光栅衍射实验实验报告

1、光栅衍射实验实验报告作者：日期:工物系 核11李敏 2 0 11 0 11693实验台号19光栅衍射实验一、实验目的(1) 进一步熟悉分光计的调整与使用；(2) 学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法(3) 加深理解光栅衍射公式及其成立条件；二、实验原理2.1测定光栅常数和光波波长如右图所示，有一束平行光与光栅的法线成i角，入射到光栅上产生衍射；出射光夹角为。从B点引两条垂线到入射光和出射光。如果在F处产生了一个明条纹，其光程差CA AD必等于波长 的整数倍，即d sin sini m(1)m为衍射光谱的级次，1, 2, 3 .由这个方程，知道了 d, ,i,中的三个量，可以推出另

2、外一个若光线为正入射,i 0，则上式变为d sin m m(2)其中m为第m级谱线的衍射角据此，可用分光计测出衍射角 m，已知波长求光栅常数或已知光栅常数求波 长。2.2用最小偏向角法测定光波波长如右图。入射光线与m级衍射光线位于光栅法线同侧(1)式中应取加号，即d(sin?+ sin?= ?以二 + 为偏向角，则由三角形公式得 ?.?2d (sin cos-p) = m入易得，当？7 ?= 0时,最小，记为5则(2 . 2.1)变为2d sin m , m 0, 1, 2, 3,2(4 )由此可见，如果已知光栅常数d,只要测出最小偏向角5就可以根据(4) 算出波长X三、实验仪器3. 1分光计

3、在本实验中，分光计的调节应该满足：望远镜适合于观察平行光，平行光管发出平行光,并且二者的光轴都垂直于分光计主轴。3. 2光栅调节光栅时，调节小平台使光栅刻痕平行于分光计主轴。放置光栅时应该使光栅平面垂直于小平台的两个调水平螺钉的连线。?3.3水银灯?1.水银灯波长如下表颜色紫绿黄红波长/ n m404. 749 1.6577.06 0 7.340 7 . 854 6 .15 79. 1612.3410.862 3 .44 33.969 0 .74 34. 843 5. 8?2 .使用注意事项(1) 水银灯在使用中必须与扼流圈串接,不能直接接2 20V电源，否则要烧毁。22)水银灯在使用过程中不

4、要频繁启闭，否则会降低其寿命。?(3)水银灯的紫外线很强,不可直视。四、实验任务(1)调节分光计和光栅使满足要求。(2) 测定i=0时的光栅常数和光波波长。(3) 测定i=15时的水银灯光谱中波长较短的黄线的波长2 4)用最小偏向角法测定波长较长的黄线的波长。(选作)五、实验数据记录与处理1 . I =0时，测定光栅常数和光波波长光栅编号：;仪=;入射光方位10 20 ?波长/n m黄1黄2546.1紫衍射光谱级次m游标InInInIn左侧衍射光方 位左右侧衍射光方 位右2 m左右2 mm2. 1= 15时,测量波长较短的黄线的波长光栅编号：; 光栅平面法线方位 ？?尸; ?=光谱级次m游标入

5、射光方位0入射角i7 Z. f f7iIn光谱级次m游标左侧衍射光方 位左衍射角m左叫同（异）侧1In光谱级次m游标右侧衍射光方 位右衍射角m右m右同（异）侧2In3.最小偏向角法光谱级次游标谱线方位1对称谱线方位21 22五、数寸据记录见附页六、数据处理6.1殂和不确定度的推导(1 ) d的不确定度sinIn dCOs m1msin mtanmdj( lnd)2(m)2Inddmmln d In mIn sinmmtan| m(2 )的不确定度d sin m / m?nIn d ln(sin m) In mInCOS mmInsinm1tanmm 一定的情况下,m越大d的偏差越小。但是m大时

6、光谱级次高，谱线难以观察。所以要各方面要综合考虑。而对 的测量，也是m越大不确定度越小。综上,在可以看清谱线的情况下，应该尽量选择级次高的光谱观察，以减小误差6 .2 ?求绿线的d和 并计算不确定度?1)二级光谱下：?由d，代入数据 m=19 2可得d 334 9.1 n msinln d1 m|mmtan| mm=2得ln d)2()2丿(m )md=3 349.1* 2 /(60*180)/ t an (1 9 2= 0. 6n md(334 9. 1 土 5.7) nm 而实验前已知光栅为300线每毫米，可见测量结果与实际较吻合。d sin m / m再用d求其他光的?对波长较长的黄光：

7、m_20 o 1 5, d =33 4 9nm代入,可得2 m=579.6nm,=1. 4 nm(579.61.3) nm对波长较短的黄光：二=20 o10代入，可得=5 7 7.3nm,=1.4n m(577.31.3 )nm?对紫光：m_205/代入,可得? =43 5 .7nm,=1.2 nm(435.81.2 )nm2)三级光谱下: ?对绿光:?由小m，代入数据m=29 17可得d 33 49.4 n mSin ma)2(m)2ln d1 m|mmtan md?又由dm=2得? d = 3. 5nm,d(3349.43 .5)nm再用d求其他光的波长?对波长较长的黄光：m = 31 1

8、4： d =3349 .4nm代入，得：=5 78. 9 nm,= 0.8 n m(578.90.8) nm?寸波长较短的黄光：m=31 0 9/ ,d=3 3 49. 4nm代入，得：? =577. 5 nm ,=0. 8n m?(577.50.8) nm对紫光：m = 2 3 0,d= 3 34 9 . 4 nm代入，得：? =436. 2 nm ,=0. 8n m(436.20.8) nm分析计算结果，与实际波长吻合比较良好。另外，可以看到，三级谱线下测量后计 算的结果教二级谱线下的结果其偏差都更小，与理论推断吻合。6 .3?在i= 15 0时，测定波长较短的黄线的波长。?由d(sin?

9、+ sin?= ?,? m=2,可得:?在同侧：=5 7 7. 9nm?在异侧：=575. 9n m6.4最小偏向角法求波长较长的黄线的波长?由公式：2d sin m ,m 0, 1, 2, 3,2代入数据:m=2,39 o51 /代入,得=5 79.4 n m与实际值吻合良好。七、思考题1）分光计调整好是实验的前提条件。即应保证分光计望远镜适合观察平行光，平 行光管发平行光，两者光轴垂直于分光计主轴。具体实现步骤同实验4.3分光计 的调节。调节光栅平面与平行光管的光轴垂直，开始粗调使零级谱线尽量处于两 侧谱线的对称位置，然后再细调使满足2条件。个人推荐测绿光谱线的衍射角。 思考：不可以用分光计自准法，因为光栅的反射性质远不如三棱镜，自准法时得到 的像比较模糊，无法实现高精度的调节。2 ）见数据分析3 ）先调节望远镜的使其偏移15，然后调节光栅位置，用自准法使光栅法线沿望远镜方向，即可保证方位角为15。4）光栅三棱镜原理不同波长的光衍射角不同不同频率的光在相同介质中折射率不同谱线有级次之分，同一级按波 长大小排列，能看到双黄 线之类的精细结构。没有级次之分，每种波长的光仅