《目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)提要

《目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)提要

實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)

《目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)課題任務(wù)是，給定一個(gè)光柵和光源(如汞燈、鈉燈或激光器等)，根據(jù)光源的已知光譜，在沒有分光計(jì)和其它測(cè)量?jī)x器的情況下，僅利用米尺和自制實(shí)驗(yàn)器材，結(jié)合直接目視法，測(cè)量透射光柵的光柵常數(shù)。該實(shí)驗(yàn)還可以已知光柵常數(shù)測(cè)量未知譜線的波長(zhǎng)。

學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出《目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)》的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式；選擇測(cè)量?jī)x器；研究測(cè)量方法；寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按書寫科學(xué)論文的要求寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

 

設(shè)計(jì)要求

⑴ 通過在實(shí)驗(yàn)室用目測(cè)的方式觀察光柵的衍射現(xiàn)象，繪制出光路圖，通過對(duì)光路圖的分析，找出光柵方程與光路圖中的那些物理量(即待測(cè)量的物理量)有關(guān)，根據(jù)光柵方程和待測(cè)物理量的關(guān)系推導(dǎo)出計(jì)算公式，寫出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。(注：這一步是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，得先到實(shí)驗(yàn)室觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，繪制出光路圖，分析論證，找出規(guī)律，才能寫出實(shí)驗(yàn)原理。)

⑵ 選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，僅限于光柵、米尺(10m/0.005m或1m/0.001m)、光源(汞燈、鈉燈或激光器)的選擇，可以自制輔助器件。

⑶ 設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，要具有可操作性。

⑷ 測(cè)量時(shí)那些物理量可以測(cè)量一次，那些物理量必須得多次測(cè)量，說明原理。

⑸ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來(lái)表征測(cè)量結(jié)果的可信賴程度。

 

實(shí)驗(yàn)儀器的選擇及提示

⑴ 光柵：實(shí)驗(yàn)室給定，光柵參數(shù)為：300/mm

⑵ 米尺：1m/0.001m或10m/0.005m任選，

⑶ 光源：鈉燈、汞燈、激光器，任選。

⑷ 可以自制實(shí)驗(yàn)器材，如帶刻度的條型光屏，也可以借助現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件。

 

實(shí)驗(yàn)所用公式及物理量符號(hào)提示

⑴ 光柵方程: (k=0、 1、 2、 3、……)

式中 (其中為光柵縫寬，為相鄰縫間不透明部分的寬度)為相鄰狹縫之間的距離，稱為光柵常數(shù)，為光波波長(zhǎng)，為衍射光譜線的級(jí)次。

⑵ 用 表示譜線到0級(jí)譜線的距離，用 表示光柵到0級(jí)譜線的垂直距離。

評(píng)分參考(10分)

⑴ 通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，找出實(shí)驗(yàn)規(guī)律，畫出光路圖，1.5分；

⑵ 正確的寫出實(shí)驗(yàn)原理和計(jì)算公式，2分；

⑶ 正確的選用儀器和測(cè)量方法，1分；

⑷ 寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟，2分；

⑸ 制作實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)室條件的合理應(yīng)用，1分；

⑹ 寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，2.5分；(其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，1分、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，0.5分，整體結(jié)構(gòu)，1分)

 

學(xué)時(shí)分配

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收， 3學(xué)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成；教師指導(dǎo)(開放實(shí)驗(yàn)室)和開題報(bào)告2學(xué)時(shí)；

 

提交整體設(shè)計(jì)方案時(shí)間

學(xué)生自選題后2～3周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)方案并提交。提交整體設(shè)計(jì)方案，要求電子版，用電子郵件發(fā)到指導(dǎo)教師的電子郵箱里。

 

思考題

⑴ 光柵與光源之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？

⑵ 眼睛與光柵的距離對(duì)測(cè)量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個(gè)平面內(nèi)？

⑷ 光柵與光屏的距離測(cè)量，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用單次測(cè)量還是多次測(cè)量？單次測(cè)量能否滿足測(cè)量精度的要求？

 

參考文獻(xiàn)

參閱各實(shí)驗(yàn)書籍中的夫瑯和菲衍射原理及光柵衍射原理。

幾何光學(xué)，人眼睛的光學(xué)原理。

 

