光栅衍射法测定光波长优秀课件.ppt

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1、光栅衍射法测定光波长第1页，本讲稿共24页实验目的：实验目的：1.1.熟悉分光计的调节。熟悉分光计的调节。熟悉分光计的调节。熟悉分光计的调节。2.2.理解光栅衍射现象。理解光栅衍射现象。理解光栅衍射现象。理解光栅衍射现象。3.3.学习用光栅衍射法测定光的波长或光栅常数。学习用光栅衍射法测定光的波长或光栅常数。学习用光栅衍射法测定光的波长或光栅常数。学习用光栅衍射法测定光的波长或光栅常数。第2页，本讲稿共24页实验原理及背景知识介绍：实验原理及背景知识介绍：光光栅栅和和棱棱镜镜一一样样，是是重重要要的的分分光光光光学学元元件件，已已广广泛泛应应用用在在光光栅栅谱谱仪仪、光光栅栅单单色色仪仪等等。

2、光光栅栅是是一一组组数数目目极极多多的的等等宽宽、等等距距和和平平行行排排列列的的狭狭缝缝，分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅两两种种。本本实实验验中中用的是平面透射光栅。用的是平面透射光栅。第3页，本讲稿共24页实验原理及背景知识介绍：实验原理及背景知识介绍：当当当当光光光光垂垂垂垂直直直直入入入入射射射射到到到到光光光光栅栅栅栅面面面面上上上上时时时时，透透透透射射射射光光光光在在在在满满满满足式：足式：足式：足式：dsin=k(k=0,1,2,)dsin=k(k=0,1,2,)dsin=k(k=0,1,2,)dsin=k(k=0,1,2,)（1 1 1 1）的的的的衍衍衍衍射射

3、射射角角角角方方方方向向向向上上上上有有有有亮亮亮亮条条条条纹纹纹纹出出出出现现现现，（如如如如图图图图1 1 1 1）。对对对对已已已已知知知知波波波波长长长长的的的的光光光光波波波波，测测测测出出出出其其其其经经经经光光光光栅栅栅栅衍衍衍衍射射射射后后后后的的的的衍衍衍衍射射射射角角角角，并并并并判判判判定定定定其其其其级级级级次次次次k k k k后后后后，即即即即可可可可测测测测出出出出所所所所用用用用光光光光栅栅栅栅的的的的光光光光栅栅栅栅常常常常数数数数d d d d，已已已已知知知知光光光光栅栅栅栅常常常常数数数数d d d d，就就就就可可可可以以以以通通通通过过过过测测测测出

4、出出出待待待待测测测测波波波波长长长长对对对对应应应应的的的的衍衍衍衍射射射射角角角角后，计算出待测波长。后，计算出待测波长。后，计算出待测波长。后，计算出待测波长。第4页，本讲稿共24页实验原理及背景知识介绍：实验原理及背景知识介绍：入射光入射光光栅光栅中央明条纹中央明条纹 K=0K=0一级明条纹一级明条纹K=+1K=+1一级明条一级明条纹纹K=-1K=-1绿绿黄黄图图1 1 光栅衍射光谱示意图光栅衍射光谱示意图黄黄绿绿第5页，本讲稿共24页实验仪器介绍：实验仪器介绍：不透光不透光部分部分透光透光狭缝狭缝ab 光光光光栅栅栅栅由由由由透透透透光光光光的的的的狭狭狭狭缝缝缝缝和和和和不不不不透

5、透透透光光光光部部部部分分分分构构构构成成成成，令令令令a a表表表表示示示示透透透透光光光光狭狭狭狭缝缝缝缝的的的的宽宽宽宽度度度度，b b表表表表示示示示不不不不透透透透光光光光部部部部分分分分的的的的宽宽宽宽度度度度，则则则则光光光光栅栅栅栅常常常常数数数数d=a+bd=a+b，习习习习惯惯惯惯上上上上用用用用单单单单位位位位毫毫毫毫米米米米里里里里的的的的狭狭狭狭缝缝缝缝数数数数目目目目N N来来来来描描描描述述述述光光光光栅栅栅栅特特特特征征征征（如如如如图图图图2 2）。光栅）。光栅）。光栅）。光栅常数常数常数常数d d与与与与N N的关系为：的关系为：的关系为：的关系为：图2 光

