【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?

觀察光柵的衍射光譜，掌握用分光計(jì)和透射光柵測光波波長的方法。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

分光計(jì)，透射光柵，鈉光燈，白熾燈。

【實(shí)驗(yàn)原理】

光柵是一種非常好的分光元件，它可以把不同波長的光分開并形成明亮細(xì)窄的譜線。

光柵分透射光柵和反射光柵兩類，本實(shí)驗(yàn)采用透射光柵，它是在一塊透明的屏板上刻上大量相互平行等寬而又等間距刻痕的元件，刻痕處不透光，未刻處透光，于是在屏板上就形成了大量等寬而又等間距的狹縫。刻痕和狹縫的寬度之和稱為光柵常數(shù)，用d 表示。

由光柵衍射的理論可知，當(dāng)一束平行光垂直地投射到光柵平面上時(shí)，透過每一狹縫的光都會(huì)發(fā)生單縫衍射，同時(shí)透過所有狹縫的光又會(huì)彼此產(chǎn)生干涉，光柵衍射光譜的強(qiáng)度由單縫衍射和縫間干涉兩因素共同決定。用會(huì)聚透鏡可將光柵的衍射光譜會(huì)聚于透鏡的焦平面上。凡衍射角滿足以下條件

k = 0， ±1， ±2， … (10)

的衍射光在該衍射角方向上將會(huì)得到加強(qiáng)而產(chǎn)生明條紋，其它方向的光將全部或部分抵消。式（10）稱為光柵方程。式中d為光柵的光柵常數(shù)，θ為衍射角，λ為光波波長。當(dāng)k=0時(shí)，θ= 0得到零級(jí)明紋。當(dāng)k = ±1， ±2 …時(shí)，將得到對稱分立在零級(jí)條紋兩側(cè)的一級(jí)，二級(jí) … 明紋。

實(shí)驗(yàn)中若測出第k級(jí)明紋的衍射角θ，光柵常數(shù)d已知，就可用光柵方程計(jì)算出待測光波波長λ。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】

1．分光計(jì)的調(diào)整

分光計(jì)的調(diào)整方法見實(shí)驗(yàn)1。

2．用光柵衍射測光的波長

（1）要利用光柵方程(10)測光波波長，就必須調(diào)節(jié)光柵平面使其與平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直。先用鈉光燈照亮平行光管的狹縫，使望遠(yuǎn)鏡目鏡中的分劃板上的中心垂線對準(zhǔn)狹縫的像，然后固定望遠(yuǎn)鏡。將裝有光柵的光柵支架置于載物臺(tái)上，使其一端對準(zhǔn)調(diào)平螺絲a ，一端置于另兩個(gè)調(diào)平螺絲b、c的中點(diǎn)，如圖12所示，旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤并調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲b或c ，當(dāng)從光柵平面反射回來的“十”字像與分劃板上方的十字線重合時(shí)，如圖13所示，固定游標(biāo)盤。

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圖12 光柵支架的位置 圖13 分劃板

（2）調(diào)節(jié)光柵刻痕與轉(zhuǎn)軸平行。用鈉光燈照亮狹縫，松開望遠(yuǎn)鏡緊固螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡可觀察到0級(jí)光譜兩側(cè)的±1、±2 級(jí)衍射光譜，調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲a （不得動(dòng)b、c）使兩側(cè)的光譜線的中點(diǎn)與分劃板中央十字線的中心重合，即使兩側(cè)的光譜線等高。重復(fù)（1）、（2）的調(diào)節(jié)，直到兩個(gè)條件均滿足為止。

（3）測鈉黃光的波長

① 轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，找到零級(jí)像并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個(gè)角度θ0和θ0/，并記入表4 中。

② 右轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，找到一級(jí)像，并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個(gè)角度θ右和θ右/，并記入表4中。

③ 左轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，找到另一側(cè)的一級(jí)像，并使之與分劃板上的中心垂線重合，讀出刻度盤上對徑方向上的兩個(gè)角度θ左和θ左/，并記入表4中。

3．觀察光柵的衍射光譜。

將光源換成復(fù)合光光源（白熾燈）通過望遠(yuǎn)鏡觀察光柵的衍射光譜。

【注意事項(xiàng)】

1．分光計(jì)的調(diào)節(jié)十分費(fèi)時(shí)，調(diào)節(jié)好后，實(shí)驗(yàn)時(shí)不要隨意變動(dòng)，以免重新調(diào)節(jié)而影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

2．實(shí)驗(yàn)用的光柵是由明膠制成的復(fù)制光柵，衍射光柵玻璃片上的明膠部位，不得用手觸摸或紙擦，以免損壞其表面刻痕。

3．轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡前，要松開固定它的螺絲；轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，手應(yīng)持著其支架轉(zhuǎn)動(dòng)，不能用手持著望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。

【數(shù)據(jù)記錄及處理】

表4 一級(jí)譜線的衍射角

零級(jí)像位置



左傳一級(jí)像
位置



偏轉(zhuǎn)角



右轉(zhuǎn)一級(jí)像
位置



偏轉(zhuǎn)角



偏轉(zhuǎn)角平均值



光柵常數(shù)

鈉光的波長λ0 = 589.3 nm

根據(jù)式（10） K=1， λ= d sin 1=

相對誤差

【思考題】

1． 什么是最小偏向角？如何找到最小偏向角？

2． 分光計(jì)的主要部件有哪四個(gè)？分別起什么作用？

3． 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸時(shí)很重要的一項(xiàng)工作是什么？如何才能確保在望遠(yuǎn)鏡中能看到由雙面反射鏡反射回來的綠十字叉絲像？

4． 為什么利用光柵測光波波長時(shí)要使平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸與光柵平面垂直？

5． 用復(fù)合光源做實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到了什么現(xiàn)象，怎樣解釋這個(gè)現(xiàn)象？