大學(xué)物理設(shè)計實驗光的色散研究.doc

評分： 大學(xué)物理實驗設(shè)計性實驗實 驗 報 告實驗題目： 光的色散研究 班 級： 姓 名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 實驗題目：光的色散研究實驗提要：最小偏向角與入射光的波長有關(guān)，折射率也隨不同波長而變化。折射率與波長之間的關(guān)系曲線稱為色散曲線。本實驗以高壓汞燈為光源，用汞燈的光譜譜線的波長作為已知數(shù)據(jù)，測量其通過三棱鏡后所對應(yīng)的各最小偏向角，算出與 對應(yīng)的值，在直角坐標系中做出三棱鏡的色散曲線。用同一個三棱鏡測出鈉光譜譜線的最小偏向角，計算相對應(yīng)的折射率，用圖解插值法即可在三棱鏡的色散曲線上求出鈉光譜譜線的波長。實驗?zāi)康?.進一步加深對分光計的認識，掌握調(diào)整和使用分光計的方法。2.掌握測定棱鏡頂角的方法。3.掌握用最小偏向角法各色光線折射率的方法。實驗儀器分光計、三棱鏡、高壓汞燈實驗原理圖一1.玻璃三棱鏡折射率的測量原理圖一表示單色光在三棱鏡主截面（垂直于兩折射面的截面）內(nèi)的折射。PD為入射光線，兩次折射后沿EP方向出射。入射光線與出射光線之間的夾角叫做偏向角，從圖中可見 FDEFED （i1- 1）+（ - 2）因為頂角 A1+2所以 （i1 + ）-A （0-3-1）對于給定的棱鏡，其頂角A和相對于空氣的折射率n都有一定值，因而偏向角只隨入射角i1而改變。可以證明，當(dāng)i1時，偏向角有極小值min ，稱為棱鏡對某單色光的最小偏向角，將i1代入（0-3-1）式，得min2 i1A或 i1（min+A）/ 2而A1221，即1=A/2,由折射定律可得： （0-3-2）用分光計測出三棱鏡頂角A和棱鏡對某單色光的最小偏向角min，就可以用（0-3-2）式求出棱鏡玻璃材料對空氣的相對折射率n 。此法稱為最小偏向角法。由于透明介質(zhì)材料的折射率是光波波長的函數(shù)，故同一棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率。當(dāng)復(fù)色光經(jīng)過棱鏡折射后，不同波長的光將產(chǎn)生不同的偏向而被分散開來。ACB圖二2.棱鏡頂角的測量方法用自準法測量三棱鏡頂角 當(dāng)望遠鏡已調(diào)焦無窮遠，則望遠鏡自身產(chǎn)生平行光。用小燈照亮目鏡中的雙十字叉絲，固定平臺，旋轉(zhuǎn)望遠鏡正對AB面，如右圖，使從AB面反射回來的十字像位于上叉絲中央，記錄兩游標的讀數(shù) 1和 1。轉(zhuǎn)動望遠鏡到AC面，再測出AC面反射回來的十字像位于上叉絲中央時讀數(shù) 2和 2 。兩次讀數(shù)之差即為望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度，即（0-3-3）由圖二可以看出，為棱鏡頂角A的補角，故棱鏡的頂角 A180 3.最小偏向角的測量方法測定棱鏡的頂角之后，將棱鏡置于載物平臺上。先用眼睛直接觀察平行光經(jīng)棱鏡折射后的出射方向，再將望遠鏡轉(zhuǎn)至該出射方向，使在望遠鏡中清楚地看見圖三由汞燈發(fā)出的光經(jīng)棱鏡后的折射光線。然后緩慢地轉(zhuǎn)動載物平臺，使在望遠鏡中看到的折射光線的的移動方向沿著偏向角減小的方向。繼續(xù)緩慢地轉(zhuǎn)動平臺，使折射光線的偏向角逐漸減小，當(dāng)載物平臺轉(zhuǎn)到某一位置，繼續(xù)按原方向轉(zhuǎn)到平臺時，折射光線不再隨著移動，而是看到折射光線開始向相反方向移動，即偏向角反而變大。折射光線移動方向的這個轉(zhuǎn)折位置就是最小偏向角的位置。反復(fù)轉(zhuǎn)動平臺，準確確定折射光線移動方向的轉(zhuǎn)折位置，然后固定平臺。轉(zhuǎn)動望遠鏡，使雙十字叉絲的豎直線對準折射光線，記錄與望遠鏡在該位置T1相應(yīng)的兩個游標讀數(shù)1和1。移去棱鏡，再轉(zhuǎn)動望遠鏡，使雙十字叉絲豎直線對準平行光的狹縫像，記錄與入射光的方位T2相應(yīng)的兩游標讀數(shù)2和2。與望遠鏡的兩個位置相應(yīng)的游標讀數(shù)之差，即為該譜線的最小偏向角min。 （0-3-4） 在測量望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度時，要注意游標是否經(jīng)過了刻度盤的零點。