6、栅结构示意图第6页，本讲稿共24页实验内容：实验内容：调节分光计调节分光计调节分光计调节分光计（1 1）把望远镜目镜分划板上的叉丝调节清晰；）把望远镜目镜分划板上的叉丝调节清晰；）把望远镜目镜分划板上的叉丝调节清晰；）把望远镜目镜分划板上的叉丝调节清晰；（2 2）把望远镜调节到适合观察平行光；）把望远镜调节到适合观察平行光；）把望远镜调节到适合观察平行光；）把望远镜调节到适合观察平行光；（3 3）把望远镜的光轴调节到与仪器的主轴垂直；）把望远镜的光轴调节到与仪器的主轴垂直；）把望远镜的光轴调节到与仪器的主轴垂直；）把望远镜的光轴调节到与仪器的主轴垂直；（4 4）把平行光管调节到能够出射平行光；

7、）把平行光管调节到能够出射平行光；）把平行光管调节到能够出射平行光；）把平行光管调节到能够出射平行光；（5 5）把平行光管的光轴调节到与望远镜共轴；）把平行光管的光轴调节到与望远镜共轴；）把平行光管的光轴调节到与望远镜共轴；）把平行光管的光轴调节到与望远镜共轴；（6 6）把狭缝调节成竖直状态且宽度适中。）把狭缝调节成竖直状态且宽度适中。）把狭缝调节成竖直状态且宽度适中。）把狭缝调节成竖直状态且宽度适中。第7页，本讲稿共24页实验内容：实验内容：光波长的测量光波长的测量光波长的测量光波长的测量利用分光计装置，根据光栅衍射的光路利用分光计装置，根据光栅衍射的光路利用分光计装置，根据光栅衍射的光路利

8、用分光计装置，根据光栅衍射的光路放置好光栅并观察光栅衍射现象，把分光放置好光栅并观察光栅衍射现象，把分光放置好光栅并观察光栅衍射现象，把分光放置好光栅并观察光栅衍射现象，把分光计的望远镜分别对准计的望远镜分别对准计的望远镜分别对准计的望远镜分别对准 级的衍射条纹，测级的衍射条纹，测级的衍射条纹，测级的衍射条纹，测量出量出量出量出 级衍射条纹两方向对应的读数级衍射条纹两方向对应的读数级衍射条纹两方向对应的读数级衍射条纹两方向对应的读数 和和和和 ，计算出衍射角，计算出衍射角，计算出衍射角，计算出衍射角 。根据公式（）。根据公式（）。根据公式（）。根据公式（）可算出光波长。可算出光波长。可算出光波

9、长。可算出光波长。第8页，本讲稿共24页实验步骤：实验步骤：一调节分光计。一调节分光计。一调节分光计。一调节分光计。三三测定衍射角测定衍射角三三计算光波长计算光波长二根据光路图放置好光栅并观察光栅衍射现二根据光路图放置好光栅并观察光栅衍射现象。象。第9页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计1粗调粗调 （1）目测粗调使望远镜光轴大致水平，并）目测粗调使望远镜光轴大致水平，并 粗调平行光管使其与望远镜大致共轴。粗调平行光管使其与望远镜大致共轴。（2）调节载物台水平度调节螺丝使载物台）调节载物台水平度调节螺丝使载物台 台面大致水平。台面大致水平。第10页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节

