大学物理实验(光学)汇总课件.ppt

1、首页HYQ教案1大学物理实验大学物理实验首页HYQ教案2光学实验原理介绍光学实验原理介绍实验实验17 等厚干涉实验等厚干涉实验实验实验7 分光计的调节与使用分光计的调节与使用实验实验8 迈克尔逊干涉仪的调整和使用迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验实验16 用分光计研究光栅光谱用分光计研究光栅光谱首页HYQ教案3实验实验26 分光计的调节与使用分光计的调节与使用实验实验26 分光计的调节与使用分光计的调节与使用课本课本P1451、了解分光计的结构，学习调整分光计了解分光计的结构，学习调整分光计2、掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法、掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法3、测量玻璃的折射率、测量玻璃的折

2、射率【实验目的实验目的】【实验项目】【实验项目】首页HYQ教案4 【实验仪器】【实验仪器】分光计（分光计（JJY型）、平面镜、三棱型）、平面镜、三棱 镜、钠光灯汞灯镜、钠光灯汞灯与电源与电源首页HYQ教案51狭狭缝缝装装置置2 狭狭缝装缝装置锁置锁紧螺紧螺钉钉4载物载物台制台制动架动架5载载物物台台6载载物台物台调平调平螺钉螺钉7载载物台物台锁紧锁紧螺钉螺钉8望望远远镜镜11目目镜镜调调焦焦手手轮轮12望远镜望远镜光轴仰角光轴仰角调节螺钉调节螺钉13望远镜光望远镜光轴水平方位轴水平方位调节螺钉调节螺钉14支支臂臂15望远镜望远镜微调螺钉微调螺钉17转座与度盘止动螺钉转座与度盘止动螺钉18望远镜

3、止动架望远镜止动架19底底座座22游游标盘标盘28狭缝狭缝宽度调宽度调节手轮节手轮27平行平行光管光光管光轴仰角轴仰角调节螺调节螺钉钉26平行光管光轴水平行光管光轴水平方位调节螺钉平方位调节螺钉25游标盘止动螺钉游标盘止动螺钉24游游标标盘盘微微调调螺螺钉钉20转转座座21刻刻度度盘盘23立柱立柱16望远镜望远镜止动螺钉止动螺钉10阿阿贝式贝式目镜目镜9目目镜锁镜锁紧螺紧螺钉钉3平平行行光光管管首页HYQ教案62、平行光管、平行光管作为产生平行光束的光源。作为产生平行光束的光源。管的管的一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝的圆筒。的圆筒。旋松螺钉旋松螺钉2，分光

4、计主要由底座、平行光管、望远镜、载物分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。台和读数圆盘五部分组成。1、底座、底座中心有一竖轴，称为仪器的中心轴或中心有一竖轴，称为仪器的中心轴或主轴。度盘和游标盘套在中心轴上，可绕中心主轴。度盘和游标盘套在中心轴上，可绕中心轴转动。轴转动。狭缝像清晰调节狭缝像清晰调节狭缝狭缝准直准直平行光管平行光管螺钉螺钉2螺钉螺钉27 狭缝圆筒可沿轴向移动狭缝圆筒可沿轴向移动和绕轴转动。管的水平和绕轴转动。管的水平方位角由螺钉方位角由螺钉26调节，调节，仰角由螺钉仰角由螺钉27调节，狭调节，狭缝宽度由手轮缝宽度由手轮28调节。调节。首页HYQ教案7目

5、镜上有照明装置。目镜上有照明装置。旋松螺钉旋松螺钉9，目镜筒可沿轴向移动，目镜筒可沿轴向移动和绕轴转动。和绕轴转动。筒的筒的仰角由螺钉仰角由螺钉12调节，望远镜调节，望远镜光轴水平方位由螺钉光轴水平方位由螺钉13调节。调节。望远镜可以绕仪器中心轴转动。望远镜可以绕仪器中心轴转动。（返回（返回40页）页）阿贝自准直阿贝自准直望远镜望远镜载物台载物台无视差3、望远镜、望远镜观测用。由观测用。由目镜目镜系统和系统和物镜物镜组成。组成。反射像反射像目镜目镜阿贝棱镜阿贝棱镜叉丝像清叉丝像清晰调节晰调节分划分划板板观察物镜清观察物镜清晰调节晰调节物物镜镜反射小反射小平面镜平面镜首页HYQ教案84、载物台、

6、载物台放置平面镜等光学元件用。它套于游放置平面镜等光学元件用。它套于游标盘上，可绕主轴转动。标盘上，可绕主轴转动。旋紧螺钉旋紧螺钉7和放松螺钉和放松螺钉25，可使载物台随同游标盘，可使载物台随同游标盘转动；转动；旋紧螺钉旋紧螺钉7和和25，调节螺钉，调节螺钉24则可进行转动微调；则可进行转动微调；放松螺钉放松螺钉7，可单独转动和升降载物台；，可单独转动和升降载物台；台面下三螺钉台面下三螺钉6可调节台面的倾斜度（水平）。可调节台面的倾斜度（水平）。首页HYQ教案95、读数圆盘、读数圆盘读数装置。由可绕主轴转动的读数装置。由可绕主轴转动的刻度刻度盘和游标盘盘和游标盘组成。组成。刻度盘刻有刻度盘刻有

