大学物理实验教案(光栅的衍射)

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1、大学物理实验教案实验项目光栅的衍射教学目的1.观察光的衍射现象，了解光栅分光的原理。2.测定光栅常数和光波波长。实验原理当光射到光栅面上吋，在透光狭缝处光线可透过，而在不透光处则不能透过。若这些透光狹缝的宽为d。相邻狭缝间不透光部分的宽度为b,a+b=df称d为光栅常数。本实验装置产生的光栅衍射是夫琅和费衍射，因为衍射屏（光栅）与光源及观察屏Z间的距离均为无穷远（入射光栅的入射光和岀射光栅的衍射光均为平行光）。根据夫琅和费衍射理论，当波长为X的平行光束投射到光栅平面上吋，光波将在两个透光狭缝处发生衍射，所有

2、狭缝的衍射光又彼此发生干涉，其结果是在透镜的焦平面上得到一排明亮分立的光谱线。当平行光垂直入射时，相邻两缝对应点出射的光束的光程差为5=（a+b）sin©=dsincp式中d为光栅常数，©称为衍射角。根据衍射光的干涉条件，当衍射角满足下式时dsin（p-K2（K-0,北，2,）则该衍射角方向上的光将会得到加强，叫做主极大，其它方向的光或者完全抵消，或者强度很小在焦平面上形成暗背景。我们把K=O,JL1,2,鵜时所对应的主极大分别称为中央（0级）极大，正负第一级极大，正负第二级极大，O如果入射光不是单色光，而

3、是包含几种波长的光，对于同一级次光的波长入不同，其衍射角卩也各不相同，于是复色光将被分解，从而在不同的地方形成不同颜色的光谱线。但是，在屮央主极大位置上，即K=0,（p=0处，各颜色的光仍重叠在一起，形成屮央明条纹。在屮央条纹两侧对称分布着K=北，2JW级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，对同一级谱线来说，九越大，衍射角卩也越大，入越小，°越小，即彩色谱线排列是长波谱线在外侧，短波谱线在内侧。如果用分光计测出卩，则当入已知时d可求，当d已知时入可求。衍射角卩为0=*（內・«2

4、+

5、Z

6、?r几

7、）其中A为望远镜对准所要测定的正级谱线时，A,B两游标读数。也，02为望远镜对准所要测定的负级谱线时，A,B两游标读数。重点：1.分光计的调节（望远镜调焦、望远镜光轴调节、平行光管调节等）;教学重点与难点2.光栅放置位置的要求；3.衍射角测量方法。难点：1.分光计调节：2.游标盘读数。用垂直入射法测定光栅常数d及光波波长X：1.调节分光计，要求达到：（1）望远镜聚焦于无穷远，且其光轴与仪器转轴垂直；（2）平行光管产生平行光，且其光轴与望远镜光轴同轴，狭缝宽度在望远镜视场中约为1mm。2.光栅位置的调

8、节（1）光栅平面与平行光管轴线垂直。i.转动望远镜使竖直叉丝对准狭缝的象然后固定望远镜位置；ii.按下图将光栅放在载物台上，即原來放双面平行平面镜的位置。光栅面垂直平台下两调节螺丝6,b?的连线；实验内容提要测暈与数据处理要求iii•点亮望远镜上的小灯，转动载物台使光栅正对望远镜，调节b

9、或b2螺丝直到望远镜屮看到光栅面反射回来的叉丝像与上方叉丝重合。注意：望远镜己调好，不能再次调节望远镜倾角调节螺钉。至此，光栅面与望远镜光轴垂直了，因而也与平行光管光轴垂直。调节完毕后应固定游标盘止动螺钉与载物台锁紧螺钉。

10、（2）光栅上狭缝与仪器转轴平行。松开望远镜止动螺钉，向左（或向右）转动望远镜，可以看到谱线，注意观察各谱线是否被视场中央的水平叉丝所平分，如果不是，可调节图中的b3螺丝使各谱线被叉丝平分。（3）转动望远镜使Z正对光栅，检查光栅平面是否仍保持与望远镜光轴垂直。若有改变，就要反复调节多次，直到以上两个要求都满足为止。（4）测量：向左转动望远镜，使竖直叉丝对准笫二级（K=2）绿色谱线，记下A、B两游标读数少，卩、,向右转动望远镜，使竖直叉丝对准K=-2级绿色谱线，记下A、B两游标读数a?，02。（5）重复测三次，

11、求出光栅常数血（6）用同样方法测汞的第一级（K二土1）两条黄色谱线的波长。1.光栅放置时应使光栅平面与入射方向垂直；2.望远镜和游标盘在止动螺钉旋紧的情况下不能强行扳转它们，以免损伤转轴。为此，每次转动望远镜和游标盘前，先检查止动螺钉是否放松；3.在游标读数过程屮，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度零点；4.测量汞黃光波长时，观察到两根很靠近的黄色谱线，应注意区分好黄］5.测量衍射角时应读出望远镜在T

12、位置的两个游标读数，然后转动望远镜到T?位置，再读出此吋的两个游标读数。思考

13、题1.应用光栅方程dsin^=K/l來测定光栅常数d应满足什么条件?实验时这些条件是怎样保证的？2.按图30-3的方法放置光栅有什么好处？3.在本实验所用的仪器条件下，最多能看到几级衍射光谱?而理论计算应能看到儿级绿色谱线，两者是否一致？参考资料《大学物理实验》一一马靖马宋设施洋主编《大学物理实验指导》一一丁道潼陈Z前编《物理实验教程》一一丁慎训张连芳主编《大学物理实验》一一霍剑青吴泳华等主编评分标准一、预习及操