回轉(zhuǎn)平面平行于刻度盤平面。調(diào)整平行光管①．調(diào)整平行光管使之產(chǎn)生平行光。后移動(dòng)平行光管的套管,使狹縫位于物鏡焦平面上,從望遠(yuǎn)鏡中能看到清楚的狹縫的象(調(diào)整螺釘,使狹縫像寬1②．松開狹縫裝置鎖緊螺釘,并將狹縫裝置旋轉(zhuǎn)與望遠(yuǎn)鏡分劃板的水平刻線平行,調(diào)整螺釘,使狹縫與目鏡視場(chǎng)中的水平刻線重合。然后再將狹縫轉(zhuǎn)過90°,使狹縫與目鏡中分劃板的垂直刻線重合。此時(shí),平行光管的光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸同軸,且都與儀器的主軸垂直。分光計(jì)讀數(shù)方法360030”303029格的弧長相等,即本試驗(yàn)室中的分光計(jì)角游標(biāo)的精度為1”。用光柵測(cè)波長放置光柵〕入射光垂直射到光柵外表B〕平行光管的狹縫與光柵刻痕平行。從望遠(yuǎn)鏡中觀看衍射光譜的分布狀況,留意中心明紋兩側(cè)的衍射光譜是否在同一水平面內(nèi)。用光柵測(cè)量鈉光燈各級(jí)明紋的衍射角。用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量光柵常數(shù)。計(jì)算鈉黃光波長。將測(cè)得的光柵常數(shù)d及各級(jí)明紋的衍射角分別代入公式(1),計(jì)算相應(yīng)的波長,并與鈉黃光波長的標(biāo)準(zhǔn)值(λ=5893Ao)比較。用單縫測(cè)定鈉光燈各級(jí)暗條紋的衍射角?！擦粢馐马?xiàng)〕分光計(jì)是周密儀器,各局部的調(diào)整螺釘比較多,在不清楚這些螺釘?shù)淖饔煤陀梅ㄒ郧?請(qǐng)不要亂擰,以免損壞分光計(jì)。光柵片是周密光學(xué)元件,嚴(yán)禁用手觸摸刻痕,以免損壞。測(cè)量衍射角時(shí),(1)最好將望遠(yuǎn)鏡固定,用微調(diào)旋更便利一些。(2)從左至右(或從右至左)依次測(cè)量+3、+2、+11、-2、-34．使用測(cè)量顯微鏡測(cè)光柵常數(shù)時(shí)，留意消退螺距差的影響?！舱n堂爭(zhēng)論題〕用光柵方程dsink測(cè)量光的波長，①需要測(cè)量哪些物理量？②試驗(yàn)中分別用什么儀器測(cè)量？③需要保證哪些試驗(yàn)條件？④試驗(yàn)中如何推斷試驗(yàn)條件是否？分光計(jì)主要由哪幾局部組成？調(diào)整分光計(jì)的根本步驟？為什么說望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是分光計(jì)調(diào)整的根底和關(guān)鍵？分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡要調(diào)整到什么狀態(tài)？用什么方法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡？分光計(jì)的平行光管要調(diào)整到什么狀態(tài)？光柵要調(diào)整到什么狀態(tài)？〔數(shù)據(jù)記錄及處理〕〔一〕光柵衍射測(cè)量波長測(cè)量光柵常數(shù)1光柵常數(shù)d測(cè)量數(shù)據(jù)表次數(shù)11/mm20.720位置2/mm 10d/mm d/mm19.715 1.005 0.1005d平均值/mm219.71518.730 0.985 0.0985318.73017.730 1.000 0.10000.0997417.73016.738 0.992 0.0992516.73815.736 1.002 0.10022．測(cè)量光波波長2光柵衍射測(cè)量光波波長數(shù)據(jù)表+3137°52317°531.0168°5897.4+2137°31317°300.6708°5836.1+1137°10317°100.3292°5728.4-1136°31316°30-2136°10316°10-3135°50315°51級(jí)數(shù)級(jí)數(shù)k k左游標(biāo)“k右游標(biāo)”” ““kk4kkdsinkk/Ao/Ao準(zhǔn)準(zhǔn)100%5820.61.2%1．縫寬：a=0.5075mm測(cè)量光波波長k”kk”k“k”” ““kkasink4kkk/Ao準(zhǔn)準(zhǔn)100%6091.84%左游標(biāo)右游標(biāo)/Ao+2137°00317°000.1417°6275.6+1136°55316°550.0667°5908.0-1136°47316°47-2136°43316°43〔試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論〕光柵衍射測(cè)量鈉黃光的波長：λ＝5820.6Ao。單縫衍射測(cè)量鈉黃光的波長：λ＝6091.8Ao?！矄栴}解答〕1、為什么光柵必需垂直于G1、G3連線〔6－4－3〕位置放在載物臺(tái)上？答：這樣放置光柵的目的是為了調(diào)整便利。在調(diào)整望遠(yuǎn)鏡與小平面鏡兩面垂直時(shí)，只調(diào)整螺釘G1或G3即可，不用調(diào)整G2。2、調(diào)整光柵面和望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)時(shí)〔不能再動(dòng)望遠(yuǎn)鏡能否用“各半調(diào)整”來到達(dá)目的？答：這時(shí)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完全調(diào)整好〔包括水