7、720等分刻线，等分刻线，最小分度值为半度最小分度值为半度(30分分)。在游标盘对径方向设有在游标盘对径方向设有两个角游标两个角游标。它们各有。它们各有30个分格对应度盘上个分格对应度盘上29个分度值，所以游标上每分个分度值，所以游标上每分度为度为1分，这样小于半度可利用游标读数。分，这样小于半度可利用游标读数。设置两个游标是为了设置两个游标是为了消除刻度盘和游标盘的圆心消除刻度盘和游标盘的圆心与仪器主轴的轴心不重合所引起的偏心误差。与仪器主轴的轴心不重合所引起的偏心误差。测测量时分别读出两个游标的读数，取其平均值。量时分别读出两个游标的读数，取其平均值。设设开始时两游标尺读数为开始时两游标尺

8、读数为 和和 ，在望远镜转过，在望远镜转过一角度一角度 后，两游标尺读数为后，两游标尺读数为 和和 ，则按下，则按下式计算：式计算：1212)(211212首页HYQ教案10读数方法读数方法：与游标卡尺相似，这里读出的是角度。与游标卡尺相似，这里读出的是角度。以以角游标零线为准角游标零线为准，读出刻度盘上的度值，再，读出刻度盘上的度值，再找游找游标上与刻度盘刚好重合的刻线标上与刻度盘刚好重合的刻线为所求之为所求之分值分值。若若游标零线落在半度刻线之外游标零线落在半度刻线之外，则读数应，则读数应加上加上30分。分。读数示例读数示例：对准对准刻度盘刻度盘游标游标32030/+15/=32045/3

9、20首页HYQ教案11注意：注意：在测量过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故在测量过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故必须必须注意注意望远镜转动过程中是否越过了刻度的零点。望远镜转动过程中是否越过了刻度的零点。如如越过了刻度的零点越过了刻度的零点，则按下式，则按下式计算计算望远镜转角。望远镜转角。12360o首页HYQ教案12例如当望远镜有位置例如当望远镜有位置转到转到时，双游标的读数时，双游标的读数分别如下表所示。分别如下表所示。望远镜位置望远镜位置游标游标1游标游标21=1750 461=3550 452=2950 432=1150 42游标游标1读数测得望远镜转角为读数测得望远镜转角

10、为95119121o游标游标2读数测得望远镜转角为读数测得望远镜转角为75119360122oo8511921021首页HYQ教案13一、三棱镜顶角的测量原理一、三棱镜顶角的测量原理 反射法侧三棱镜顶角反射法侧三棱镜顶角 如图如图4-26-2所示，所示，一束平行光由顶角方一束平行光由顶角方向射入，在两光学面向射入，在两光学面上分成两束反射光。上分成两束反射光。测出两束反射光线之测出两束反射光线之间的夹角间的夹角，则可得，则可得到顶角到顶角A为为望远镜望远镜位置位置AA2平平行行光光管管望远镜望远镜位置位置图图4-26-2 反射法侧三棱镜顶反射法侧三棱镜顶角角原理图原理图 21A【实验原理】【实

11、验原理】首页HYQ教案14二、分光计的使用调整二、分光计的使用调整（P147-151）调整最终要求：调整最终要求：l望远镜能接收平行光的判定标志（右图）望远镜能接收平行光的判定标志（右图）（1 1）目镜、物镜目镜、物镜调焦调焦使使分划板分划板十字叉丝十字叉丝、绿色十字反射像绿色十字反射像清清晰无视差。晰无视差。（2 2）用）用“各半调节法各半调节法”调节调节载物载物台台螺钉螺钉6、望远镜仰角螺钉、望远镜仰角螺钉12，使使载物载物台面和望远镜水平，其标志是台面和望远镜水平，其标志是连同连同载物台载物台旋转游标旋转游标盘盘，反光镜反光镜A、B两面所反射的两面所反射的绿色十字像绿色十字像都能位于分划

12、板都能位于分划板的的准线准线 上。上。旋松螺钉旋松螺钉2，沿轴向移动狭缝筒使望远镜中的像清晰，沿轴向移动狭缝筒使望远镜中的像清晰无视差无视差，调仰角螺钉调仰角螺钉27使水平狭缝与使水平狭缝与测量水平线测量水平线重合重合，调节，调节狭缝像狭缝像垂垂直、清晰、直、清晰、无视差无视差。分光计调整的分光计调整的关键关键是调好望远镜，是调好望远镜，其他的调整则以望远镜为准其他的调整则以望远镜为准。A、B面面反射像反射像首页HYQ教案15【实验【实验内容及步骤内容及步骤】目的：目的：保证望远镜或载物台转过的角度与仪器读数保证望远镜或载物台转过的角度与仪器读数装置所测得的角度一致。装置所测得的角度一致。返回

