物理實驗報告《用分光計和透射光柵測光波波長》

【實驗目的】

觀察光柵的衍射光譜，掌握用分光計和透射光柵測光波波長的方法。

【實驗儀器】

分光計，透射光柵，鈉光燈，白熾燈。

【實驗原理】

光柵是一種非常好的分光元件，它可以把不同波長的光分開並形成明亮細窄的譜線。

光柵分透射光柵和反射光柵兩類，本實驗採用透射光柵，它是在一塊透明的屏板上刻上大量相互平行等寬而又等間距刻痕的元件，刻痕處不透光，未刻處透光，於是在屏板上就形成了大量等寬而又等間距的狹縫。刻痕和狹縫的寬度之和稱為光柵常數，用d 表示。

由光柵衍射的理論可知，當一束平行光垂直地投射到光柵平面上時，透過每一狹縫的光都會發生單縫衍射，同時透過所有狹縫的光又會彼此產生幹涉，光柵衍射光譜的強度由單縫衍射和縫間幹涉兩因素共同決定。用會聚透鏡可將光柵的衍射光譜會聚於透鏡的焦平面上。凡衍射角滿足以下條件

k = 0， ±1， ±2， …

的衍射光在該衍射角方向上將會得到加強而產生明條紋，其它方向的光將全部或部分抵消。式稱為光柵方程。式中d為光柵的光柵常數，θ為衍射角，λ為光波波長。當k=0時，θ= 0得到零級明紋。當k = ±1， ±2 …時，將得到對稱分立在零級條紋兩側的一級，二級 … 明紋。

實驗中若測出第k級明紋的衍射角θ，光柵常數d已知，就可用光柵方程計算出待測光波波長λ。

【實驗內容與步驟】

1．分光計的調整

分光計的調整方法見實驗1。

2．用光柵衍射測光的波長

要利用光柵方程測光波波長，就必須調節光柵平面使其與平行光管和望遠鏡的光軸垂直。先用鈉光燈照亮平行光管的狹縫，使望遠鏡目鏡中的分劃板上的中心垂線對準狹縫的像，然後固定望遠鏡。將裝有光柵的光柵支架置於載物台上，使其一端對準調平螺絲a ，一端置於另兩個調平螺絲b、c的中點，如圖12所示，旋轉遊標盤並調節調平螺絲b或c ，當從光柵平面反射回來的「十」字像與分劃板上方的十字線重合時，如圖13所示，固定遊標盤。

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圖12 光柵支架的位置 圖13 分劃板

調節光柵刻痕與轉軸平行。用鈉光燈照亮狹縫，松開望遠鏡緊固螺絲，轉動望遠鏡可觀察到0級光譜兩側的±1、±2 級衍射光譜，調節調平螺絲a 使兩側的光譜線的中點與分劃板中央十字線的中心重合，即使兩側的光譜線等高。重復、的調節，直到兩個條件均滿足為止。

測鈉黃光的波長

① 轉動望遠鏡，找到零級像並使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ0和θ0/，並記入表4 中。

② 右轉望遠鏡，找到一級像，並使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ右和θ右/，並記入表4中。

③ 左轉望遠鏡，找到另一側的一級像，並使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個角度θ左和θ左/，並記入表4中。

3．觀察光柵的衍射光譜。

將光源換成復合光光源通過望遠鏡觀察光柵的衍射光譜。

【註意事項】

1．分光計的調節十分費時，調節好後，實驗時不要隨意變動，以免重新調節而影響實驗的進行。

2．實驗用的光柵是由明膠製成的復製光柵，衍射光柵玻璃片上的明膠部位，不得用手觸摸或紙擦，以免損壞其表面刻痕。

3．轉動望遠鏡前，要松開固定它的螺絲；轉動望遠鏡時，手應持著其支架轉動，不能用手持著望遠鏡轉動。

【資料記錄及處理】

表4 一級譜線的衍射角

零級像位置



左傳一級像
位置



偏轉角



右轉一級像
位置



偏轉角



偏轉角平均值



光柵常數

鈉光的波長λ0 = 589·3 nm

根據式 K=1， λ= d sin 1=

相對誤差

【思考題】

1． 什麽是最小偏向角？如何找到最小偏向角？

2． 分光計的主要部件有哪四個？分別起什麽作用？

3． 調節望遠鏡光軸垂直於分光計中心軸時很重要的一項工作是什麽？如何才能確保在望遠鏡中能看到由雙面反射鏡反射回來的綠十字叉絲像？

4． 為什麽利用光柵測光波波長時要使平行光管和望遠鏡的光軸與光柵平面垂直？

5． 用復合光源做實驗時觀察到了什麽現象，怎樣解釋這個現象？