10、分光计2、调节望远镜、调节望远镜（1）目镜调焦）目镜调焦目镜调焦的目的是使眼睛通过目镜能很清目镜调焦的目的是使眼睛通过目镜能很清楚地看到目镜中分划板上的刻线和叉丝。楚地看到目镜中分划板上的刻线和叉丝。调焦办法：接通仪器电源，把目镜调焦手调焦办法：接通仪器电源，把目镜调焦手轮旋出，然后一边旋进一边从目镜中观察，轮旋出，然后一边旋进一边从目镜中观察，直到分划板刻线成像清晰，再慢慢地旋出直到分划板刻线成像清晰，再慢慢地旋出手轮，至目镜中刻线的清晰度将被破坏而手轮，至目镜中刻线的清晰度将被破坏而未被破坏时为止（如图未被破坏时为止（如图3）。）。遮光窗图3 目镜分划板第11页，本讲稿共24页一、一、调节

11、分光计调节分光计2、调节望远镜、调节望远镜（2）应用自准法对望远镜调焦，使其适合观察平行光）应用自准法对望远镜调焦，使其适合观察平行光 a、接上电源，将分划板照亮。接上电源，将分划板照亮。b、将双面反射镜放在载物台上、将双面反射镜放在载物台上 （如图（如图4）。）。c、调节望远镜府仰角螺钉，寻、调节望远镜府仰角螺钉，寻 找经过平面镜反射回来的的找经过平面镜反射回来的的 绿十字，并前后移动目镜装绿十字，并前后移动目镜装 置对望远镜调焦，使绿十字置对望远镜调焦，使绿十字 叉丝成像清晰（如图叉丝成像清晰（如图5）。）。图图4 双面反射镜的放置双面反射镜的放置图图5 双面反射镜反射双面反射镜反射回来的

12、绿十字回来的绿十字第12页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计2、调节望远镜、调节望远镜（3）应用各半调节法调节望远镜的光轴）应用各半调节法调节望远镜的光轴 与仪器的主轴垂直。与仪器的主轴垂直。a、望远镜内出现清晰的绿十字叉丝像，而与、望远镜内出现清晰的绿十字叉丝像，而与 分划板上方的十字刻度线有一定的高度差分划板上方的十字刻度线有一定的高度差 h（图（图6 a）。）。b、调节望远镜光轴仰角调节螺丝，使高度差、调节望远镜光轴仰角调节螺丝，使高度差 h减小一半减小一半（图（图6b）。）。c、再调节载物台调平螺丝、再调节载物台调平螺丝b或或c，使高度差全，使高度差全 部消除（图部消除（图6

13、c）。）。图图6 各半调各半调节法示意图节法示意图第13页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计d、旋转载物台，使双面反射镜转过、旋转载物台，使双面反射镜转过180，重复各调一半法，使绿十字叉丝像如图重复各调一半法，使绿十字叉丝像如图 6(c)所示。所示。e、重复上述步骤，使经双面反射镜两个面反、重复上述步骤，使经双面反射镜两个面反 射的的绿十字叉丝像均如图射的的绿十字叉丝像均如图 6(c)所示。所示。第14页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计3 3、调节平行光管、调节平行光管（1 1）调节平行光管，使其适合观察平行光）调节平行光管，使其适合观察平行光调节平行光管上的狭缝装置在

14、平行光调节平行光管上的狭缝装置在平行光管轴线上的位置，直到狭缝的像最清管轴线上的位置，直到狭缝的像最清晰，此时平行光管出射平行光，如图晰，此时平行光管出射平行光，如图7所示。所示。图图7 7 平行光平行光管出射平行光管出射平行光第15页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计3 3、调节平行光管、调节平行光管（2 2）调节平行光管，使其与望远镜共轴）调节平行光管，使其与望远镜共轴旋转狭缝旋转狭缝90o，使其与目镜分划，使其与目镜分划板水平刻线平行，调节平行光板水平刻线平行，调节平行光管水平调节螺钉，使狭缝与目管水平调节螺钉，使狭缝与目镜视场中心的水平刻线重合，镜视场中心的水平刻线重合，如图

