《目測法測透射光柵常數(shù)》實驗提要

《目測法測透射光柵常數(shù)》實驗提要

實驗課題及任務(wù)

《目測法測透射光柵常數(shù)》實驗課題任務(wù)是，給定一個光柵和光源(如汞燈、鈉燈或激光器等)，根據(jù)光源的已知光譜，在沒有分光計和其它測量儀器的情況下，僅利用米尺和自制實驗器材，結(jié)合直接目視法，測量透射光柵的光柵常數(shù)。該實驗還可以已知光柵常數(shù)測量未知譜線的波長。

學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識，設(shè)計出《目測法測透射光柵常數(shù)》的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實驗原理和理論計算公式；選擇測量儀器；研究測量方法；寫出實驗內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設(shè)計的方案，進(jìn)行實驗操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實驗結(jié)果。按書寫科學(xué)論文的要求寫出完整的實驗報告。

 

設(shè)計要求

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

⑵ 選擇實驗測量儀器，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)計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。

⑷ 測量時那些物理量可以測量一次，那些物理量必須得多次測量，說明原理。

⑸ 實驗結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。

 

實驗儀器的選擇及提示

⑴ 光柵：實驗室給定，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 可以自制實驗器材，如帶刻度的條型光屏，也可以借助現(xiàn)有實驗室的條件。

 

實驗所用公式及物理量符號提示

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，為衍射光譜線的級次。

⑵ 用 表示譜線到0級譜線的距離，用 表示光柵到0級譜線的垂直距離。

評分參考(10分)

⑴ 通過觀察實驗現(xiàn)象，找出實驗規(guī)律，畫出光路圖，1.5分；

⑵ 正確的寫出實驗原理和計算公式，2分；

⑶ 正確的選用儀器和測量方法，1分；

⑷ 寫出實驗內(nèi)容及步驟，2分；

⑸ 制作實驗器材和實驗室條件的合理應(yīng)用，1分；

⑹ 寫出完整的實驗報告，2.5分；(其中實驗數(shù)據(jù)處理，1分、實驗結(jié)果，0.5分，整體結(jié)構(gòu)，1分)

 

學(xué)時分配

實驗驗收， 3學(xué)時，在實驗室內(nèi)完成；教師指導(dǎo)(開放實驗室)和開題報告2學(xué)時；

 

提交整體設(shè)計方案時間

學(xué)生自選題后2～3周內(nèi)完成實驗整體設(shè)計方案并提交。提交整體設(shè)計方案，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測量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個平面內(nèi)？

⑷ 光柵與光屏的距離測量，該實驗應(yīng)采用單次測量還是多次測量？單次測量能否滿足測量精度的要求？

 

參考文獻(xiàn)

參閱各實驗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。

 

 

目測法測量透射光柵常數(shù)

一 實驗?zāi)康模?/p>

1、通過實驗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定光柵常數(shù)。

3、培養(yǎng)我們問題的分析能力和動手操作能力。

4、復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)處理的基本方法。

二 實驗儀器：

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

三 實驗原理：

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)透鏡會聚后如果是相加強(qiáng)時，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：光程差等于波長的整數(shù)倍或零時形成亮條紋。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條紋， 為左右對稱分布的一級條紋， 為左右對稱的二級條紋，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，只要測出某級條紋所對應(yīng)的衍射角，通過式（1）即可計算出光柵常數(shù)

（2）

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

 

四 實驗內(nèi)容及步驟：

1、按圖布置好光路，啟動激光燈 。

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，找出零級譜線（與光源重合），并測出光柵到墻壁的垂直距離 ，只需測量一次。

4、測定綠光的 的譜線到零級譜線之間的距離 ，平行測量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) ，并測其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

 

五 實驗原始數(shù)據(jù)：

 

 

 

 

六 數(shù)據(jù)處理

譜線K=±1級到0級距離的平均值

 

 

 

由于 , 利用公式: ，其中，k=1 進(jìn)行計算：

 

 

 

 

由于測量 的長度所用的工具是毫米鋼直尺，其

又因為實驗中各組數(shù)據(jù)只測一次,故k=1;

則 的不確定度

的不確定度 ：

在所測數(shù)據(jù)中各組數(shù)據(jù)的不確定度為：

的不確定度：

 

 

 

 

 

 

比較哪個是最大的，然后取最大的計算 的相對不確定度 ×100%

七 實驗結(jié)果表達(dá)

＿＿＿＿m ＿＿＿＿

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測量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個平面內(nèi)？

⑷ 光柵與光屏的距離測量，該實驗應(yīng)采用單次測量還是多次測量？單次測量能否滿足測量精度的要求？

九 學(xué)習(xí)心得