分光计的调整及光栅常数的测量.docx
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分光计的调整及光栅常数的测量
南昌大学物理实验报告
课程名称:
大学物理实验(下)_____________
实验名称:
分光计的调整及光栅常数的测量__
学院:
信息工程学院专业班级:
学生姓名:
学号:
实验地点:
基础实验大楼B311座位号:
___
实验时间:
第3、4周星期三下午三点四十五分_______
37.分光计的调整
一、实验目的:
1.了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法
2.测定两窄缝间的间距
二、实验原理:
分光计主要由三部分:
望远镜,平行光管和主体(底座、度盘和载物台)组成,每部分都有特定的调节螺丝。
附件有小灯泡,小灯泡的低压电源以及看刻度盘的放大镜。
(1)底座
分光计底座中心固定有一中心轴,望远镜、度盘和游标盘套在中心轴上,可绕中心轴旋转。
(2)平行光管
平行光管安装在固定立柱上,它的作用是产生平行光。
平行光管由狭缝和透镜组成。
狭缝宽度可调(范围0.02~2mm),透镜与狭缝间距可以通过伸缩狭缝筒进行调节。
当狭缝位于透镜焦平面上时,由狭缝经过透镜出射的光为平行光。
(3)自准直望远镜
阿贝式自准直望远镜安装在支臂上,支臂与转座固定在一起并套装在度盘上。
它用来观察和确定光线行进方向。
自准直望远镜由物镜、目镜、分划板等组成,三者间距可调。
其中,分划板上刻有形叉丝;分划板下方与一块45º全反射小棱镜的直角面相贴,直角面上涂有不透明薄膜,薄膜上划有一个“十”形透光的窗口,当小电珠光从管侧经另一直角面入射到棱镜上,即照亮“十”字窗口。
调节目镜,使目镜视场中出现清晰的形叉丝。
在物镜前方放置一平面镜,然后调节物镜,使分划板位于物境焦平面上,那么从棱镜“十”字口发出的绿光经物镜后成为平行光射向前方平面境,其反射光又经物镜成像于分划板上。
这时,从目镜中可以看到清晰的“”形叉丝和绿色“十”字像。
此时望远镜已调焦至无穷远,适合观察平行光了。
如果平面境的法线与望远镜光轴方向一致,则绿色“十”字像位于分划板形叉丝的上横线上。
(4)载物台
载物台是用来放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的,通过载物台螺钉可使它与游标盘相互锁定,拧紧后,载物台可和游标盘一起绕分光计游标盘的转轴转动。
游标盘的制动螺钉拧紧时不能再强制转动游标盘,否则会损坏仪器。
当螺丝拧紧后,游标盘不能绕轴转动,用它可以使游标盘做微小转动。
载物台下有三只调节螺丝可调节台面的倾斜程度。
(5)读数装置
由主刻度盘和内盘(角游标盘)组成,望远镜和载物台的相对方位可由刻度盘上的读数确定,主刻度盘上有0°-360°的圆刻度,最小刻度为0.5°。
内盘上设有两个角游标,两者相隔180°,游标上有30个分格,它和主刻度盘上29个分格相当,因此最小读数为1′。
三、实验内容和步骤:
【调节步骤】
1.目测粗调:
用眼睛直接观察,调节望远镜和平行光管的光轴高低调节螺钉,使两者的光轴尽量呈水平状态;调节载物台下三只调平螺钉,使载物台呈水平状态。
粗调完成得好,可以减少后面细调的盲目性,使实验顺利进行。
2.细调:
1调节望远镜合适观察平行光
(1)目镜的调焦。
调节目镜视度调节手轮,使视场中能看到分划板上清晰的形叉丝像。
(2)接通望远镜灯源,放置平面镜在载物台上,缓慢转动载物台,从望远镜中可见一光斑,若找不到说明粗调未调好,这时可用眼睛观察平面镜,找到反射光束,调节载物台和望远镜光轴位置,使望远镜能接收到反射光束,从目镜视场中看到光斑。
3.用自准法调节望远镜:
(1)点亮照明小灯,调节目镜与分划板的距离,看清分划板上的“准线”和带有绿色的小十字窗口(目镜对风滑板调焦)。
(2)将准直镜放在载物台上,使准直镜的两反射面与望远镜大致垂直。
轻缓转动载物台,从侧面观察,判断从准直镜正、反两面反射的亮十字光线能否进入望远镜。
(3)从望远镜的目镜中观察到亮的十字架象,前后移动目镜对望远镜调焦,使亮十字像成清晰像。
再准线与目镜间距离,使目镜中既能看清准线,又能看清十字像。
注意准线与亮十字像之间有无视差,如有视差,则需反复调节,予以消除。
此时分划板平面,目镜焦平面、物镜焦平面重合在一起,望远镜已经聚焦无穷远,能接受平行光。
4.调整望远镜光轴与风光中心垂直
准直镜仍然竖直放臵于载物台上,转动载物台,使望远镜分别对准准直镜的反射镜。
利用自准法可以分物台平面,使望远镜先对准准直镜的一个表面,若从望远镜中看到准线与十字反射像不重合,它们的交点在高低方位相差一段距离δ,此时调节望远镜倾斜度,使差距缩小一半;再调节载物台螺丝,消除另一半距离使准线与十字反射像重合。
然后将载物台旋转
180度,使望远镜对着双面镜的另一面,采用同样方法调节,如此重复调整数次,直至转动载物台时,从双面镜前后两表面反射回来的像都能与准线重合为止。
常称这种方法为逐次逼近各半调整法。
5.调节平行光管
(1)目测粗调至平行光管光轴与望远镜光轴大致一致