 

目測(cè)法測(cè)量透射光柵常數(shù)

一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1、通過實(shí)驗(yàn)觀察光柵的衍射光譜。

2、培養(yǎng)我們的邏輯思維能力，分析光柵的分光作用和原理，利用光柵衍射原理測(cè)定光柵常數(shù)。

3、培養(yǎng)我們問題的分析能力和動(dòng)手操作能力。

4、復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)處理的基本方法。

二 實(shí)驗(yàn)儀器：

光柵（光柵參數(shù)為：300/mm） 米尺（1m/0.001m） 激光燈

三 實(shí)驗(yàn)原理：

光柵的衍射

普通平面光柵是一塊基板玻璃片上,用刻線機(jī)劃出一組很密的等距的平行線構(gòu)成的,光射到每一刻痕處便發(fā)生散射，刻痕起不透光的作用，光只能從刻痕間透明狹縫中通過，因此，可以反光柵看成一系列密集、均勻而又平行的排列狹縫。

光照射到光柵上，通過每個(gè)狹縫的光都發(fā)生衍射，而衍射光通過透鏡后便互相干涉。

設(shè)光波波長(zhǎng)為λ，狹縫和刻痕的寬度分別為a 和b ,則通過各狹縫以角度衍射的光，經(jīng)透鏡會(huì)聚后如果是相加強(qiáng)時(shí)，在其焦平面上就得到明亮的干涉條紋。根據(jù)光的干涉條件：光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍或零時(shí)形成亮條紋。由圖（1）可知，衍射光的光程差為，于是，形成亮條紋的條件為：

， ，，，…… （1）

的亮條紋叫中央條紋或零級(jí)條紋， 為左右對(duì)稱分布的一級(jí)條紋， 為左右對(duì)稱的二級(jí)條紋，余類推。

光柵狹縫與刻痕寬度之和稱為光柵常數(shù)。若在光柵片上每厘米寬刻有n條刻痕，則光柵狹縫常數(shù)。當(dāng)已知時(shí)，只要測(cè)出某級(jí)條紋所對(duì)應(yīng)的衍射角，通過式（1）即可計(jì)算出光柵常數(shù)

（2）

當(dāng)入射光是白光時(shí)，中央明紋為白色其它同一級(jí)的條紋不重合，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的在外，波長(zhǎng)較短的在內(nèi)。

 

四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：

1、按圖布置好光路，啟動(dòng)激光燈 。

2、調(diào)節(jié)好儀器，使激光燈與光柵的連線與墻壁垂直。

3、透過光柵觀察激光燈，找出零級(jí)譜線（與光源重合），并測(cè)出光柵到墻壁的垂直距離 ，只需測(cè)量一次。

4、測(cè)定綠光的 的譜線到零級(jí)譜線之間的距離 ，平行測(cè)量3次，以減小誤差。

5、根據(jù)式 （3）、 （4）,求出 。

6、根據(jù)式（1）、（2）、（3）、（4）得出光柵常數(shù) ，并測(cè)其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

 

五 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)：

 

 

 

 

六 數(shù)據(jù)處理

譜線K=±1級(jí)到0級(jí)距離的平均值

 

 

 

由于 , 利用公式: ，其中，k=1 進(jìn)行計(jì)算：

 

 

 

 

由于測(cè)量 的長(zhǎng)度所用的工具是毫米鋼直尺，其

又因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中各組數(shù)據(jù)只測(cè)一次,故k=1;

則 的不確定度

的不確定度 ：

在所測(cè)數(shù)據(jù)中各組數(shù)據(jù)的不確定度為：

的不確定度：

 

 

 

 

 

 

比較哪個(gè)是最大的，然后取最大的計(jì)算 的相對(duì)不確定度 ×100%

七 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)

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八 思考題

⑴ 光柵與光源之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？

⑵ 眼睛與光柵的距離對(duì)測(cè)量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個(gè)平面內(nèi)？

⑷ 光柵與光屏的距離測(cè)量，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用單次測(cè)量還是多次測(cè)量？單次測(cè)量能否滿足測(cè)量精度的要求？

九 學(xué)習(xí)心得