《目测法测透射光栅常数》实验提要

《目测法测透射光栅常数》实验提要

实验课题及任务

《目测法测透射光栅常数》实验课题任务是，给定一个光栅和光源(如汞灯、钠灯或激光器等)，根据光源的已知光谱，在没有分光计和其它测量仪器的情况下，仅利用米尺和自制实验器材，结合直接目视法，测量透射光栅的光栅常数。该实验还可以已知光栅常数测量未知谱线的波长。

学生根据自己所学知识，设计出《目测法测透射光栅常数》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

 

设计要求

⑴ 通过在实验室用目测的方式观察光栅的衍射现象，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出光栅方程与光路图中的那些物理量(即待测量的物理量)有关，根据光栅方程和待测物理量的关系推导出计算公式，写出该实验的实验原理。(注：这一步是本实验的关键所在，得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。)

⑵ 选择实验测量仪器，仅限于光栅、米尺(10m/0.005m或1m/0.001m)、光源(汞灯、钠灯或激光器)的选择，可以自制辅助器件。

⑶ 设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

⑷ 测量时那些物理量可以测量一次，那些物理量必须得多次测量，说明原理。

⑸ 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

 

实验仪器的选择及提示

⑴ 光栅：实验室给定，光栅参数为：300/mm

⑵ 米尺：1m/0.001m或10m/0.005m任选，

⑶ 光源：钠灯、汞灯、激光器，任选。

⑷ 可以自制实验器材，如带刻度的条型光屏，也可以借助现有实验室的条件。

 

实验所用公式及物理量符号提示

⑴ 光栅方程: (k=0、 1、 2、 3、……)

式中 (其中为光栅缝宽，为相邻缝间不透明部分的宽度)为相邻缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，为衍射光谱线的级次。

⑵ 用 表示谱线到0级谱线的距离，用 表示光栅到0级谱线的垂直距离。

评分参考(10分)

⑴ 通过观察实验现象，找出实验规律，画出光路图，1.5分；

⑵ 正确的写出实验原理和计算公式，2分；

⑶ 正确的选用仪器和测量方法，1分；

⑷ 写出实验内容及步骤，2分；

⑸ 制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；

⑹ 写出完整的实验报告，2.5分；(其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，1分)

 

学时分配

实验验收， 3学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告2学时；

 

提交整体设计方案时间

学生自选题后2～3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版，用电子邮件发到指导教师的电子邮箱里。

 

思考题

⑴ 光栅与光源之间的距离多远比较合适？

⑵ 眼睛与光栅的距离对测量有没有影响？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一个平面内？

⑷ 光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？

 

参考文献

参阅各实验书籍中的夫琅和菲衍射原理及光栅衍射原理。

几何光学，人眼睛的光学原理。

 

 

目测法测量透射光栅常数

一 实验目的：

1、通过实验观察光栅的衍射光谱。

2、培养我们的逻辑思维能力，分析光栅的分光作用和原理，利用光栅衍射原理测定光栅常数。

3、培养我们问题的分析能力和动手操作能力。

4、复习数据处理的基本方法。

二 实验仪器：

光栅（光栅参数为：300/mm） 米尺（1m/0.001m） 激光灯

三 实验原理：

光栅的衍射

普通平面光栅是一块基板玻璃片上,用刻线机划出一组很密的等距的平行线构成的,光射到每一刻痕处便发生散射，刻痕起不透光的作用，光只能从刻痕间透明狭缝中通过，因此，可以反光栅看成一系列密集、均匀而又平行的排列狭缝。

光照射到光栅上，通过每个狭缝的光都发生衍射，而衍射光通过透镜后便互相干涉。

设光波波长为λ，狭缝和刻痕的宽度分别为a 和b ,则通过各狭缝以角度衍射的光，经透镜会聚后如果是相加强时，在其焦平面上就得到明亮的干涉条纹。根据光的干涉条件：光程差等于波长的整数倍或零时形成亮条纹。由图（1）可知，衍射光的光程差为，于是，形成亮条纹的条件为：

， ，，，…… （1）

的亮条纹叫中央条纹或零级条纹， 为左右对称分布的一级条纹， 为左右对称的二级条纹，余类推。

光栅狭缝与刻痕宽度之和称为光栅常数。若在光栅片上每厘米宽刻有n条刻痕，则光栅狭缝常数。当已知时，只要测出某级条纹所对应的衍射角，通过式（1）即可计算出光栅常数

（2）

当入射光是白光时，中央明纹为白色其它同一级的条纹不重合，波长较长的在外，波长较短的在内。

 

四 实验内容及步骤：

1、按图布置好光路，启动激光灯 。

2、调节好仪器，使激光灯与光栅的连线与墙壁垂直。

3、透过光栅观察激光灯，找出零级谱线（与光源重合），并测出光栅到墙壁的垂直距离 ，只需测量一次。

4、测定绿光的 的谱线到零级谱线之间的距离 ，平行测量3次，以减小误差。

5、根据式 （3）、 （4）,求出 。

6、根据式（1）、（2）、（3）、（4）得出光栅常数 ，并测其平均值和标准偏差。

 

五 实验原始数据：

 

 

 

 

六 数据处理

谱线K=±1级到0级距离的平均值

 

 

 

由于 , 利用公式: ，其中，k=1 进行计算：

 

 

 

 

由于测量 的长度所用的工具是毫米钢直尺，其

又因为实验中各组数据只测一次,故k=1;

则 的不确定度

的不确定度 ：

在所测数据中各组数据的不确定度为：

的不确定度：

 

 

 

 

 

 

比较哪个是最大的，然后取最大的计算 的相对不确定度 ×100%

七 实验结果表达

＿＿＿＿m ＿＿＿＿

八 思考题

⑴ 光栅与光源之间的距离多远比较合适？

⑵ 眼睛与光栅的距离对测量有没有影响？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一个平面内？

⑷ 光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？

九 学习心得