实验五 衍射光栅测定光波波长

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时间:2018-11-12

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1、实验五衍射光栅测定光波波长一、实验目的1、进一步熟悉分光计的调节和使用;2、通过分光计观察光栅的衍射光谱,理解光栅衍射基本规律,并测定光栅常数和光波波长。二、实验原理根据夫琅禾费衍射理论,当一束波长为λ的平行光垂直投射到光栅平面时,光波将在每个狭缝处发生衍射,经过所有狭缝衍射的光波又彼此发生干涉,这种由衍射光形成的干涉条纹是定域于无穷远处的。若在光栅后面放置一个汇聚透镜,则在各个方向上的衍射光经过汇聚透镜后都汇聚在它的焦平面上,得到的衍射光的干涉条纹根据光栅衍射理论,衍射光谱中明条纹的位置由下式决定:

2、  (k=1,2,3,…)  (1)或   上式称为光栅方程,式中是相邻两狭缝之间的距离,称为光栅常数,λ为入射光的波长,k为明条纹的级数,是k级明条纹的衍射角,在衍射角方向上的光干涉加强,其它方向上的光干涉相消。   当入射平行光不与光栅平面垂直时,光栅方程应写为                   (k=1,2,3,…)       (2)式中i是入射光与光栅平面法线的夹角。所以实验中一定要保证入射光垂直入射。如果入射光不是单色光,而是包含几种不同波长的光,则由式(1)可以看出,在中央明条纹处(k

3、=0、=0),各单色光的中央明条纹重叠在一起。除零级条纹外,对于其他的同级谱线,因各单色光的波长λ不同,其衍射角也各不相同,于是复色入射光将被分解为单色光,如图1所示。因此,在透镜焦平面上将出现按波长次序排列的单色谱线,称为光栅的衍射光谱。相同k值谱线组成的光谱就称为k级光谱。3由此可以看出,光栅光谱与棱镜光谱的重要区别,就在于光栅光谱一般有许多级,而棱镜光谱只有一级。若已知某单色光的波长为λ,用分光计测出k级光谱中该色条纹的衍射角,即可算出光栅常数d。如果已知光栅常数d,用分光计测出k级光谱中某一条

4、纹的衍射角,按(1)式即可算出该条纹所对应的单色光的波长λ;二、实验仪器   JJY型分光计,汞灯,平面透射光栅,平面镜三、实验内容1、调整分光计为满足平行光入射的条件及衍射角的准确测量,分光计的调整必须满足下述要求:平行光管发出平行光,望远镜聚焦于无穷远,即适合于观察平行光,并且二者的光轴都垂直于分光计的转轴(详细的调整方法参见其它实验)。2、调整光栅(1)调节光栅平面与平行光管的光轴垂直调节方法:将水银灯把平行光管上的狭缝照亮,使望远镜中的叉丝对准狭缝像,见图2,然后固定望远镜。把光栅放在载物台上

5、,放置方法和平面镜的放置方法一样见图3,用自准直法严格调节光栅平面垂直望远镜光轴,此时只能调节载物台上的螺钉1或螺钉2,不能再动望远镜的仰俯调节螺钉,直到光栅平面反射回来的像被调到标准位置,这时光栅平面与望远镜光轴垂直,即与分光计转轴平行,固定游标盘。调节时,只需对光栅的一面进行调节即可,不需要调节另一个面。(2)调节光栅刻线与分光计转轴平行。调节方法:松开望远镜锁紧螺钉,转动望远镜,就可以观察到一级和二级谱线,正负级对称地位于零级的两侧,注意观察分划板的叉丝的中心是否处在谱线的中央,如果不在中央,应

6、调节载物台上的螺钉3(见图3),不能再动其他螺钉,使各级谱线中央都过分划板的中心,即正负级谱线等高。调好后,要重新检查光栅平面是否仍保持与望远镜光轴垂直,若有改变,反复调节,直到上述两个条件同时满足为止。这样做的目的是使各条衍射谱线的等高面垂直分光计转轴,以便从圆刻度盘上正确读出各条谱线的衍射角。3、测定光栅常数d3以水银灯为光源,照亮平行光管的狭缝,以波长为546.07nm的绿光谱为标准,测出其在k=±1级时的衍射角,代入式(1),计算出光栅常数d。4、数据表格本实验在读数中,同样采用双游标读数,所

7、以注意左、右游标不要弄混。下表供数据记录使用。四、注意事项1、零级谱线很强,长时间观察会伤害眼睛,观察时必须在狭缝前加毛玻璃或白纸以减弱光强。2、水银灯的紫外线很强,不可直视。3、水银灯在使用时不要频繁启闭,否则会降低其寿命。五、问题讨论1、对于同一光源,分别利用光栅分光和棱镜分光,所产生的光谱有何区别?2、用式(1)测量时应保证什么条件?如何保证?                 3、实验中如果两边光谱线不等高,对实验结果有何影响?4.如果光栅平面与转轴平行,但刻痕与转轴不平行,则整个光谱有什么异常

8、?数据记录及处理:k谱线左游标读数右游标读数左右平均值+1级黄2     黄1     绿     0级     -1级绿     黄1     黄2                 3

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