大物光柵測量實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)5-7用光柵測量光的波長實(shí)驗(yàn)講義單位：物理實(shí)驗(yàn)中心教師姓名：王殿生實(shí)驗(yàn)5-7用光柵測量光的波長（一）教學(xué)基本要求1 .理解用干涉衍射法間接測量思想方法。2 .學(xué)會(huì)由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整精密儀器的思想方法。3 .了解分光計(jì)的主要構(gòu)造，深刻體會(huì)并掌握分光計(jì)各部分的功能及調(diào)整和使用方法；明確分光計(jì)最后的調(diào)整狀態(tài)。4 .正確理解和如何保證入射光垂直入射光柵表面的方法和作用。5 .了解衍射光柵的主要特性，通過實(shí)驗(yàn)觀察衍射光強(qiáng)的分布特征。6 .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)生原因和消除方法。7 .熟練掌握角游標(biāo)原理和讀數(shù)方法以及讀數(shù)顯微鏡的正確使用方法。8 .學(xué)會(huì)并正

2、確使用幾種測量方法：自準(zhǔn)法、光學(xué)放大法、累積放大法、機(jī)械放大法等。（二）講課提綱1 .實(shí)驗(yàn)簡介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分辨本領(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。在結(jié)構(gòu)上有平面光柵和凹面光柵之分，同時(shí)光柵分為透射式和反射式兩大類。本實(shí)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、衍射條紋的極大和極小位置等都可以通過測

3、量有關(guān)的角度去確定。在光學(xué)技術(shù)中，精確測量光線偏折的角度具有十分重要的意義。分光計(jì)是一種用于角度精確測量的典型光學(xué)儀器，常用來測量光波波長、折射率、色散率、觀測光譜等。由于該裝置比較精密，操縱控制部分多而復(fù)雜，故使用時(shí)一定要嚴(yán)格按要求進(jìn)行。特別是對于初學(xué)者，往往會(huì)感到一些困難。但只要在調(diào)整、實(shí)驗(yàn)過程中，明確調(diào)節(jié)要求，注意觀察現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論知識去分析、指導(dǎo)操作，一般也是能夠掌握的。分光計(jì)的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)會(huì)它的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復(fù)雜的光學(xué)儀器。實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器有分光計(jì)和測量顯微鏡，分別測量光柵衍射角和光柵常數(shù)，重點(diǎn)訓(xùn)練的方法與技

4、能有：（1）分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法，包括望遠(yuǎn)鏡目鏡調(diào)節(jié)和調(diào)焦、平行光管的調(diào)節(jié)等。（2）分光計(jì)角游標(biāo)的原理和讀數(shù)方法。（3）測量顯微鏡的調(diào)節(jié)和使用方法。實(shí)驗(yàn)過程中注意體會(huì)由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整精密光學(xué)儀器的思想和方法、消除分光計(jì)偏心差的方法、消除視差的方法以及消除螺距差的方法。本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)，分光計(jì)的使用和調(diào)節(jié)有一定的難度，也是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理難度不大。2 .光柵衍射光柵衍射方程明條紋條件：absin=dsin=kk=0,1,2,3，光柵衍射條紋的中間幾級條紋的光強(qiáng)比較均勻，條紋比較清晰，測量時(shí)誤差較小。3 .分光計(jì)的調(diào)整調(diào)節(jié)的要求：(1)望遠(yuǎn)鏡接受平行光，光軸與分光計(jì)中心軸垂

5、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)節(jié)步驟：(1)用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)。(2)用逐次逼近法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直。(3)以望遠(yuǎn)鏡為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)平行光管出射平行光并且光軸與分光計(jì)中心軸垂直。(絕對不允許再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡水平、焦距和載物臺的螺絲，可移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡)4 .光柵的調(diào)節(jié)自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)光柵平面垂直于平行光管光軸，狹縫與光柵刻線平行。5 .測量光柵常數(shù)調(diào)節(jié)測量顯微鏡，采用累積放大測量法測量。6 .記錄處理數(shù)據(jù)要求(1)測量光柵常數(shù)和單縫的寬度時(shí)，測量顯微鏡讀數(shù)準(zhǔn)確到0.01mni估at到0.001mm。(2)從分光度上讀數(shù)時(shí)，一定要準(zhǔn)確無誤。特別注意是否過了0.5度刻

