大学物理实验教案(光栅的衍射).doc

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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

当光射到光栅面上时，在透光狭缝处光线可透过，而在不透光处则不能透过。

若这些透光狭缝的宽为。

相邻狭缝间不透光部分的宽度为，，称为光栅常数。

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）与光源及观察屏之间的距离均为无穷远（入射光栅的入射光和出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λ的平行光束投射到光栅平面上时，光波将在两个透光狭缝处发生衍射，所有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

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

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，……。

如果入射光不是单色光，而是包含几种波长的光，对于同一级次光的波长λ不同，其衍射角也各不相同，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，在中央主极大位置上，即K=0，处，各颜色的光仍重叠在一起，形成中央明条纹。

在中央条纹两侧对称分布着级光谱，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，λ越大，衍射角也越大，λ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，则当λ已知时d可求，当d已知时λ可求。

衍射角为

其中为望远镜对准所要测定的正级谱线时，A，B两游标读数。

为望远镜对准所要测定的负级谱线时，A，B两游标读数。

教学重点与难点

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）；

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。

实验内容

提要

用垂直入射法测定光栅常数d及光波波长λ：

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，即原来放双面平行平面镜的位置。

光栅面垂直平台下两调节螺丝b1，b2的连线;

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b1或b2螺丝直到望远镜中看到光栅面反射回来的叉丝像与上方叉丝重合。

注意：

望远镜已调好，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。

（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）转动望远镜使之正对光栅，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，使竖直叉丝对准第二级（K=2）绿色谱线，记下A、B两游标读数，，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，。

（5）重复测三次，求出光栅常数d。

（6）用同样方法测汞的第一级（）两条黄色谱线的波长。

 测量与数据处理要求 

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.在游标读数过程中，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.测量汞黄光波长时，观察到两根很靠近的黄色谱线，应注意区分好黄1与黄2；

5.测量衍射角时应读出望远镜在T1位置的两个游标读数，然后转动望远镜到T2位置，再读出此时的两个游标读数。

思考题

1.应用光栅方程来测定光栅常数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几级绿色谱线，两者是否一致?

参考资料

《大学物理实验》——马靖马宋设施洋主编

《大学物理实验指导》——丁道滢陈之前编

《物理实验教程》——丁慎训张连芳主编

《大学物理实验》——霍剑青吴泳华等主编

评分标准

一、预习及操作评分标准

85—95分

1.预习充分

2.实验时能脱离讲义或稍看讲义,独立完成;

3.遵守操作规程,仪器调整或电路连接又快又正确,实验中仪器操作较熟练;

4.能主动排除故障,对发生的问题能进行分析判断;

5.读数（有效数字,单位）、记录正确。

6.光栅常数，衍射角，波长数值正确。

75—84分

1.预习较充分;

2.实验时对照讲义后能独立完成;

3.遵守操作规程,仪器调整或电路连接能主动完成,并无大差错,实验中能正确使用仪器

4.能在教师启发下,排除故障,或对发生的问题进行分析判断;

5.读数的有效数字要提醒。

6.光栅常数，衍射角，波长误差较大

60—74分

1.有预习，但效果一般;

2.边看讲义边实验,虽然按时完成,但有依赖性;

3.能遵守操作规程,仪器调整或电路连接水平较差,实验仪器操作不熟练;

4.读数的有效数字要指导。

5.光栅常数，衍射角，波长误差很大。

双黄线衍射角，波长相同。

<60分

1.无预习。

2.违反操作规程,而使仪器器件损坏;

3.弄虚作假;

4.在规定时间内未完成实验要求。

符合2，3，4其中一条,操作成绩不及格。

二、实验报告评分标准

（1）预习部分

1.实验目的-------------------------10分

2.实验仪器-------------------------10分

3.实验原理

文字叙述------------------10分

公式------------------------10分

（2）数据记录与处理部分

1．测光栅常数--------------------------------40分

共4处，每处错各扣10分

2．测汞黄光波长-----------------------------20分

共2处，每处扣10分

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