南昌大学物理实验报告
课程名称:大学物理实验
实验名称:分光计调整及光栅常数的测量
学院:专业班级:
学生姓名:学号:
实验地点: B311 座位号:21
实验时间:第十周星期一下午十节
一、实验目的: 1.加深对光栅分光原理的理解。 2.用透射光栅测定光栅常量,光波波长。 3.熟悉分光计的使用方法。 二、实验原理: 1.分光仪 光线入射到光学元件上,由于反射或折射等作用,使光线产生偏离,分光仪就是用来测量入射光与出射光之间偏离角度的一种仪器。要测定此角,必须满足两个条件: ⑴ 入射光与出射光均为平行光; ⑵ 入射光、出射光以及反射面或折射面的法线都与分光仪的刻度盘平行。 为此,分光仪上装有能造成平行光的平行光管、观察平行光的望远镜及放置光学元件的载物台,它们都装有调节水平的螺钉。为了读出测量时望远镜转过的角度,配有与望远镜连接在一起的刻度盘。 各部分别介绍如下: ⑴ 读数装置。在底座19的固定一中心轴,度盘22和游标盘21套在中心轴上,可以绕中心轴旋转;度盘下端有轴承支撑,使旋转轻便灵活;度盘上的刻线把360°圆周角分成720等份,每份为30′。同一直径方向两端各有一个游标读数装置,测量时,对望远镜的两个位置中每一位置都读出两个数值,然后对同侧的差值读数取平均值,这样可以消除因偏心引起的误差。 ⑵ 平行光管。立柱23固定在底座上,平行光管3安装在立柱上,平行光管的光轴位 置可以通过立柱上的调节螺钉26、27分别进行左右、水平微调,平行光管有一狭缝装置1。旋松螺钉2,转动装有狭缝的内套筒使狭缝成严格的垂直状,前后移动内套筒,使狭缝严格地处在透镜焦平面上,则平行光管发出狭缝平行光。 ⑶ 望远镜。阿贝自准直望远镜8安装在支臂14上,支臂和转座20固定在一起并套在度盘上。当松开制动螺钉16时,转座和度盘可以相对转动,当旋紧此制动螺钉,转座和度盘一起旋转。旋紧制动架18与底座上的制动螺钉17时,借助于此制动架末端上的调节螺钉15可以对望远镜进行左右转动微调。望远镜的光轴位置,可以通过螺钉12、13分别进行水平、左右微调。 阿贝自准直望远镜内部结构如图12-2所示,从目镜所见分划板视场如图4-3。旋目镜调焦手轮图4-4 衍射光栅 11,使目镜中能十分清晰地看到分划板上的分划线。旋松螺钉9,转动目镜组10使分划线成水平状。前后移动目镜组,使分划板处在物镜的焦平面上,则亮十字经物镜发出的光为平行光,当它被反射回望远镜时,将在分划板上成清晰的亮十字像,且与实物亮十字无视差。 ⑷ 载物台。载物台5套在游标盘上,可绕中心轴旋转,旋紧载物台锁紧螺钉7和制动架4与游标盘的制动螺钉25时,借助于立柱23的调节螺钉24可以对载物台进行微调。放松载物台锁紧螺钉时,载物台可根据需要升高或降低。调到所需位置后,再把锁紧螺钉锁紧。载物台有三只调平螺钉6,可用来调节载物台面,使之与旋转主轴垂直。 2.光栅 光栅是由许多等宽度a(透光部分)、等间距b(不透光部分)的平行缝组成的一种分光元件。当波长为λ的单色光垂直照射在光栅面上时,则透过各狭缝的光线因衍射将向各方向传播,经透镜会聚后相互干涉,并在透镜焦平面上形成一系列间距不同的明条纹。根据夫琅和费衍射理论,衍射光谱中明条纹的位置由下式决定: (a+b)sinφk=kλ(k=0,±1,±2,…) (4-1) 式中a+b=d称为光栅常数,k为光谱级数,φk为第k级谱线的衍射角。见图4-4,k=0对应于φ=0,称为明条纹,其它级数的谱线对称分布在零级谱线的两侧。 如果入射光不是单色光,则由式(4-1)可知,λ不同,φk也各不相同,于是将复色光分解。而在k=0,φk=0处,各色光仍然重叠在一起,组成明条纹。