13、返回46页页,实验实验41测光栅的实验内容测光栅的实验内容一、调整分光计一、调整分光计 调整分光计，要求达到：调整分光计，要求达到：（1）望远镜对平行光聚焦。）望远镜对平行光聚焦。（2）平行光管发出平行光。）平行光管发出平行光。（3）望远镜、平行光管的光轴垂直于仪器公共轴。）望远镜、平行光管的光轴垂直于仪器公共轴。（4）在调整达到上述三点要求后，在载物台上放置）在调整达到上述三点要求后，在载物台上放置 并调整测量用的三棱镜，使其两光学侧面平行于并调整测量用的三棱镜，使其两光学侧面平行于分光计光轴。分光计光轴。首页HYQ教案16精细调节精细调节:目镜调焦目镜调焦:使能看清分划板上的十字叉线和绿色

14、十使能看清分划板上的十字叉线和绿色十字窗；字窗；1、望远镜对平行光聚焦（即望远调焦于无穷远）、望远镜对平行光聚焦（即望远调焦于无穷远）粗调粗调 :将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直。成水平，并与中心轴垂直。（这一步粗调很重要，是以下细调的前提，也是细（这一步粗调很重要，是以下细调的前提，也是细调成功的保证）调成功的保证）望远镜适合接收观察平行光的调整望远镜适合接收观察平行光的调整LL图图25-5调整用的准线调整用的准线测量用的准线测量用的准线首页HYQ教案17图图10注意：注意：从望远镜中能同时从望远镜中能同时清晰看到分划板准线和绿清

15、晰看到分划板准线和绿色反射像且色反射像且无视差，无视差，（右图）（右图）。物镜调焦物镜调焦 使能看清从小镜反射回来的使能看清从小镜反射回来的绿色像绿色像，并与分划板上的并与分划板上的十字叉线十字叉线无视差无视差，这，这时物镜和目镜的焦平面与分划板重合，时物镜和目镜的焦平面与分划板重合，望远镜就能接收平行光。望远镜就能接收平行光。（调整方法：（调整方法：自准直法自准直法。其中。其中小镜小镜要要按指导书按指导书P150图图9所示来所示来放置放置。）。）图图96a6b6c望远镜光轴望远镜光轴平面镜平面镜首页HYQ教案18在望远镜能接收平行光的基础上，利用在望远镜能接收平行光的基础上，利用“各半调节法

16、各半调节法”来调节，使从小镜两反射面反射回来的绿色十字像均来调节，使从小镜两反射面反射回来的绿色十字像均能与调整用准线（分划板上方的十字叉线）重合，这能与调整用准线（分划板上方的十字叉线）重合，这时绿色十字窗和绿色十字像的位置是关于测量用准线时绿色十字窗和绿色十字像的位置是关于测量用准线（分划板中心的十字叉线）上下对称。根据光的反射（分划板中心的十字叉线）上下对称。根据光的反射定律可知，这时望远镜光轴与小镜反射面垂直。两反定律可知，这时望远镜光轴与小镜反射面垂直。两反射面的反射像均与调整准线重合，说明小镜反射面与射面的反射像均与调整准线重合，说明小镜反射面与分光计中心轴平行。分光计中心轴平行。

17、望远镜光轴与分光计中心轴垂直调整望远镜光轴与分光计中心轴垂直调整两反射像两反射像分光板调整用的准线分光板调整用的准线重合重合。B面面反反射像射像A面面反反射像射像首页HYQ教案19分分光光计计中中心心轴轴线线望望远远镜镜光光轴轴两绿色反射像与调两绿色反射像与调整用准线重合，整用准线重合，首页HYQ教案20没有调好的没有调好的及及结论：结论：如果两镜如果两镜面反射象面反射象的的，要要，直到两镜直到两镜面面，才表明载才表明载物台已调物台已调好。好。ABA或或BAB首页HYQ教案21BA或或B没有调好的没有调好的及及A结论：结论：如果如果，但没落在但没落在上十字横上十字横线上，线上，使象，使象落在这

18、一落在这一横线上。横线上。首页HYQ教案22S(a)从平面镜反射从平面镜反射回的光亮绿十回的光亮绿十字像与分划板字像与分划板上横线间距为上横线间距为SS/2(b)调节调节载物台载物台调平调平螺钉螺钉6b或或6c，使，使十字像上移十字像上移S/2。(c)调节调节望远镜望远镜光轴仰角光轴仰角调节螺钉调节螺钉12，使十字使十字像位于分划板上方横像位于分划板上方横线处线处。图图5-26-11 实际上，载物台和望远镜同时没有调好是存在的，实际上，载物台和望远镜同时没有调好是存在的，因此常用的调整方法是下面介绍的因此常用的调整方法是下面介绍的“各半调节法各半调节法”，使亮十字像与上方的十字叉丝重合（见使亮

19、十字像与上方的十字叉丝重合（见图图5-26-11(c)）。）。首页HYQ教案232、平行光管出射平行光的调整、平行光管出射平行光的调整 望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操作作），从望远镜观察平行光管的光亮狭缝像，），从望远镜观察平行光管的光亮狭缝像，恰好位于恰好位于平平行光管透镜的焦平面行光管透镜的焦平面上，这时从望远镜中可清晰看上，这时从望远镜中可清晰看到狭缝的像呈现在分划板平面上（到狭缝的像呈现在分划板平面上（一条明亮的细一条明亮的细线线），这说明望远镜接收到的是平行光，也就是说，），这说明望远镜接收到的是平行光，也就是说，平行光管出射的是平行

