第二輪光學(xué)實驗講義

第二輪光學(xué)實驗講義1第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二輪光學(xué)實驗1、用雙棱鏡干涉測鈉光波長（實驗七）2、用透射光柵測定光波波長（實驗九）第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日實驗?zāi)康?．學(xué)習(xí)利用光的干涉現(xiàn)象測量光波波長的方法。2．了解雙縫的干涉條件及在實驗中如何實現(xiàn)。3．掌握實驗光路的調(diào)節(jié)和測微目鏡的使用。實驗七.用雙棱鏡干涉測鈉光波長第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日基本要求雙棱鏡及其干涉測波長的原理。同軸等高調(diào)節(jié)方法。測微目鏡的使用方法。調(diào)出并測量條紋間距和虛光源間距的方法。觀察干涉條紋的特點以及條紋間距影響因素。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日元件：①雙棱鏡（折射棱角<1°）。②單縫（調(diào)寬度、調(diào)豎直度）。③測微目鏡（測長度的方法）。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日MCU-15型測微目鏡的外型和結(jié)構(gòu)如圖所示測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)測微目鏡的使用注意：防止回程誤差第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日測微目鏡中的視場第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日一.實驗內(nèi)容及操作實驗裝置如圖所示：1.說明：(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）第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日(3)測微目鏡：測微目鏡的測量平面(測量平面)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，所以實際的雙棱鏡是很難判斷棱脊在哪一面，但這不會影響實驗的個結(jié)果，棱脊朝向哪一邊都是無關(guān)緊要的，正如教材上的圖7-1和7-3那樣。第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2.實驗原理雙棱鏡干涉與雙縫干涉類似，條紋間距為(其中d為兩虛光源的間距)由此可知，只要測出D、d和x，即可計算出光波波長。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，振動方向相同，并且在相遇點有恒定的位相差的相干光束，它們在空間相遇，則形成干涉條紋。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日共軸等高：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)能否進入測微目鏡？當移動白屏?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，進行判斷，進行必要的調(diào)節(jié)使之共軸。(1)共軸等高調(diào)節(jié)(按教材進行)。3.操作：按圖放置好實驗器材。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日再按圖放置，狹縫與雙棱鏡的間距約為30cm。然后手執(zhí)白屏檢查。注意：移動光源使亮線在光斑中間；雙棱鏡放在橫向可移動的滑塊上；測量d時所用的透鏡最好也放在可移動的滑塊上。(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)測量D：單次測量D，誤差不計。(4)測量x：用測微目鏡測出明紋的距離，再除以10即得x。重復(fù)3次。(5)測量d：按教材進行。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日由此計算d：(6)計算光波波長。在雙棱鏡和測微目鏡之間，移動透鏡，虛光源可在目鏡的分劃板上分別成一大一小的兩次實像，兩虛光源的兩次實像間距分別為d1或d2。將測微目鏡的叉絲交點分別與狹縫的兩個虛像的內(nèi)側(cè)重合，測出d1或d2，重復(fù)3次。注意事項：(1)要使狹縫與棱脊平行。(2)使用測微目鏡時要防止回程誤差。(3)測量x和d1和d2的過程中，狹縫和雙棱鏡之間的距離是絕不能變動的！在測量d1和d2時，測微目鏡與狹縫的距離要超過焦距的4倍。第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)表格：(僅供參考)用雙棱鏡干涉測鈉光波長第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日實驗結(jié)果：第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日分光計操作考試要求：分光計調(diào)節(jié)到工作狀態(tài)實驗九.用透射光柵測定光波波長第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日一、光柵衍射的原理——多縫夫瑯和費衍射（平行光衍射）?縫數(shù)為N光柵常數(shù)：d=b+a

第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日1、光強分布(1)先設(shè)想將衍射屏上的各縫除任意一條之外都遮住，這時接收屏上呈現(xiàn)的是單縫衍射花樣。?光強的分布即衍射花樣僅取決于衍射角，當只有單縫上下平移時，衍射花樣不變，因此：若讓N條縫輪流開放，幕上獲得的花樣是完全一樣的。分析：第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2、光柵方程：若衍射角為的光束經(jīng)透鏡會聚后互相加強，則角必須滿足關(guān)系式光柵方程：第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日光柵衍射光譜示意圖第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)將光柵按圖放置在平臺上，轉(zhuǎn)動內(nèi)盤(載物平臺)，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.實驗內(nèi)容及操作要求1.分光計調(diào)節(jié)到工作狀態(tài)。2.光柵位置調(diào)節(jié)(1)調(diào)節(jié)分光計后，使望遠鏡對準準直管，固定望遠鏡。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日(3)轉(zhuǎn)動望遠鏡和平臺，使“準直管狹縫像”、“叉絲的豎直線”和“綠十字豎直線”三者重合。三線合一第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日(4)固定內(nèi)盤(平臺)，轉(zhuǎn)動望遠鏡觀察光譜，如果左右兩側(cè)的光譜線相對于目鏡中叉絲的水平線高低不等時，說明光柵的衍射平面和觀察面不一致，此時可調(diào)節(jié)b1，使光譜中心線和水平叉絲線重合。(5)當步驟(4)完成后，步驟(3)的效果會被破壞掉，所以要重復(fù)步驟(3)。第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日3.測定光柵常量d透射光柵是由一系列等間距、等寬度的狹縫組成。當一束平行光照射，就形成了一系列相干的細帶波源。這些細帶在方向傳播的光相干疊加。在衍射理論中，當光柵常量d與光的波長及衍射角之間的關(guān)系滿足可以看出，對于第一級光譜(k=1)，如果已知波長，則只要測出該光的衍射角，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)。第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日操作：轉(zhuǎn)動望遠鏡到光柵的一側(cè)(T1方向)，使叉絲的豎直線對準汞燈光譜中的綠色譜線(波長為546.07nm的第一級光譜)的中心，記錄兩游標值v1和v2，將望遠鏡轉(zhuǎn)向光柵的另一側(cè)(T2方向)，同樣使叉絲的豎直線對準綠色譜線，記錄兩游標值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。由此計算光柵常數(shù)d：第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日4.測量未知波長本實驗要求測出一條“紫光”、兩條“黃光”譜線的衍射角，并根據(jù)已算出的d，由光柵方程計算它們的波長。5.計算光柵的第一級角色散將光柵方程對波長微分，可得光柵的角色散使用汞燈光源，已知一級光譜中兩黃線的波長差為=2.11nm(或2.06nm)，結(jié)合測得的兩黃線的衍射角之差=(1-2)，求角色散(二級不要求)第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日深紫紫色藍綠綠色黃1黃2中央無色散弱紫弱藍綠第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日實驗十.用透射光柵測定光波波長實驗結(jié)果1：第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日實驗結(jié)果2：綠光：光柵常數(shù)：紫光：第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日黃光1：黃光2：第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日光柵的一級角色散：第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日六、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。當入射光與光柵法線成

0角時，對d=1/600mm的光柵來說，

0=3°相對誤差可算出是0.16%，可見偏離角度不大時此誤差可以忽略不計。2、如果把光柵放反了，即把涂著藥膜的一面對著平行光管，相當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距離，介質(zhì)的兩個面是平行的，那么透過介質(zhì)后的衍射光線的角度不變，因此經(jīng)望遠鏡后會聚后在分劃板上的位置也不會改變，對實驗結(jié)果沒有影響。3、波長是實驗室準確給出的，故本實驗的主要誤差來源是衍射角的測量。第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日復(fù)習(xí)思考