在明条纹两侧对称地分布k=1,2,…级光谱线,各级谱线都按波长由小到大,依次排列成 分划线 十字叉丝 一组彩色谱线,如图4-5所示。 根据式(4-1),如能测出各种波长谱线的衍射角φk,则从已知波长λ的大小,可以算出光栅常数d;反之,已知光栅常数d,则可以算出波长λ。 三、实验仪器: 分光计、平面透射光栅、汞灯 四、实验内容和步骤: 1.检查仪器是否完整,接通电路打开钠灯与光源。 2.将双平面镜放置在载物台上,通过调节望远镜与载物台高度螺丝,使其在同一平面,并且通过转动双平面镜时两面的十字叉丝在目镜内于同一位置。 3.平行光管的调焦 首先关掉望远镜目镜照明器上的光源,拿走载物台上的双平面镜。打开狭缝28,用漫反射光照明狭缝,前后移动狭缝装置1,使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上。然后把平行光管光轴左右调整螺钉26调到适中位置,并调节望远镜光轴左右调 整螺钉13和平行光管水平调整螺钉27,使狭缝位于视场中心。最后,旋转狭缝装置,使狭缝与目镜分划板的叉丝竖线平行,注意不要破坏平行光管的调焦,然后将狭缝装置锁紧螺钉旋紧。 4.放好光栅,调节望远镜先1往左动,使得绿光移动的标尺中心位置记录,此时分别记录游标罗盘左右读数为左与右,然后再向左移动记录另一组数据,接着向右移动记录两组数据。 五、实验数据与处理: 衍射光谱级数(k) 左侧衍射光角坐标θ左 右侧衍射光角坐标θ2θ左=θ2θ右=θ右 -1 1 -2 2 295°33′ 277°05′ 305°35′ 267°03′ 116°08′ 96°25′ 124°32′ 86°35′ -k左-θ左 -θ右 18°28′ 19°53′ 19°10′ 38°32′ 37°03′ 37°47′ -k右2θk=(2θ左+2θ右)/2 θk=2θk/2 𝐬𝐢𝐧𝜽𝒌 d 𝒅9°35′ 0.1652 3305.69 3314.39 ΔdB= 𝒏𝒊=𝟏 𝒅−𝒅𝑩 𝒏−𝟏𝟐18°53′ 0.3238 3323.08 =8.69nm;ΔdA=1nm 𝟐Δd= 𝚫𝐝𝟐+𝚫𝐝𝑩𝑨=8.71nm; d=(3314.39±𝟖.𝟕𝟏)nm; 𝜟𝒅𝒅𝒓=×𝟏𝟎𝟎%=𝟎.𝟐𝟔% 𝒅 六、误差分析: 1.光栅平面未调节到垂直入射光造成误差; 2.实验仪器本身造成的误差; 3.读数造成的误差。 七、思考题: 1.分光计是一种光学仪器,它由哪四个主要组成部分及其功能。 答:分光计由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成。 (1)平行光管用来提供平行入射光。 (2)望远镜用来观察和确定光束的行进方向。 (3)载物台用来放置光学元件。 (4)读数装置用来测定望远镜转过的角度。 2.什么叫分光计的偏心差?采用双游标读数为什么能消除偏心差? 答:由于刻度盘中心与游标盘中心不一定重合,真正转过的角度同读出的角度之间会稍有差别,这个差别就叫偏心差。采用双游标同时读数,则其中一个的偏心差为正,而另一个为负,且它们的绝对值大小相等,故相互抵消,这就消除了偏心差。 3.应用公式dsinθ=±kλ测量时应保证什么条件?实验时是如何保证这些条件得到满足的? 答:平行光垂直照射在光栅上。实验中通过检查0级谱线和光栅面反射的绿十字像的位置检查条件是否满足。0级谱线应与竖叉丝重合,且被测量用(中叉丝)的水平叉丝平分。光栅面反射的绿十字像应与调整叉丝(上叉丝)重合。 八、附上原始数据:
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