20、光。平行光管出射的是平行光。所以所以从望远镜里可清晰看到狭从望远镜里可清晰看到狭缝的像呈现在分划板上且缝的像呈现在分划板上且无视差无视差，是是。首页HYQ教案24 在上一步的基础上，调节在上一步的基础上，调节（或望远镜）（或望远镜）的的，使狭缝细线像与十字叉线竖，使狭缝细线像与十字叉线竖线重合；然后线重合；然后，调节，调节，。这时平行光。这时平行光管光轴与望远镜光轴共线，也就与管光轴与望远镜光轴共线，也就与。3、平行光管光轴与分光计中心轴垂直的调整、平行光管光轴与分光计中心轴垂直的调整 可见，可见，是是判定标志判定标志。图（图（a）图（图（b）狭缝像狭缝像首页HYQ教案25 调整方法根据自准直

21、调整方法根据自准直法，用已调好的望远镜来法，用已调好的望远镜来进行。为了便于调整，把进行。为了便于调整，把三棱镜按下图所示位置放三棱镜按下图所示位置放置夹稳在载物台上，使置夹稳在载物台上，使平平台下三个螺钉台下三个螺钉6a、6b、6c中每两个的连线与三棱中每两个的连线与三棱镜的镜面正交镜的镜面正交。4、放置并调整三棱镜，使其侧面平行于分光计光轴、放置并调整三棱镜，使其侧面平行于分光计光轴根据实验内容的不同需要，置入待测元件后，还要根据实验内容的不同需要，置入待测元件后，还要进行相应的某些调节。进行相应的某些调节。望远镜望远镜6bCAB6c6a望远镜望远镜6cCAB6b6a首页HYQ教案26旋转

22、望远镜，使望远镜对准棱镜的一个折射面旋转望远镜，使望远镜对准棱镜的一个折射面AB，调节载物台下的调节载物台下的6a螺钉螺钉（注意此时（注意此时望远镜先前已调好望远镜先前已调好，不可再动不可再动仰角螺丝仰角螺丝，否则前面的调整就会前功尽弃），否则前面的调整就会前功尽弃），使在望远镜中能看到反射回来的亮十字像与分划板使在望远镜中能看到反射回来的亮十字像与分划板上方的十字准线重合上方的十字准线重合；再旋转望远镜，使望远镜对；再旋转望远镜，使望远镜对准棱镜另一折射面准棱镜另一折射面AC，调节载物台下的，调节载物台下的6b螺钉；以螺钉；以同样的方法反复进行上述调整，直到同样的方法反复进行上述调整，直到A

23、B、AC面反射面反射回来的亮十字像均和分划板上部的十字准线重合为回来的亮十字像均和分划板上部的十字准线重合为止。此时三棱镜的两个折射面均与分光计中心轴平止。此时三棱镜的两个折射面均与分光计中心轴平行。行。6cCAB6b6a望远镜望远镜望远镜望远镜首页HYQ教案27二二.测定三棱镜的顶角和最小偏向角（折射率）测定三棱镜的顶角和最小偏向角（折射率）测量顶角测量顶角测量最小偏向角测量最小偏向角首页HYQ教案28)()(211212重复测量三次，按公式重复测量三次，按公式 A=/2 求出顶角求出顶角A，计算其，计算其不确定度。不确定度。求出求出 A A和和A A。是否有错？将载物台和游标盘固连；将载物

24、台和游标盘固连；将望远镜和刻度盘固连。将望远镜和刻度盘固连。转动望远镜，按图转动望远镜，按图5-26-2所示的反射法，测量三所示的反射法，测量三棱镜棱镜顶角顶角A。记录下望远镜所处位置分别为。记录下望远镜所处位置分别为和和时时的两刻度盘读数的两刻度盘读数 和和 ，则，则11、22、首页HYQ教案29=2A游标游标游标游标位置位置：游标读数游标读数1 游标读数游标读数1 位置：位置：游标读数游标读数 游标读数游标读数)(211212min121241A首页HYQ教案30(1)将三棱镜放置于载物台上，将三棱镜放置于载物台上，使棱镜折射面与平行光管轴线使棱镜折射面与平行光管轴线的夹角约为的夹角约为3

25、0o（如图（如图26-15）。）。(2)观察偏向角的变化。轻缓转观察偏向角的变化。轻缓转动载物台，使折射光线沿偏向动载物台，使折射光线沿偏向角减小的方向移动。当看到在角减小的方向移动。当看到在载物台转到某个位置折射光线载物台转到某个位置折射光线将反方向移动，这将反方向移动，这一位置就是一位置就是图图26-15折射光线以最小偏向角出射的位置。读出此时的读折射光线以最小偏向角出射的位置。读出此时的读数圆盘两游标的读数数圆盘两游标的读数 1 1、1 1 。首页HYQ教案31(3)测定入射光方向。旋紧测定入射光方向。旋紧7、25螺钉，锁紧载物螺钉，锁紧载物台，移去三棱镜，将望远镜对准平行光管，使分台，

