大学物理实验教案-用透射光栅测定光波波长

大学物理实验教案实验名称用透射光栅测定光波波长教学时数2学时教学目的和要求1、理解光栅衍射的基本原理与特点；2、掌握分光仪、光栅的调节要求与方法，掌握各步调节的目的和实现的判据；3、认识光栅光谱的分布规律，并能正确判别衍射光谱的级次；4、利用光栅测定光栅常量、光波波长。教学重点1、分光仪、光栅的调节要求与方法。2、正确判别衍射光谱的级次。3、分光仪的正确读数。教学难点1、分光仪、光栅的调节要求与方法。2、分光仪的正确读数。教学内容1、分光仪的调整2、光栅的调整3、在分光仪上正确测量光栅各级衍射角4、测定光栅常量、光波波长教学方法先讲授，然后实际演示操作要点。教学手段学生操作，随堂检查操作情况。根据学生的操作情况将容易犯错的问题做重点提示，学生可以根据操作中遇到的具体问题个别提问。时间分配讲授30分钟，学生操作70分钟。板书设计实验目的、测量关系式、数据记录表格。主要参考资料1、杨述武等，《普通物理实验》（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007.2、郑庚兴，《大学物理实验》[M].上海：上海科学技术文献出版社，2004.3、黄水平，《大学物理实验》[M].北京：机械工业出版社，2012.4、徐扬子，丁益民，《大学物理实验》[M].北京：科学出版社，2006.5、李蓉，《基础物理实验教程》[M].北京：北京师范大学出版社，2008.实验名称：用透射光栅测定光波波长实验目的：1、理解光栅衍射的基本原理与特点；2、掌握分光仪、光栅的调节要求与方法，掌握各步调节的目的和实现的判据；3、认识光栅光谱的分布规律，并能正确判别衍射光谱的级次；4、利用光栅测定光栅常量、光波波长。实验仪器：分光计透射光栅双面反射镜汞灯实验原理：若以单色平行光束垂直照射光栅，通过每个狭缝的光都会发生衍射，这些衍射光又在一些特殊方向上被透镜会聚于焦平面上一点后，因干涉加强而型成各级亮线，如图1，若衍射角为φ的光束经透镜会聚后互相加强，则角φ必须满足关系式,...)3,2,1,0(,sinkkdk即光程差必须等于光波长的整数倍。式中λ为单色光波长，k是亮条纹级次，k为k级谱线的衍射角。此式称为光栅方程，它是研究光栅衍射的重要公式。汞灯的光栅光谱示意图如果入射光是复色光，由于各色光的波长各不相同，则由公式（41-1）可以看出，其衍射角k也各不相同，经过光栅后，复色光被分解为单色光。在中央0k，0k位置处，各色光仍将重叠在一起，形成0级亮条纹。而在中央亮条纹两侧，各种波长的单色光产生各自对应的谱线，同级谱线组成一个光带，这些光带的整体叫做衍射光谱。如图所示，它们对称地分布在中央亮条纹的两侧。1、测量光栅常数用汞灯光谱中的绿线（546.07nm）作为已知波长测量光栅常数d。测量公式sinkkd2、测量波长用上面求出的光栅常数，测量光谱线的波长。测量公式sinkdk3.光栅的角色散角色散是光栅的重要参数，它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角距离。汞灯光谱中双黄线的波长差之差=2.06nm，两条谱线偏向角之差和两者波长之差之比：D对光栅方程微分可有cosdkD由上式可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d越小，色散率越大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率。实验内容1、光栅的调节（1）调节分光计，使望远镜对准无穷远，望远镜轴线与分光计中心轴线相垂直，平行光管出射平行光。调节方法见光学实验常用仪器部分。狭缝宽度调至约1毫米。（2）安置光栅，要求入射光垂直照射光栅表面，平行光管狭缝与光栅刻痕相平行。（3）调节光栅使其刻痕与转轴平行。注意观察叉丝交点是否在各条谱线中央，如果不是，可调节螺丝予以改正，调好后，再回头检查光栅平面是否仍保持和转轴平行。如有了改变，就要反复多次，直到两个要求都满足为止。2、测定光栅常数以汞灯为光源，测出K=±1波长为5460.7nm绿光衍射角φ，求d。但应注意：+1与-1级的衍射角相差不能超过几分，否则应重新检查入射角是否为零。3、测定未知光波波长及色散率用上法在K=±1时测出汞的紫、双黄线的衍射角，求出它们的波长。3、测定未知光波波长求出汞的两条黄线λ1及λ2的衍射角角之差，求出λ1及λ2并计算出Δλ，再求出光栅的角色散率。实验数据处理1、测量光栅常量测量次数绿色光谱线角坐标衍射角111114LLRR衍射角平均值1K=-1K=+11L1R1L1R1231sind2、测量光波波长谱线颜色测量次数光谱线角坐标衍射角111114LLRR波长/nm平均波长/nmK=-1K=+11L1R1L1R紫123黄内123黄外123与教材P3给出的相应波长进行比较3、测定光栅的角色散===-==1cosDDd内外外内黄（内）黄(外）将两者进行比较思考题1、光栅方程和色散率的表达式中各量的物理意义及适用条件?2、平行光管的狭缝很宽时，对测量有什么影响?3、光计主要由哪几部分组成？为什么说望远镜的调整是分光计调整的基础和关键？4、光计在设计上是如何消除偏心差的？