6、線。(3)用光柵測量的光波長，與理論值誤差要小于5%。(4)用不確定度傳遞公式計(jì)算光波長測量值的不確定度。(三)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)5-7用光柵測量光的波長教學(xué)目的1 .熟悉分光計(jì)的調(diào)節(jié)及使用方法。2 .通過觀察鈉黃光經(jīng)過光柵及單縫的衍射現(xiàn)象，進(jìn)一步加深對光衍射理論的理解。3 .熟練使用測量顯微鏡測量微小長度，包括正確讀數(shù)，并消除螺距差。4 .掌握用光柵測量光波長的方法。重點(diǎn)訓(xùn)練的基本方法與技能1 .實(shí)驗(yàn)方法：干涉法。2 .測量方法：間接測量方法。3 .數(shù)據(jù)處理方法：角游標(biāo)原理和讀書方法。4 .儀器調(diào)整使用方法：由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整精密儀器的思想方法。光學(xué)儀器的垂直與水平、光線的聚集與平行的調(diào)節(jié)方

7、法。5 .消除系統(tǒng)誤差方法：偏心差的消除方法。視差的消除方法。實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法1 .光柵測量波長平面光柵是一種根據(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。經(jīng)常用于光譜分析儀器中。它不僅適用于分析可見光成分，還能用于紅外和紫外光波。在結(jié)構(gòu)上有平面光柵和凹面光柵之分，同時(shí)光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，實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的光柵一般是復(fù)制光柵或用兩束激光干涉照相記錄制成的全息光柵。當(dāng)光照射在光柵面上時(shí)，刻痕處由于散射不易透光。只有在兩刻痕中間的光滑部分，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

8、行的狹縫。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射原理，當(dāng)波長為入的單色平行光垂直照射在光柵平面上時(shí)，在每一狹縫處都將產(chǎn)生衍射如圖，但由于各縫發(fā)出的衍射光都是相干光，彼此之間又產(chǎn)生干涉。如果在光柵后面放置一透鏡，光經(jīng)過透鏡會(huì)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。沿著與入射線成中角傳播的各條波束，其相鄰光束中的光程差為S=(a+b)sin8dsin中式中a為縫寬，b為刻痕寬度,d=a+b稱為光柵常數(shù)。根據(jù)波的疊加原理,在滿足dsinCp=k入(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是光譜的級數(shù)，中是

9、k級譜線的衍射角。從ds1n昨k<P式中看出，若已知光柵常數(shù)并測出某級明條紋的相應(yīng)的中角,則如入射光的波長便可以由此得出。若一條包括各種波長的白光，對于不同波長的光，其衍射角他相同。中央明紋各色重疊,呈白光,其兩側(cè)對稱分布著k=1,k=2,各級光譜。按波長增加的次序由里向外展開形成彩色光譜，從而把復(fù)色光分解成單色光。2 .左右游標(biāo)讀數(shù)方法和偏心差的消除1.如右圖所不，計(jì)算公式是.=-(2'-'),(叫廠“")實(shí)驗(yàn)儀器(一)實(shí)驗(yàn)儀器簡介實(shí)驗(yàn)儀器包括JJY型分光計(jì)、測量顯微鏡、光柵、G20NaI鈉光燈、單縫等。(1)分光計(jì)分光計(jì)是測量角度的精密儀器，是普通的光學(xué)儀器

10、，其類型較多，但主要由三足底座，平行光管，載物臺，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，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)消色差的復(fù)合正透鏡，即平行光管物鏡；另一端裝有一個(gè)伸縮的套筒，套筒末端裝有狹縫；當(dāng)狹縫恰好位于透鏡組的焦平面上時(shí)，平行光管可產(chǎn)生平行光束。載物臺，載物臺是用來放置待測樣品的圓盤。望遠(yuǎn)鏡，其結(jié)構(gòu)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)；

