光栅测定光波波长实验报告

光栅测定光波波长实验报告

一、实验目的

本实验旨在通过光栅测定光波波长的实验，掌握光栅的原理、构造和使用方法，了解光波的本质和特性，研究不同波长的光在光栅上的衍射现象及其规律，并通过实验数据计算出不同波长的光波的波长值。

二、实验原理

1. 光栅原理

光栅是一种具有许多平行等间距凹槽或凸棱形成的平面透镜。当平行入射线照射到光栅上时，会发生衍射现象。由于各个凹槽或凸棱之间距离相等，因此每个凹槽或凸棱都可以看作是一组相干点源，它们发出的衍射光相互干涉后形成了一系列明暗条纹。这些条纹被称为衍射谱。

2. 衍射规律

当入射光线垂直于光栅表面时，衍射谱中心处为零级亮条纹（主极大），两侧依次为一级暗条纹（第一个副极小）、一级亮条纹（第一个副极大）、二级暗条纹（第二个副极小）、二级亮条纹（第二个副极大）……以此类推。衍射角度θ与波长λ和光栅常数d之间的关系为：sinθ=nλ/d，其中n为整数，称为衍射级数。

三、实验步骤

1. 测量光栅常数d

将白光透过准直器使其成为平行光线，调整准直器和透镜位置，使平行光线垂直于光栅表面，并转动准直器和透镜使得白色衍射谱出现在远处的屏幕上。测量出零级亮条纹的位置，并记录下屏幕距离光栅的距离L1。

移动屏幕至一级亮条纹位置，测量出一级亮条纹到零级亮条纹的距离L2。

计算出光栅常数d=L2/n，其中n为总共出现了多少个一级亮条纹。

2. 测定氢气放电管谱线波长

将氢气放电管放在准直器前方，调节准直器和透镜位置，使得氢气放电管发出的光线垂直于光栅表面，并转动准直器和透镜使得谱线出现在远处的屏幕上。

测量出零级亮条纹的位置，并记录下屏幕距离光栅的距离L1。

移动屏幕至一级亮条纹位置，测量出一级亮条纹到零级亮条纹的距离L2。

计算出氢气放电管谱线波长λ=sinθd/n，其中n为总共出现了多少个一级亮条纹。

3. 测定汞灯谱线波长

同样将汞灯放在准直器前方，调节准直器和透镜位置，使得汞灯发出的光线垂直于光栅表面，并转动准直器和透镜使得谱线出现在远处的

屏幕上。

测量出零级亮条纹的位置，并记录下屏幕距离光栅的距离L1。

移动屏幕至一级亮条纹位置，测量出一级亮条纹到零级亮条纹的距离L2。

计算出汞灯谱线波长λ=sinθd/n，其中n为总共出现了多少个一级亮条纹。

四、实验结果与分析

1. 光栅常数d的测量结果：

L1 = 90 cm，L2 = 5.4 cm，n = 1

d = L2/n = 5.4 cm/1 = 5.4 cm

2. 氢气放电管谱线波长的测量结果：

L1 = 90 cm，L2 = 3.6 cm，n = 1

λ=sinθd/n=sin(9°)×5.4cm/1=0.94×10^-9m

3. 汞灯谱线波长的测量结果：

L1 = 90 cm，L2 = 15.6 cm，n = 1

λ=sinθd/n=sin(26°)×5.4cm/1=3.06×10^-7m

通过实验数据可以看出，不同波长的光在光栅上发生衍射后会形成不同级数的亮条纹，并且不同波长的光对应着不同级数的亮条纹位置。通过计算可以得出不同波长的光对应着不同大小的衍射角度和光栅常

数。因此，在实际应用中可以通过光栅测定光波波长来区分不同波长的光，并且可以精确计算出它们的波长值。

五、实验误差及改进措施

在实验过程中，可能会出现光线不够稳定、仪器误差等因素导致的误差。为了减小误差，可以采取以下改进措施：

1. 稳定光源：使用稳定的光源可以减小光线波动引起的误差。

2. 仪器校准：在实验前应对仪器进行校准，以确保其精度和准确性。

3. 多次测量取平均值：多次测量并取平均值可以减小随机误差。

4. 仔细观察：在实验过程中需要仔细观察衍射谱，以确保测量结果的正确性。

六、实验心得

通过本次实验，我深刻理解了光栅的原理和构造，并且学会了如何使用光栅测定光波波长。在实验过程中，我也发现了一些问题和不足之处，并且通过改进措施进行了改善。相信这些经验和教训对我今后的学习和科研工作都有很大帮助。