26、移去三棱镜，将望远镜对准平行光管，使分划板十字竖线对准狭缝中央，读出此时两游标的划板十字竖线对准狭缝中央，读出此时两游标的读数读数 2 2、2 2。(4)重复测量三次，由公式重复测量三次，由公式 和和 可以求出三棱镜对钠光的折射率可以求出三棱镜对钠光的折射率n。AAn21sin21sinmin 212121min首页HYQ教案321.分光计为精密仪器，各活动部分均应小心操作。分光计为精密仪器，各活动部分均应小心操作。当轻轻推动可转动部件而无法转动时，切记不能当轻轻推动可转动部件而无法转动时，切记不能强制使其转动，应分析原因后再进行调节。旋转强制使其转动，应分析原因后再进行调节。旋转各旋钮时动作

27、应轻缓；各旋钮时动作应轻缓；2.严禁用手触摸棱镜、平面镜和望远镜、平行光管严禁用手触摸棱镜、平面镜和望远镜、平行光管上各透镜的表面，严防棱镜和平面镜磕碰或跌落。上各透镜的表面，严防棱镜和平面镜磕碰或跌落。【注意事项】【注意事项】首页HYQ教案33次数次数望远镜位置望远镜位置位置位置位置位置1133o24 313o25 253o29 72o30 120o5119o559o47.5285o50265o52 205o49 25o47119o59119o55 59o58.53146o35 326o36 266o36 86o35 120o1119o5960o0.0211.测定三棱镜顶角测定三棱镜顶角A

28、（数据处理示例（数据处理示例）A112221211124A 顶角平均值：顶角平均值：0000059 47.559 58.560 0.059 5559.923A其中其中数据记录表格（参考）数据记录表格（参考）附：数据记录表格（参考格式）附：数据记录表格（参考格式）12360 12首页HYQ教案34顶角测量的不确定度：顶角测量的不确定度：A类：类：002002(5947.5 5955)(6000 5955)()3.93(3 1)AAu AS B B类：以仪器示值误差限为类：以仪器示值误差限为11计计 2222121221()()()()()414()411()0.29223BBBBBBBuAuuu

29、uuu2222()()()(3.9)(0.29)4CABuAuAuA所以所以 首页HYQ教案35三棱镜顶角的测量结果为：三棱镜顶角的测量结果为：059 554(59.920.07)oA相对不确定度：相对不确定度：EA=0.12%（P=0.68）首页HYQ教案36次次数数望远镜位置望远镜位置min位置位置位置位置11 12 22 212311222、测定最小偏向角、测定最小偏向角min 分光计编号：分光计编号：.平均值平均值 )(211212min2sin)(21sinminAAn棱镜对棱镜对的折射率的折射率首页HYQ教案37【思考题】【思考题】3、计算棱镜对、计算棱镜对的折射率为的折射率为2s

30、in)(21sinminAAn三棱镜对不同的色光的折射能力是不同，频率大的光折射三棱镜对不同的色光的折射能力是不同，频率大的光折射率大，也就是，波长越长则折射率越小率大，也就是，波长越长则折射率越小,即红光的折射率最即红光的折射率最小，而紫光最大。太阳光通过三棱镜时小，而紫光最大。太阳光通过三棱镜时,光束会发生折射光束会发生折射,不不同波长的光折射率不同同波长的光折射率不同,白光分解为红、橙、黄、绿、青、白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。蓝、紫七种颜色。首页HYQ教案38【思考题】【思考题】预预 习习 思思 考考 题题 2必做必做思思 考考 题题 3 4必做必做【思考题】【思考题】

31、首页HYQ教案39实验实验41 41 用分光计研究光栅光谱用分光计研究光栅光谱1、熟悉分光计的调节与使用；、熟悉分光计的调节与使用；2、观察光通过光栅的衍射现象，了解光栅的主要特、观察光通过光栅的衍射现象，了解光栅的主要特性；性；3、学会用透射光栅测定光栅常数、角分辨率、角色、学会用透射光栅测定光栅常数、角分辨率、角色散率及光波波长。散率及光波波长。【实验目的实验目的】【实验项目】【实验项目】课本课本P219实验实验41 用分光计研究光栅光谱用分光计研究光栅光谱首页HYQ教案40分光计，平面光栅，平面镜，汞灯。分光计，平面光栅，平面镜，汞灯。光栅是根据多缝衍射原理制成的一种分光元件。光栅是根据