11、在同一直徑的兩端各裝有一個(gè)游標(biāo)讀數(shù)窗口，這樣可以消除因刻度盤中心和儀器主軸中心的偏心所引起的誤差-偏心差；測量時(shí)，分別讀出每個(gè)窗口的兩次讀數(shù)之差，然后取平均值作為望遠(yuǎn)鏡繞載物臺轉(zhuǎn)過的角度。圖1實(shí)驗(yàn)儀器概貌(2)測量顯微鏡，測量光柵常數(shù)。（3）衍射光柵，實(shí)現(xiàn)光的衍射。（4）鈉光燈，產(chǎn)生波長為5893Ao的鈉光。（二）實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)與使用1 .分光計(jì)的調(diào)節(jié)為了精確測量待測角度，必須將分光計(jì)調(diào)好，以達(dá)到三個(gè)要求:（1）平行光管出射平行光。（2）望遠(yuǎn)鏡能接受平行光。（3）經(jīng)過待測光學(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；待測元件的光學(xué)面應(yīng)平行于轉(zhuǎn)軸。為了保證這

12、些條件，必須對分光計(jì)進(jìn)行下述調(diào)節(jié)，其中尤以望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)最為重要，其它調(diào)節(jié)均以望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)為主，具體調(diào)節(jié)步驟如下： .粗調(diào)：用眼睛觀察并調(diào)節(jié)載物臺下方的三個(gè)調(diào)平螺絲，使載物臺水平，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡、平行光管的調(diào)平螺絲的高度，使載物臺平面，望遠(yuǎn)鏡，平行光管大致垂直于儀器的主軸。 .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晰。b.將雙面反射鏡放在載物臺上，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺，從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)面觀察，看到反射平面有一亮十字，然后從望遠(yuǎn)鏡正面觀察，緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺，則亮十字隨之移動(dòng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺，當(dāng)反射平面正對望遠(yuǎn)鏡時(shí)，在望遠(yuǎn)鏡中可看到一亮光斑，這就

13、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，使亮十字絲像清晰并消除視差，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)。 .調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于載物臺轉(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，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望遠(yuǎn)鏡筒，此時(shí)觀察，亮十字絲象可能與分劃板上方的十字線不重合，調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘bi或b2,使高度差減少一半。再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡水平，調(diào)節(jié)螺釘，即亮十字絲象與分劃板十字叉絲重合。這種調(diào)節(jié)方法稱為"各半調(diào)節(jié)法"。c.轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺，使平面

14、反射鏡轉(zhuǎn)過180°此時(shí)反射鏡另一反射面正對望遠(yuǎn)鏡筒，同樣用”各半調(diào)節(jié)法"進(jìn)行調(diào)節(jié)，使亮十字象到達(dá)準(zhǔn)確位置。d.重復(fù)上述步驟，反復(fù)調(diào)節(jié)，直至從兩個(gè)反射面反射回來的像與分劃板上方十字線重合為止。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直于載物臺光軸，且其回轉(zhuǎn)平面平行于刻度盤平面。2 .調(diào)節(jié)平行光管 .調(diào)節(jié)平行光管使之產(chǎn)生平行光。將聚焦于無窮遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡作為標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)燃鈉光燈，將狹縫照亮，并使望遠(yuǎn)鏡與平行光管基本在一直線上。前后移動(dòng)平行光管的套管，使狹縫位于物鏡焦平面上，從望遠(yuǎn)鏡中能看到清晰的狹縫的象（調(diào)節(jié)螺釘，使狹縫像寬約為1毫米左右）。并且狹縫的象和分劃板刻線間無視差，這時(shí)平行光管發(fā)出的光即為平行光。

15、 .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)節(jié)螺釘，使狹縫與目鏡視場中的水平刻線重合。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。3 .分光計(jì)讀數(shù)方法分光計(jì)讀數(shù)圓盤分為3600，每一小格為30',游標(biāo)盤上等分30小格，而游標(biāo)30小格的弧長與刻度盤29小格的弧長相等，即本實(shí)驗(yàn)室中的分光計(jì)角游標(biāo)的精度為1'。4 .用光柵測波長（1）放置光柵放置光柵要求：（A）入射光垂直射到光柵表面。（B）平行光管的狹縫與光柵刻痕平行。（2）從望遠(yuǎn)鏡中觀察衍射光譜的分布情況，注意中央明紋兩側(cè)的

