大学物理实验教案

实验名称：光栅衍射法测定光波长

1 实验目的

1）熟练分光计的调节。

2）理解光栅衍射现象；

3）学习用光栅衍射法测定光的波长。

2 实验器材

分光计、平面透射光栅、汞灯、平面反射镜

3 实验原理

3.1 实验原理

光栅和棱镜一样，是重要的分光光学元件，已广泛应用在光栅光谱仪、光栅单色仪等。光栅是一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝。它分为透射光栅和反射光栅两种。应用透射光工作的称为透射光栅，应用反射光工作的称为反射光栅。现代制造光栅主要有刻划光栅、复制光栅和全息光栅等形式。本实验用的是平面透射光栅。

描述光栅特征的物理量是光栅常数d，其大小等于狭缝宽度a与狭缝间不透光部分的宽度b之和，即d?a?b，习惯上用单位毫米里的狭缝数目N 来描述光栅特性。光栅常数d与N的关系为

d?1

N （1）

根据夫琅禾费衍射理论，波长为λ的平行光束垂直入射到光栅平面上时，透射光将形成衍射现象，即在一些方向上由于光的相互加强后光强度特别大，而其他的方向上由于光的相消后光强度很弱就几乎看不到光。图40-1给出了形成光栅衍射的光路图。如果入射光源为线光源，经过光栅后衍射图样为一些相距较大的锐利的色彩斑斓的明亮条纹组成。而这些亮条纹

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华南师范大学实验报告

学生姓名 学 号 专 业 化学 年级、班级 课程名称实验项目

实验类型 □验证 □设计 □综合 实验时间 2012 年 3 月 21 实验指导老师 实验评分

一、实验目的：

1、加深对光的衍射和光栅分光作用基本原理的理解。

2、学会用透射光栅测定光波的波长及光栅常数。

二、实验原理： 如图1所示，自透镜L1射出的平行光垂直地照射在光栅Ｇ上。

透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的Pθ点。产生衍射亮条纹的条件可由光栅方程求得：

dsin??k?（k＝?1，?2，…，?n） （1）

式中?角是衍射角，?是光波波长，k是光谱级数，d是光栅

常数。当k＝０时，根据（1）式，任何波长的光都在??0的方向上，即各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱，对于k

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实验七 用透射光栅测量光波波长及角色散率

一、 目的：

1 加深对光的衍射理论及光栅分光原理的理解；

2 掌握用透射关光栅测定光波波长、光栅常数及角色散率的方法。 3 测量光波波长。 二、 仪器及用具

分光计、透射光栅、汞灯。 三、 原理

1光栅衍射及光波波长的测定

由夫琅和费衍射理论，当波长为?的单色光垂直入射至光栅上，满足光栅方程

??k? （k?0,1,2,3,?） （1） dsin

时，?方向的光加强，其余方向的光几乎完全抵消。式中d为光栅常数，?为衍

射角。若已知?，则可求d；若已知d，则可求?。 2 光栅的角色散率

光栅在?方向的角色散率为

??kD?? （2）

??dsin?

测出d及?，可求出该方向的角色散率D。 四、实验内容

1 仪器调节

分光计的调节，见实验三。载物台调水平后，使光栅平面与入射光垂直。 2 测光波波长、光栅常数、角色散率

以汞灯的绿谱线5460?7A为已知，取k?1，测该谱线左、右衍射光的角位置T1、T2，则衍射角??a) 绿光

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实验40 光栅衍射法测定光波长实验报告书写纲要 1 实验目的

2 实验原理

2.1 光栅衍射

2.2 光栅衍射法测量光波长的方法

2.3 分光计调节步骤

2.4 衍射角测量步骤

3 实验数据与处理

3.1 实验数据

用规范的表格列出实验数据并进行数据检验结果说明。

3.2 数据处理

给出各个直接测量物理量的平均值、标准偏差以及仪器极限误差等数据。 进行各个直接测量物理量的测量不确定度计算。

进行光波长测量平均值计算。

进行光波长测量不确定度计算。

注意：计算过程表述必须完整、严密。

4 实验结果

结果文字说明时必须说清什么光的波长。

5讨论

可以谈体会、方法改进、新方法、提高测量精确度、回答讨论题等。

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实验4.11 衍射光栅的特性与光波波长的测量

衍射光栅由大量等宽、等间距、平行排列的狭缝构成。实际使用的光栅可以用刻划、复制或全息照相的方法制作。衍射光栅一般可以分为两类：用透射光工作的透射光栅和用反射光工作的反射光栅。本实验使用的是透射光栅。