32、多缝衍射原理制成的一种分光元件。平面光栅平面光栅 透射式光栅透射式光栅结构上分结构上分 阶梯光栅阶梯光栅，类型上分，类型上分 凹面光栅灯凹面光栅灯 反射式光栅反射式光栅本实验使用本实验使用透射式平面刻痕光栅透射式平面刻痕光栅。当光照射在透射式平面刻痕光栅上时，刻痕当光照射在透射式平面刻痕光栅上时，刻痕处由于散射不易透光，光线只能在刻痕间的狭缝处由于散射不易透光，光线只能在刻痕间的狭缝中通过。因此光栅实中通过。因此光栅实际上是一排密集、均际上是一排密集、均匀而又平行的狭缝。匀而又平行的狭缝。【实验仪器】【实验仪器】首页HYQ教案41【实验原理】【实验原理】首页HYQ教案421 1、利用、利用光栅

33、衍射测量光栅常数或光波波长光栅衍射测量光栅常数或光波波长 根据夫琅和费衍射理论，单色平行光束投射根据夫琅和费衍射理论，单色平行光束投射到光栅平面，在各个狭缝处发生衍射，衍射光相到光栅平面，在各个狭缝处发生衍射，衍射光相遇叠加产生干涉，形成的干涉亮条纹，称为遇叠加产生干涉，形成的干涉亮条纹，称为光栅光栅谱线谱线。入射入射单色光单色光 xfa b+（a+b）sin 屏屏O OOO abISin首页HYQ教案43这些条纹的亮暗和位置由光程差来确定，其中这些条纹的亮暗和位置由光程差来确定，其中亮条亮条纹纹满足下面的满足下面的光栅方程光栅方程:（K K=1=1，2 2，3 3，）其中其中 d=a+b 称

34、为光栅常数，称为光栅常数，为入射光的波长，为入射光的波长，K 为明条纹的级数，为明条纹的级数，k是是K级明条纹的衍射角。级明条纹的衍射角。如果入射光是复色光，如果入射光是复色光，则则除零级条纹外，对于除零级条纹外，对于其他的同级谱线，因各单色光的波长其他的同级谱线，因各单色光的波长不同，其衍不同，其衍射角也各不相同，于是复色入射光将被分解为单色射角也各不相同，于是复色入射光将被分解为单色光。因此，将出现按波长次序排列的单色谱线，称光。因此，将出现按波长次序排列的单色谱线，称为光栅的衍射光谱。相同为光栅的衍射光谱。相同K K值谱线组成的光谱称为值谱线组成的光谱称为K K 级光谱。级光谱。例如：例

35、如：KdKsin首页HYQ教案44光波波长测量光波波长测量 如果已知光栅常数如果已知光栅常数d，用分光计测出，用分光计测出K级光级光谱中某一条纹的衍射角，按光栅方程即可算出谱中某一条纹的衍射角，按光栅方程即可算出该条纹所对应的单色光的波长该条纹所对应的单色光的波长；光栅常数光栅常数d 测量测量 若已知某单色光的波长为若已知某单色光的波长为，用分光计测出，用分光计测出K级光谱中该色条纹的衍射角，即可算出光栅级光谱中该色条纹的衍射角，即可算出光栅常数常数d。KdKsin（K=1，2，3，）首页HYQ教案452 2、利用、利用光栅衍射测量光栅的角色散率光栅衍射测量光栅的角色散率 从光栅方程可知，对给

36、定的光栅（即从光栅方程可知，对给定的光栅（即d一定），一定），衍射角衍射角 k与波长有关，除零级谱线外，其它级次的与波长有关，除零级谱线外，其它级次的谱线按不同的波长而彼此分开。光栅的这种色散能谱线按不同的波长而彼此分开。光栅的这种色散能力用力用角色散率角色散率来表示。它来表示。它定义为同级光谱中两条相定义为同级光谱中两条相近的谱线衍射角之差近的谱线衍射角之差 与其波长差与其波长差之比。之比。即即对光栅方程微分，即得对光栅方程微分，即得角色散率角色散率可见，在光栅常数可见，在光栅常数 d 已知时，只要测得某级谱线得已知时，只要测得某级谱线得衍射角，就可由上式算出该波长得角色散率衍射角，就可由上

37、式算出该波长得角色散率D。DcosdKD 首页HYQ教案463、利用、利用光栅衍射测量光栅的分辨本领光栅衍射测量光栅的分辨本领分辨本领分辨本领：（光栅的另一个基本特性参数（光栅的另一个基本特性参数）定义为定义为两条刚可被分辨开的谱线的波长差除以它两条刚可被分辨开的谱线的波长差除以它们的平均波长，即们的平均波长，即何谓何谓两条刚可被分辨开的谱线？两条刚可被分辨开的谱线？按瑞利条件，两条刚可被分辨开的谱线就是按瑞利条件，两条刚可被分辨开的谱线就是其中一条谱线的最其中一条谱线的最亮处正好落在另一亮处正好落在另一条谱线的最暗处。条谱线的最暗处。由此条件可推算由此条件可推算得得N为刻痕条数。因为为刻痕条