16、衍射光譜是否在同一水平面內(nèi)。（3）用光柵測量鈉光燈各級明紋的衍射角。（4）用讀數(shù)顯微鏡測量光柵常數(shù)。（5）計(jì)算鈉黃光波長。將測得的光柵常數(shù)d及各級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（入=5893A°）比較。5 .用單縫測定鈉光燈各級暗條紋的衍射角。注意事項(xiàng)1 .分光計(jì)是精密儀器，各部分的調(diào)節(jié)螺釘比較多，在不清楚這些螺釘?shù)淖饔煤陀梅ㄒ郧埃埐灰獊y擰，以免損壞分光計(jì)。2 .光柵片是精密光學(xué)元件，嚴(yán)禁用手觸摸刻痕，以免損壞。3 .測量衍射角時(shí),（1）最好將望遠(yuǎn)鏡固定，用微調(diào)旋更方便一些。（2）從左至右（或從右至左）依次測量+3、+2、+1級和-1、-2、

17、-3級的條紋位置，分別記錄左、右游標(biāo)的讀數(shù)。4 .使用測量顯微鏡測光柵常數(shù)時(shí)，注意消除螺距差的影響。課堂討論題1用光柵方程dsin*=k九測量光的波長，需要測量哪些物理量？實(shí)驗(yàn)中分別用什么儀器測量？需要保證哪些實(shí)驗(yàn)條件？實(shí)驗(yàn)中如何判斷實(shí)驗(yàn)條件是否？5 分光計(jì)主要由哪幾部分組成？6 調(diào)整分光計(jì)的基本步驟？7 為什么說望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是分光計(jì)調(diào)整的基礎(chǔ)和關(guān)鍵？8 分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡要調(diào)整到什么狀態(tài)？9 用什么方法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡？10 光計(jì)的平行光管要調(diào)整到什么狀態(tài)？11 柵要調(diào)整到什么狀態(tài)？數(shù)據(jù)記錄及處理（一）光柵衍射測量波長1 .測量光柵常數(shù)表1光柵常數(shù)d測量數(shù)據(jù)表次數(shù)位直1/mm位直2/mm10d/mmd

18、/mmd平均值/mm120.72019.7151.0050.1005219.71518.7300.9850.0985318.73017.7301.0000.10000.0997417.73016.7380.9920.0992516.73815.7361.0020.10022.測量光波波長表2光柵衍射測量光波波長數(shù)據(jù)表級數(shù)ke左游標(biāo)右游標(biāo)中_Hk6上+6k64dsinQo九=/Ako"o九/A九一，.準(zhǔn)：父100%小隹+3137°52317°531.0168°5897.45820.61.2%+2137°31317°300.6708

19、76;5836.1+1137°10317°100.3292°5728.4-1136°31316°30-2136°10316°10-3135°50315°51（二）單縫衍射測量波長2 .縫寬：a=0.5075mm3 .測量光波波長表3單縫衍射測量光波波長數(shù)據(jù)表級數(shù)kq左游標(biāo)_H日k右游標(biāo)中_6k一久+瓦-64asinQAk/Ao7o九/Aa7準(zhǔn)_X100%準(zhǔn)+2137°00317°000.1417°6275.66091.84%+1136°55316°550.

20、0667°5908.0-1136°47316°47-2136°43316°43實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論1.光柵衍射測量鈉黃光的波長：入=5820.6Ao。2.單縫衍射測量鈉黃光的波長：入=6091.8Ao。問題解答1、為什么光柵必須垂直于G1、G3連線（見圖643）位置放在載物臺上？答：這樣放置光柵的目的是為了調(diào)節(jié)方便。在調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡與小平面鏡兩面垂直時(shí)，只調(diào)節(jié)螺釘G1或G3即可，不用調(diào)節(jié)G2。2、調(diào)節(jié)光柵面和望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)時(shí)（不能再動(dòng)望遠(yuǎn)鏡），若觀察到十字絲象與分劃板上方十字刻線不重合，能否用“各半調(diào)節(jié)”來達(dá)到目的？答：這時(shí)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完全調(diào)節(jié)好（包括水平和自準(zhǔn)），利用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡來達(dá)到調(diào)節(jié)光柵與平行光管垂直，所以若觀察到十字絲象與分劃板上方十字刻線不重合，不能用“各半調(diào)節(jié)”來達(dá)到目的，而只能調(diào)節(jié)載物臺的水平及轉(zhuǎn)動(dòng)其角度，最終達(dá)到光柵與平行光管垂直的目的（入射光垂直照射到光柵平面上）。3、用什么辦法來測定光柵常數(shù)？光柵常數(shù)與衍射角有什么關(guān)系？答：用測量顯微鏡來測量光柵常數(shù)。