如果經(jīng)過了，則必須在相應(yīng)的讀數(shù)上加上360后再計算。實驗步驟1.按照分光計的調(diào)節(jié)要求和方法，調(diào)節(jié)分光計粗調(diào)（目測）（1）分別調(diào)節(jié)望遠鏡和平行光管傾斜螺絲，使望遠鏡和平行光管基本水平（2）調(diào)節(jié)平臺下面的三顆螺絲，使臺面基本水平細調(diào)（1）調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦于無窮遠 a.點亮小燈，調(diào)節(jié)目鏡，看清雙叉絲。 b把棱鏡光學(xué)面靠近物鏡，調(diào)節(jié)調(diào)焦螺母，看清“”字像（2）調(diào)節(jié)望遠鏡光軸、平臺臺面分別與儀器轉(zhuǎn)軸垂直Z 2Z 1Z 3Z 3Z 2圖一Z 1Z 2圖二Z 1Z 3圖三a.圖一：Z 3、望遠鏡傾斜螺絲各調(diào)一半，使“”字像與上叉絲重合。b.圖二：Z 1、望遠鏡傾斜螺絲各調(diào)一半，使“”字像與上叉絲重合。c.圖三：只調(diào)Z 2，使“”字像與上叉絲重合。（3）調(diào)節(jié)平行光管發(fā)出平行光，其光軸與儀器轉(zhuǎn)軸垂直a點亮鈉燈對準狹縫裝置，前后移動狹縫裝置，看清狹縫像b調(diào)節(jié)縫寬調(diào)節(jié)螺絲，使狹縫像細銳c狹縫轉(zhuǎn)90，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫像與下叉絲重合d狹縫又轉(zhuǎn)90(豎直方向)2.用自準法測量三棱鏡頂角A。重復(fù)測量4次，將測量數(shù)據(jù)記錄于表一，求平均值和不確定度u (A)。3.測量汞燈各譜線的最小偏向角min 測定棱鏡的頂角之后，將棱鏡置于載物平臺的右上角。將望遠鏡轉(zhuǎn)至平行光經(jīng)棱鏡折射后的出射方向，找到波長最長的紅光經(jīng)棱鏡后的折射光線。然后緩慢的轉(zhuǎn)動載物平臺，使在望遠鏡中看到的折射光線的移動方向沿著偏向角減小的方向。繼續(xù)轉(zhuǎn)動平臺直至折射光線不再向偏向角減小的方向移動，而是向相反方向移動，即偏向角反而增大。折射光線的位置即為最小偏向角的位置，鎖緊載物平臺，使各色光入射角i相同。轉(zhuǎn)動望遠鏡使十字叉絲的豎直線依次對準波長最長的紅光至波長最小的紫光的折射光線，記錄與望遠鏡在T1位置的兩個游標的讀數(shù)1和1，將測量數(shù)據(jù)記錄于表二。求出各譜線的min、所有譜線的u(min )。（單次測量） 4.計算各譜線的折射率n和不確定度U(n) 。5.用坐標紙畫出n 曲線。實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理：1. 自準法測量棱鏡頂角測量序號左游標讀數(shù)（ 1）右游標讀數(shù)（ 1）AB面1234左游標讀數(shù)（ 2）右游標讀數(shù)（ 2）AC面1234由于 ，頂角，故由上述數(shù)據(jù)得：平均值 A類不確定度： B類不確定度：因為儀器誤差為,故 所以總不確定度 ：所以 2.最小偏向角的測量汞燈譜線譜線波長（nm）左游標讀數(shù)（1）右游標讀數(shù)（1）T1方位紅光623.4黃光579.1黃光577.0綠光546.1青光491.6藍紫光435.8紫光407.8紫光404.7T2方位2 ：2 ：因為最小偏向角為，故因為所有的測量均為單次測量，故所有譜線的相同均為三棱鏡對于不同光譜的折射率，則三棱鏡對于不同光譜的的折射率的不確定度，故 由于和的不確定度很接近，故取其中較大者為所有譜線的公共不確定度，即 實驗結(jié)果1.三棱鏡頂角： 2.汞燈各譜線的最小偏向角： 3.汞燈各譜線的折射率n ：思考題：證明（為入射角，為折射角）時的偏向角為最小偏向角。圖一圖表示單色光在三棱鏡主截面（垂直于兩折射面的截面）內(nèi)的折射（即為折射角）。從圖中可見 因為頂角 所以 故當(dāng)時，上式取最小值，即取最小值，此時的偏向角為最小偏向角。心得體會：第一次做設(shè)計性實驗，剛開始沒什么策略，通過查閱實驗書本了解一些有關(guān)的內(nèi)容.于是就開始了實驗方案的設(shè)計。本人認為，設(shè)計性實驗具有更強的問題性、實踐性、參與性和開放性。實驗是通過自主獨立地設(shè)計實驗、操作、調(diào)查、搜集與處理信息等活動從而獲得知識與態(tài)