38、数。因为K不很大，所以不很大，所以R主要由主要由N决定。决定。kNR R恰恰能能分分辨辨不不能能分分辨辨首页HYQ教案47（1）分光计调整）分光计调整 按分光计使用要求调节好分光计，要求达到：按分光计使用要求调节好分光计，要求达到：望远镜适应接收平行光；望远镜适应接收平行光；平行光管出射平行光；平行光管出射平行光；望远镜和平行光管光轴均垂直于仪器主轴。望远镜和平行光管光轴均垂直于仪器主轴。（2）光栅放置与调整）光栅放置与调整 按图所示放置光栅在在物台上。按图所示放置光栅在在物台上。对光栅放置的调整要求是，对光栅放置的调整要求是，光栅平面光栅平面垂直与平行光管的光轴垂直与平行光管的光轴(用自准直

39、法：用自准直法：调节载物台下螺丝调节载物台下螺丝b或或c使绿十字和上叉丝重合）；使绿十字和上叉丝重合）；光栅刻痕与仪器中心转轴平行（调节光栅刻痕与仪器中心转轴平行（调节a使左右的使左右的谱线中央均在水平叉丝上）。谱线中央均在水平叉丝上）。【实验内容与步骤】【实验内容与步骤】bca16页分光计调节页分光计调节1、分光计调整与光栅放置、分光计调整与光栅放置首页HYQ教案48转动望远镜，测出转动望远镜，测出+1级、级、-1级的绿光谱线的衍射角级的绿光谱线的衍射角 ，测量，测量6次，列表记录数据，并进行数据处理计算出次，列表记录数据，并进行数据处理计算出d值。（已知值。（已知绿绿=546.07nm）看

40、下页图）看下页图 应用公式应用公式R=kN 和和N=l/d 或公式或公式计算出光栅分辨本领计算出光栅分辨本领R，l 为平行光管通光孔径（由为平行光管通光孔径（由实验室提供）。实验室提供）。测量测量+1级、级、-1级的两黄光谱线的衍射角，求出波长级的两黄光谱线的衍射角，求出波长黄黄1、黄黄2；应用公式；应用公式D=/算出角色散率算出角色散率D。R2、光栅常数、光栅常数d和光栅分辨本领和光栅分辨本领R的测量的测量3、光波波长和光栅角色散率、光波波长和光栅角色散率D的测量的测量首页HYQ教案492+1+1-1-1)22(211111首页HYQ教案50-1+1)22(2111111级谱线位置级谱线位置

41、：游标读数游标读数1 游标读数游标读数1 1级谱线位置级谱线位置：游标读数游标读数 游标读数游标读数 2首页HYQ教案511.零级谱线很强，长时间观察会伤害眼睛，观察时必零级谱线很强，长时间观察会伤害眼睛，观察时必须在狭缝前加一两层白纸以减弱光强。须在狭缝前加一两层白纸以减弱光强。2.汞灯的紫外线很强，不可直视。汞灯的紫外线很强，不可直视。3.汞灯在使用时不要频繁启闭，否则会降低其寿命。汞灯在使用时不要频繁启闭，否则会降低其寿命。1.对于同一光源，分别利用光栅分光和棱镜分光，所对于同一光源，分别利用光栅分光和棱镜分光，所产生的光谱有何区别？产生的光谱有何区别？2.用公式用公式 测量时应保证什么

42、条件？测量时应保证什么条件？如何保证？如何保证？3.分光计调整的要求有哪些？分光计调整的要求有哪些？4.如果光栅平面与转轴平行，但刻痕与转轴不平行，如果光栅平面与转轴平行，但刻痕与转轴不平行，则整个光谱有什么异常？则整个光谱有什么异常？KdKsin首页HYQ教案52次次数数望远镜位置望远镜位置位置位置位置位置+1+1+1-1-1-1-11231111分光计编号：分光计编号：.平均值平均值 )22(211111首页HYQ教案53预预 习习 思思 考考 题题1（必做）（必做）2（必做）（必做）思思 考考 题题1（必做）（必做）4（必做）必做）当用波长为当用波长为589.3nm的钠黄光垂直照射到每的

43、钠黄光垂直照射到每毫米具有毫米具有500条刻痕的平面透射光栅上时，最多能观察条刻痕的平面透射光栅上时，最多能观察到第几级谱线？到第几级谱线？答：答：由由(a+b)sin =k 得得 k=(a+b)/sin 最大为最大为90 所以所以 sin =1 又又a+b=1/500mm=2 10-6m，=589.0nm=589.0 10-9m k=（210-6/589.0）10-9=3.4 最多只能看到三级光谱。最多只能看到三级光谱。首页HYQ教案54 光程和光程差概念光程和光程差概念在光介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点在光介质中传播时，光振动的相位沿传播方向逐点落后。若光在折射率为落后。若光在折

44、射率为n的介质中传播通过的路程的介质中传播通过的路程为为r，则光振动相位落后的值为，则光振动相位落后的值为nr2式中的式中的nr就成为与路程相应的光程。由光程差引就成为与路程相应的光程。由光程差引起的相位差的关系为起的相位差的关系为 相位差相位差=光程差光程差 2首页HYQ教案551.从实验中加深从实验中加深理解等厚干涉原理理解等厚干涉原理及定域干涉的概念；及定域干涉的概念；2.掌握掌握读数显微镜读数显微镜的调节与使用；的调节与使用；3.掌握掌握用牛顿环测定透镜的曲率半径用牛顿环测定透镜的曲率半径和观测劈尖干涉条和观测劈尖干涉条纹的方法。纹的方法。4.学会用逐差法处理实验数据。学会用逐差法处理