15、如图8所示。所示。图图8 8 平行光管与平行光管与望远镜共轴示意图望远镜共轴示意图第16页，本讲稿共24页一、一、调节分光计调节分光计3、调节平行光管、调节平行光管（3 3）调节缝宽适中（）调节缝宽适中（0.5mm0.5mm左右）左右）旋转狭缝旋转狭缝90o，使其与目镜分划板，使其与目镜分划板竖直刻线平行，调节狭缝宽度调竖直刻线平行，调节狭缝宽度调节手轮，使狭缝宽度适中，如图节手轮，使狭缝宽度适中，如图9所示。所示。图图9 9 狭缝宽度狭缝宽度调节示意图调节示意图第17页，本讲稿共24页二、二、放置光栅放置光栅光栅光栅（1 1）用汞灯照亮平行光管的狭缝，使望）用汞灯照亮平行光管的狭缝，使望 远

16、镜目镜中的分划板上的中心垂线远镜目镜中的分划板上的中心垂线 对准狭缝的像，然后固定望远镜。对准狭缝的像，然后固定望远镜。（2 2）将装有光栅的光栅支架置于载物台）将装有光栅的光栅支架置于载物台 上，使其一端对准调平螺丝上，使其一端对准调平螺丝a a1 1 ，一，一 端置于另两个调平螺丝端置于另两个调平螺丝a a2 2、a a3 3的中点，的中点，如图如图1010所示。所示。（3 3）旋转游标盘并调节调平螺丝）旋转游标盘并调节调平螺丝a2或或a a3 3 ，当从光栅平面反射回来的当从光栅平面反射回来的“十十”字字 像与分划板上方的十字线重合时，像与分划板上方的十字线重合时，如图如图1111所示，

17、固定游标盘。所示，固定游标盘。1、调节光栅平面使其与平行光管的光轴垂直：、调节光栅平面使其与平行光管的光轴垂直：图图10 10 光栅放置示意图光栅放置示意图图图11 11 光栅反射绿十字示意图光栅反射绿十字示意图第18页，本讲稿共24页二、放置光栅二、放置光栅2、观察光栅衍射现象：、观察光栅衍射现象：图图12 汞灯的部分光栅衍射光谱示意图汞灯的部分光栅衍射光谱示意图放置好光栅后，移动望远镜观察光栅的正负级衍射条纹，放置好光栅后，移动望远镜观察光栅的正负级衍射条纹，并通过调节载物台的调平螺钉，使正负级的条纹等高，并通过调节载物台的调平螺钉，使正负级的条纹等高，如图如图12 所示。所示。第19页，

18、本讲稿共24页三、测定衍射角三、测定衍射角1 1、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准 级的衍级的衍级的衍级的衍 射条纹，测量出射条纹，测量出射条纹，测量出射条纹，测量出 级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对 应的读数应的读数应的读数应的读数 。2 2、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准、把分光计的望远镜分别对准 级的衍级的衍级的衍级的衍 射条纹，测量出射条纹，测量出射条纹，测量出射条纹，测量出 级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对级衍射条纹方位对

19、 应的读数应的读数应的读数应的读数 。3 3、不改变光栅的位置，重复测量数据、不改变光栅的位置，重复测量数据、不改变光栅的位置，重复测量数据、不改变光栅的位置，重复测量数据8 8次。次。次。次。4 4、按照下列公式计算衍射角、按照下列公式计算衍射角、按照下列公式计算衍射角、按照下列公式计算衍射角 。第20页，本讲稿共24页四、计算光波长四、计算光波长 将测量出来的衍射角将测量出来的衍射角将测量出来的衍射角将测量出来的衍射角的值，光栅常数的值，光栅常数的值，光栅常数的值，光栅常数d d d d，衍射级别衍射级别衍射级别衍射级别k k k k的值代入下式：的值代入下式：的值代入下式：的值代入下式：

