目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)

評(píng)分：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目：目測(cè)法測(cè)透射光柵常數(shù)班級(jí)：計(jì)算機(jī)08-2姓名：周兆國(guó)學(xué)號(hào)：39指導(dǎo)教師：李天樂(lè)

茂名學(xué)院物理系大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)日期：2009年12月4日實(shí)驗(yàn)15《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(méi)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(xiě)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(xiě)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，寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可按書(shū)寫(xiě)科學(xué)論文的格式書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)要求⑴通過(guò)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(guò)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(xiě)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(guò)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(xiě)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3m/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(shuō)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/mm⑵米尺：3m/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。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，要求用紙質(zhì)版(電子版用電子郵件發(fā)送到指導(dǎo)教師的電子郵箱里)供教師修改。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(méi)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(shū)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)量光柵常數(shù)一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察光柵的衍射光譜，并學(xué)會(huì)畫(huà)出簡(jiǎn)單的光路圖。

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)我們對(duì)問(wèn)題的分析能力、對(duì)事物的觀察能力、自己的動(dòng)手操作能力以及解決問(wèn)題的能力。4、培養(yǎng)我們實(shí)事求是的工作態(tài)度，培養(yǎng)我們的物理興趣。

二

實(shí)驗(yàn)儀器：

透射光柵（光柵參數(shù)為：300/mm）

米尺（10m/0.005m）

激光器三

實(shí)驗(yàn)原理：圖1光柵衍射原理示意圖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(guò)，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(guò)每個(gè)狹縫的光都發(fā)生衍射，而衍射光通過(guò)透鏡后便互相干涉。設(shè)光波波長(zhǎng)為，狹縫和刻痕的寬度分別為和,則通過(guò)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，以此類推。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(guò)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.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：圖2實(shí)驗(yàn)衍射光路示意圖如上圖，現(xiàn)在用目測(cè)法測(cè)量光柵常數(shù)，可以用眼睛作為一個(gè)凸透鏡，若將平行光垂直照射在光柵上，從光柵的另一面用眼睛觀察，可以發(fā)現(xiàn)在對(duì)面墻壁上有像產(chǎn)生，其實(shí)是虛像點(diǎn)。即如上圖，當(dāng)知道和，可以計(jì)算出光柵到各級(jí)衍射條紋的垂直距離，為=。因此可以通過(guò)=,求得/（2）用激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，查出此激光波長(zhǎng)。當(dāng)=1時(shí),可以得到d=.所以，=/;當(dāng)=2時(shí),可以得到=.所以，d=2/，以此類推，求出各個(gè)并取平均值。2.實(shí)驗(yàn)步驟：1.打開(kāi)激光器，將激光斜射在固定在墻上的長(zhǎng)紙條中心處，在距離激光點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的地方（S>>10），適當(dāng)?shù)恼{(diào)整擺放在桌面的光柵，使透過(guò)光柵看紙條的視線垂直于紙條。2.透過(guò)光柵仔細(xì)觀察，將可以看到紙條上有一級(jí)一級(jí)紅色的衍射光斑虛像，在激光器兩邊依次排開(kāi)。分別為一級(jí)衍射光斑，二級(jí)衍射光斑......3.用筆在紙條上記下激光光點(diǎn)位置A，再記下一級(jí)衍射光斑虛像的位置B.C。4.用直尺量出點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離，為，再測(cè)出點(diǎn)A到C的距離，為，用米尺量出光柵到墻的垂直距離S。5.改變光柵到墻的垂直距離S，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，并記錄所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)記錄：實(shí)驗(yàn)日期：2009年12月4日目測(cè)法測(cè)量透射光柵常數(shù)：光柵到墻壁的距離180017001600光斑到零級(jí)的距離（左）（右）（左）（右）（左）（右）351.00351.50332.00331.20307.50308.00351.25331.60307.75光柵常數(shù)3.303.303.353.32儀器誤差：0.1激光波長(zhǎng)：指導(dǎo)老師簽名：五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：光柵到墻壁的距離180017001600光斑到零級(jí)的距離（左）（右）（左）（右）（左）（右）351.00351.50332.00331.20307.50308.00351.25331.60307.75光柵常數(shù)3.303.313.353.32儀器誤差：0.1激光波長(zhǎng)：六數(shù)據(jù)處理：對(duì)于第一組數(shù)據(jù)：不確定度的計(jì)算：，又，，同理：對(duì)于第二組數(shù)據(jù)，可得：對(duì)于第三組數(shù)據(jù)，可得：由以上三組數(shù)據(jù)可看出：所以，相對(duì)不確定度用表示，七實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)：八討論：1.思考題⑴光柵與光源之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？答：光柵與光源之間的距離大約3米比較合適，因?yàn)楣鈻诺焦庠粗g的距離如果大于10倍的一級(jí)明斑到光源的距離，這樣的測(cè)量結(jié)果比較精確。⑵眼睛與光柵的距離對(duì)測(cè)量有沒(méi)有影響？答：眼睛與光柵的距離對(duì)測(cè)量沒(méi)有的影響，因?yàn)檠苌浜蟮墓饴肥谴_定的，所以只要保證能透過(guò)光柵看到虛像，無(wú)論眼睛如何動(dòng)，虛像都不會(huì)有變化。⑶光屏和光源是否一定要在一個(gè)平面內(nèi)？答：光屏和光源是一定要在一個(gè)平面內(nèi)，因?yàn)檫@樣做可以更加方便測(cè)量出的距離。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？答：應(yīng)采用單次測(cè)量，這樣做已經(jīng)滿足實(shí)驗(yàn)精度的要求。2.實(shí)驗(yàn)心得：通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)讓我學(xué)會(huì)了目測(cè)法測(cè)量透射光柵常數(shù)的方法，在做實(shí)驗(yàn)前要多思考，學(xué)會(huì)發(fā)散思維，把以前所學(xué)過(guò)的物理知識(shí)用上，這樣才能設(shè)計(jì)好最佳的實(shí)驗(yàn)方案。在描點(diǎn)的時(shí)候，兩只眼都睜開(kāi)觀察虛像更加準(zhǔn)確，而且兩個(gè)人要配合的默契，讀數(shù)和測(cè)量要精準(zhǔn)，才能得出最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。感謝學(xué)校給了我這樣一個(gè)親自動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，這不僅鍛煉了我的思考能力，更重