根据多缝衍射的原理，复色光通过衍射光栅后会形成按波长顺序排列的谱线，称为光栅光谱，所以光栅和棱镜一样是一种重要的分光光学元件。在精确测量波长和对物质进行光谱分析中普遍使用的单色仪、摄谱仪就常用衍射光栅构成色散系统。

本实验要求：理解光栅衍射的原理，研究衍射光栅的特性；掌握用衍射光栅精确测量波长的原理和方法；进一步熟悉分光计的工作原理和分光计的调节、使用方法。

【实验原理】

1．光栅常数和光栅方程

图4.11—1 衍射光栅

衍射光栅由数目极多，平行排列且宽度、间距都相等的狭缝构成，用于可见光区的光栅每毫米缝数可达几百到上千条。设缝宽为a，相邻狭缝间不透光部分的宽度为b，则缝间距d = a + b就称为光栅常数(图4.11—1)，这是光栅的重要参数。

根据夫琅和费衍射理论，波长?的平行光束垂直投射到光栅平面上时，光波将在每条狭缝处发生衍射，各缝的衍射光在叠加处又会产生干涉，干涉结果决定于光程差。因为光栅各狭缝间距相等，所以相邻狭缝沿θ方向衍射光束的光程差都是 d sinθ(图4.11—1)。θ是衍射光束与光栅法线的夹角，称为衍射角。

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利用光栅测量任意入射角下的光波波长

@被偷吃的巧克力

（北京市海淀区西土城路十号 100876）

摘 要：以光栅衍射方程为理论依据, 在在垂直入射和斜入射的情况下，通过光栅来测定光波波长。利用光栅测定入射角的大小。通过数据处理以及不确定度的计算，得到了与理论值非常接近的实验结果，误差不超过0.35%。 关键词：光栅；衍射；分光计；光波波长

中图分类号：O436.1文献标识码：A

Using optical grating to measure the wavelength of light at any

incidence angle

xx

(Xitucheng road 10,Haidian District, Beijing,100876, China)

Abstract：with the diffraction grating equation as a theoretical basis, in the case of vertical incidence and oblique incidence, determine the wavelength of light through the grating. determine the size of the angle of incidence using the grating technique. by data processing and the calculation of the degree of uncertainty, we obtained a result very close to the theoretical value, the error not exceeding 0.35%.

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实验7 用透射光栅测量光波波长

实验目的

1． 加深对光栅分光原理的理解。

2． 使用透射光栅测定光栅常数，光栅角色散和光波波长。

3．熟悉分光计的调节和使用，并了解在测量中影响测量精度的因素。 仪器和用具

分光计，平面透射光栅，汞灯。

实验原理

光栅是重要的分光元件，和棱镜一样，被广泛应用于单色仪，摄谱仪等光学仪器中。光栅实际上是一组数量极大的平行排列的，等宽、等距狭缝。应用透射光工作的称为透射光栅，应用反射光工作的称为反射光栅。本实验采用透射光栅进行测量。

如图7-1所示，设S为

位于透镜L1物方焦面上的细

长狭缝光源，G为光栅，光

栅上相邻狭缝的间距d称为

光栅常数。自光源经透镜垂

直入射于光栅平面的平行光

经单个狭缝产生衍射，与光

栅法线成?角的衍射光经透

镜L2会聚于象方焦平面的P? 图7-1

点，其产生亮条纹的条件由

光栅方程决定，式中?为衍

dsin??k? (7-1)

射角，?为光波波长，k是光谱级数(k = 0，±1，±2…)。当k = 0时，在?= 0 处，各种波长的亮线重叠在一起，形成白色的明亮零级条纹。对于k的其它数值，不同波长的亮纹出现在不同方向上，形成光谱，此时各波长的亮线称为光谱线。而与k的正、负两组值所对应的两组光谱则对称地分布在零级象的两侧。因此，可以根据式(7-1)在测定衍射角?的条件下，确定通常在k=±1时的d和?间关系，也就是说只要知道光栅常数d，就可以求出未知光波长?，反过来也是一样。这样就为我们进行光谱分析提供了方便而快捷的方法。式(7-1)

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