(2)打开狭缝,从望远镜中观察,同时调节平行光管狭缝与透镜间距离,直到看见清晰的狭缝为止,然后调节缝宽,使望远镜视场中缝宽为1mm。
(3)调节平行光管的倾斜度。
6.消除视差
38.光栅常数的测量
一、实验目的
(1)观察光栅衍射现象,理解光栅衍射基本规律。
(2)学会用分光计测光栅常数。
二、实验仪器
分光计、平面透射光栅、汞灯
三、实验原理
衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝(或刻痕)构成,常分为透射光栅和反射光栅,是一种精密的分光元件。
狭缝光源S位于透镜L1的物方焦平面上,G为光栅,光栅上相邻狭缝间距d,狭缝缝宽a,缝间不透光部分宽为b,d=a+b称为光栅常量。
本实验所用的全息光栅,每相邻狭缝
间的距离d就是光栅常量d。
自L1射出的平行光垂直照射再光栅G上。
透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其象方焦距面上的Pθ点,产生衍射亮条纹的条件为dsinθ=kλ,也称为光栅方程,式中θ是衍射角,λ是光波波长,k为条纹级数(k=0,±1,±2,……),衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射像,是一条细锐的亮线。
当k=0时,在θ=0的方向上,各种波长的亮线重叠在一起,形成明亮的零级像,对于k的其他数值,不同波长的亮线出现在不同的方向上形成光谱,对称地分布在零级条纹地两侧。
因此,若光栅常量d已知,测出某谱线地衍射角θ和光谱级k,则可由光栅方程求出该谱线地波长λ,反之如果波长λ已知,则可求出光栅常量d。
四、实验内容和步骤
1、分光计的调节
(1)望远镜调焦无穷远。
(2)望远镜、准直管主轴均垂直于仪器主轴。
(3)准直管(平行光管)发出平行光。
2、光栅位置的调节
(1)根据前述原理的要求,光栅平面应调节到垂直于入射光。
(2)根据衍射角测量的要求,光栅衍射面应调节到和观测面度盘平面一致。
当分光计的调节完成后,方可进行这部分调节。
首先,使望远镜对准平行光管,从望远镜中观察被照亮的平行光管狭缝的像,使其和叉丝的竖直线重合,固定望远镜,放置光栅,点亮目镜照明灯,左右转动载物平台,看到反射的绿十字,调节平台螺钉b2或b3,使绿十字和目镜中的调整叉丝重合,这是光栅面已垂直于入射光。
用汞灯照亮平行光管的狭缝,转动望远镜,观察光谱,如果左右两侧的光谱线相对于目镜中的叉丝的水平线高低不等,说明光栅的衍射面和观察面不一致,这时可调节平台上的螺钉b1使它们一致。
(3)测光栅常量根据光栅方程,只要测出第k级光谱线中波长已知的谱线的衍射角θ,就可求出d值,这里采用汞灯光谱中的绿线(λ=546.07nm)。
光谱线级次k自己确定。
转动望远镜到光栅的一侧,使叉丝的竖直线对准已知波长的第k级谱线的中心,记录二游标值。
将望远镜转向光栅的另一侧,同上测量,同一游标的两次读数之差是衍射角θ的二倍,重复三次,计算d值的平均值。
五、数据记录与处理:
绿光λ=546.07nm
衍射光谱级数k
-1
1
-2
2
左侧衍射光角坐标θ左
258°17′
249°59′
263°14′
244°27′
右侧衍射光角坐标θ右
78°24′
69°59′
83°15′
64°28′
8°18′
18°47′
8°25′
18°47′
8°21.5′
18°47′
4°10.75′
9°23.5′
已知光栅方程dsinθ=kλ,绿光λ=546.07nm
光栅常量
六、误差分析:
载物平台无法完全调整到水平;游标盘读数时必然存在误差。
七、思考题:
1.分光计是一种光学仪器,它有哪四个主要组成部分及其作用?
答:
底座、望远镜、平行光管、载物平台和读数盘。
其中载物台、望远镜和刻度盘都可绕底座上的主轴转动;平行光管用来产生平行光;载物台用来放置被测样品;望远镜用来接收平行光;刻度盘与游标盘配合用来读取数据。
2.什么叫分光计的偏心差?
采用双游标读数为什么能消除偏心差?
答:
透镜几何轴与光轴在透镜中心处的偏离量,对于薄透镜即透镜几何中心对光中心的偏离量.。
由于仪器轴承不能让转盘和轴严格同心,当存在偏心情况时,单用一个游标度数会导致偏心带来的误差,也就是偏心差,这时候和该游标对称的另外一个游标也会出现同样大小的偏心差,而且两个误差方向相反,这一点恰好可以被利用,两个度数相加抵消掉偏心差。
3.应用公式dsinθ=±kλ测量时应保证什么条件?
实验时是如何保证这些条件得到满足的?
答:
应保证平行光垂直照射在光栅上。
实验中通过检查0级谱线和光栅面反射的绿十字像的位置检查条件是否满足。
0级谱线应与竖叉丝重合,且被测量用(中叉丝)的水平叉丝平分。
光栅面反射的绿十字像应与调整叉丝(上叉丝)重合。
4.如果用钠灯作光源,观察钠黄光的谱线时,为什么每一级都可以看到两条谱线?
答:
钠原子有两个能级很接近。
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- 分光计 调整 光栅 常数 测量
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