45、实验数据。【实验目的实验目的】实验实验42 牛顿环牛顿环实验实验17 等厚干涉实验等厚干涉实验首页HYQ教案56【实验仪器】【实验仪器】读数显微镜、牛顿环和劈尖装置、钠光灯。读数显微镜、牛顿环和劈尖装置、钠光灯。【实验仪器】【实验仪器】牛顿环牛顿环框架框架 F F上有三个螺丝上有三个螺丝H，用于调节平凸透镜，用于调节平凸透镜L和和玻璃平板玻璃平板P之间的接触，以改变干涉环的位置和形状。之间的接触，以改变干涉环的位置和形状。调节调节 H 时不能过紧，以免接触压力过大引起透镜弹性形时不能过紧，以免接触压力过大引起透镜弹性形变，从而减小等厚干涉图形形变。变，从而减小等厚干涉图形形变。牛顿环装置牛顿环

46、装置LPFOH主尺移动主尺移动 1mm，读数鼓轮转一圈。读数鼓轮转一圈。读数鼓轮一圈分读数鼓轮一圈分100格，格，分度值为分度值为0.01mm主尺读数：主尺读数：15mm读数鼓轮读数：读数鼓轮读数：0.506mm最后读数读数：最后读数读数：15.506mm首页HYQ教案571.1.等厚干涉等厚干涉 如何产生等厚干涉？如何产生等厚干涉？当光源照到一块由透明介质做的薄膜上时，光在薄当光源照到一块由透明介质做的薄膜上时，光在薄膜的上表面被分割成膜的上表面被分割成反射和折射反射和折射两束光（分振幅），折两束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又经上表面折射，最后回射光在薄膜的下表面反射后，又经上

47、表面折射，最后回到原来的媒质中，在这里与反射光到原来的媒质中，在这里与反射光交迭，发生相干交迭，发生相干。只。只要光源发出的光束足够宽，相干光束的交迭区可以从薄要光源发出的光束足够宽，相干光束的交迭区可以从薄膜表面一直延伸到无穷远。膜表面一直延伸到无穷远。当当平行光平行光照照到一块透明介质的到一块透明介质的薄膜上时，薄膜上时，薄膜薄膜厚度相同厚度相同处产生处产生同同一级的干涉条纹一级的干涉条纹，厚度不同处产生，厚度不同处产生不同级的干涉条纹。这种干涉称为不同级的干涉条纹。这种干涉称为等厚干涉。等厚干涉。【实验原理】【实验原理】ABCDn1e1212n1n2i等厚干涉等厚干涉 首页HYQ教案58

48、入射光线入射光线LPRrdO空气的折射率空气的折射率 n=1 ；/2是光线在薄层下表面反射有半波损失而引入的是光线在薄层下表面反射有半波损失而引入的附加光程差附加光程差。两反射光线的两反射光线的光程差光程差为为2222dnd钠光灯钠光灯牛顿环牛顿环是由一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一个平是由一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一个平面玻璃接触在一起构成，平凸透镜的凸面与玻璃片之间的面玻璃接触在一起构成，平凸透镜的凸面与玻璃片之间的空气层厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。空气层厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。当以平行单色光垂直入射当以平行单色光垂直入射牛顿环仪牛顿环仪时，入射光在空气薄层的上时，

49、入射光在空气薄层的上下两表面反射，形成的两束下两表面反射，形成的两束和和相干光在薄层附近相遇叠加干涉相干光在薄层附近相遇叠加干涉，其，其干涉图样干涉图样：中心是一暗圆斑，而周围是许多明暗相间、间隔逐中心是一暗圆斑，而周围是许多明暗相间、间隔逐渐减小的渐减小的同心环，称为牛顿环同心环，称为牛顿环，它属于，它属于等厚干涉条纹等厚干涉条纹。2用用牛顿环牛顿环测透镜的曲率半径测透镜的曲率半径首页HYQ教案592)12(k（明条纹）（明条纹）（暗条纹）（暗条纹）*k 级为级为2)12(2Rkrk（k=0，1，2，）k22kkdROrd入射光线入射光线LPkRrk2（k=0,1,2,）22Rrk则则根据根

50、据光的干涉条件光的干涉条件：由几何关系式由几何关系式 R2=(R-d)2+rk2 R d，忽略，忽略d 2，有，有Rrdk22k 级相干光的光程差级相干光的光程差为：为：首页HYQ教案60测量方法：测量方法：用两个暗环（或明环）的半径平方的差用两个暗环（或明环）的半径平方的差来计算来计算R时，可以消除因附加光程差而产生的误差。时，可以消除因附加光程差而产生的误差。对于第对于第m环暗环半径环暗环半径:对于第对于第n环暗环半径环暗环半径:R为牛顿环直径。实验中波长为牛顿环直径。实验中波长已知，所以只要测量已知，所以只要测量第第m环和第环和第n环的直径环的直径 Dm、Dn，就可以计算出，就可以计算出