20、dsin=k(k=0,1,2,)dsin=k(k=0,1,2,)（1 1）即可得到被测光线的波长即可得到被测光线的波长即可得到被测光线的波长即可得到被测光线的波长。第21页，本讲稿共24页实验完成实验完成 当实验完成，所有实验相关原始数据（包括每一当实验完成，所有实验相关原始数据（包括每一当实验完成，所有实验相关原始数据（包括每一当实验完成，所有实验相关原始数据（包括每一测量量的仪器示值误差）都已按要求记录在预习报告测量量的仪器示值误差）都已按要求记录在预习报告测量量的仪器示值误差）都已按要求记录在预习报告测量量的仪器示值误差）都已按要求记录在预习报告的三线表中后，可示意教师检验自己的实验数据

21、。教的三线表中后，可示意教师检验自己的实验数据。教的三线表中后，可示意教师检验自己的实验数据。教的三线表中后，可示意教师检验自己的实验数据。教师在检查、核对完该同学的仪器状态与数据无误师在检查、核对完该同学的仪器状态与数据无误师在检查、核对完该同学的仪器状态与数据无误师在检查、核对完该同学的仪器状态与数据无误并签并签并签并签字字字字后，填写好仪器使用登记表，整理好仪器，并后，填写好仪器使用登记表，整理好仪器，并后，填写好仪器使用登记表，整理好仪器，并后，填写好仪器使用登记表，整理好仪器，并收回椅子，方可离开实验室收回椅子，方可离开实验室收回椅子，方可离开实验室收回椅子，方可离开实验室第22页，

22、本讲稿共24页思考题：思考题：1.1.如果光栅常数不知道，又要用它来测量波长，怎么如果光栅常数不知道，又要用它来测量波长，怎么如果光栅常数不知道，又要用它来测量波长，怎么如果光栅常数不知道，又要用它来测量波长，怎么办？办？办？办？2.2.分析测量同一种颜色不同级数的光时，对波长测量结分析测量同一种颜色不同级数的光时，对波长测量结分析测量同一种颜色不同级数的光时，对波长测量结分析测量同一种颜色不同级数的光时，对波长测量结果的影响。果的影响。果的影响。果的影响。3.3.若平行光管的狭缝过大，请问它对测量结果的影响。若平行光管的狭缝过大，请问它对测量结果的影响。若平行光管的狭缝过大，请问它对测量结果

23、的影响。若平行光管的狭缝过大，请问它对测量结果的影响。4.4.如果入射光线和光栅平面不垂直，试设计测量衍射角的如果入射光线和光栅平面不垂直，试设计测量衍射角的如果入射光线和光栅平面不垂直，试设计测量衍射角的如果入射光线和光栅平面不垂直，试设计测量衍射角的方案。方案。方案。方案。第23页，本讲稿共24页注意事项：注意事项：1.1.分光计是精密仪器，各部件的操作要小心。分光计是精密仪器，各部件的操作要小心。分光计是精密仪器，各部件的操作要小心。分光计是精密仪器，各部件的操作要小心。2.2.切勿用手或不干净的布和镜头纸去插拭光栅表面。切勿用手或不干净的布和镜头纸去插拭光栅表面。切勿用手或不干净的布和

24、镜头纸去插拭光栅表面。切勿用手或不干净的布和镜头纸去插拭光栅表面。3.3.光栅放置要与入射光线垂直。光栅放置要与入射光线垂直。光栅放置要与入射光线垂直。光栅放置要与入射光线垂直。4.4.在测量正负级衍射条纹的方位角前，要把正负级的衍在测量正负级衍射条纹的方位角前，要把正负级的衍在测量正负级衍射条纹的方位角前，要把正负级的衍在测量正负级衍射条纹的方位角前，要把正负级的衍射条纹调至等高状态。射条纹调至等高状态。射条纹调至等高状态。射条纹调至等高状态。5.5.在重复测量过程中，光栅的位置不要改变。在重复测量过程中，光栅的位置不要改变。在重复测量过程中，光栅的位置不要改变。在重复测量过程中，光栅的位置不要改变。第24页，本讲稿共24页