实验一薄透镜焦距的测定（doc X页）

实验一薄透镜焦距的测定（doc X页） 实验一 薄透镜焦距的测定 实验目的 ,(学会调节光学系统使之共轴。 ,(掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。 ,(验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。 实验仪器 CXJ,1型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏(可调狭逢组、有透光箭头的铁 皮屏或一字针组)，像屏(白色，有散射光的作用)。 重点难点: 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 德育渗透: 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业: 、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 1 实验原理 L ,(共轭法测量凸透镜焦距 F'QOs0利用凸透镜物、像共轭对称成像的pP性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 uv所谓“物象共轭对称”是指物与像的位 置可以互移，如图5,1—1()所示。a图5—1—(1a)其中(s)图中处于物点的物体经aQ0 Lpps凸透镜在像点处成像P，这时物距为，像距为。若把物点移到图5,1—1()中的点，那么uva0 L该物体经同一凸透镜成像于原来的物点，L ps即像点将移到图5,1—1()中的点。aQ0p'obu于是，图5,1—,()中的物距和像距S0P'v分别是图5,1—1(a)中的像距v和物 ''v',uu',vu,vv,u距u，即物距，像距。这就是 ''u，v,u，v,D“物像共轭对称”。设图,—1,,(b)PD(物屏Q和像屏之间的距离为)。 SX根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在处，凸透镜L放在处，所成一倒立01 ppX放大实像在处;将物不动，凸透镜放在处，所成倒立缩小的实像也在处，如图5,1,2所示。由图2 v,u,du',u,d可知，或。于是可得方程组 D,u，v, d,v,u, 111 。，,'uvf 解方程组得 22DdD，dD,d, (5—,—,) u,v,,f',224D 该式是共轭法测量凸透镜焦距的公式。由于是通过移动透镜两次成像而求得的，所以，这种方法又f' 称二次成像法。 另外，从方程组中消去，得 u 24'D,D,fD1112， ，。 ，,v,Dv，Df,0v,D,vvf2 当有实根必须有 v 2 (5—,—,) D,4fD,0;D,4f' 即物屏与像屏之间的距离大于或最少等于四倍的焦距，物才能通过凸透镜二次成像。 LML pQPS0X1PdX2f'v'D图5—1—3 图,—1—2 ,(自准直法测量凸透镜焦距 PLPL如图,,,—,所示，当以狭缝光源作为物放在透镜的第一焦平面上时，由发出的光经透镜后 MM将形成平行光。如果在透镜后面放一个与透镜光轴垂直的平面反射镜，则平行光经反射，将沿着原来 PL的路线反方向进行，并成像在狭缝平面上。狭缝与透镜之间的距离，就是透镜的第二焦距。这个方f'法是利用调节实验装置本身，使之产生平行光以达到调焦的目的，所以称自准直法。 ,(用物距与像距法测量凹透镜焦距 由于对实物，凹透镜成虚像，所 LL以直接测量凹透镜的物距、像距，难21 Q以两全。我们只能借助与凸透镜成一pp21 SP个倒立的实像作为凹透镜的虚物，虚0P12物的位置可以测出。凹透镜能对虚物 图,—1—4成实像，实像的位置可以测出。于是， 就可以用高斯公式求出凹透镜的焦距 ，如图5—1—4所示。 f 实验内容 ,(共轭法测量凸透镜焦距 (,)粗调，将光具座上的光具靠拢，调节高低左右;光心中心大致在同一高度和一直线上。 (,)细节，用共轭原理进行调整，使物屏与像屏之间的距离D,4f，将凸透镜从物屏向像屏缓慢移动，若所成的大像与小像的中心重合，则等高共轴已调节好，若大像中心在小像中心的下方，说明凸透镜位置偏低，应将位置调高;反之，则将透镜调低;左右亦然。详见光学实验基础知识。 D,p,ss(,)读出物屏所在位置，像屏所在位置p，填入自拟的表格中，求出。 00 X(,)移动凸透镜，使像屏上呈现清晰的放大的倒立实像，记下此时的位置，继续移动凸透镜，使1 d,X,XX像屏上呈现清晰的缩小的倒立实像，记下此时的位置，求出。 212 重复上述步骤五次，共得四组数据，用(5—,—,)式计算出每组的值，求出的平均值。 f'f' ,(自准直法测量凸透镜焦距 (,)按图5—1—3所示，在光具座上放置狭缝光源、平面镜，并使它们之间的距离比所测凸透PM 镜的焦距大。在物屏和平面镜之间放上被测量的凸透镜。 PML (,)适当调节光路，使物屏发出的光通过透镜后，由平面镜再反射回去，并再次通过透镜射PLM 向物屏。 P (,)在光具座上，前后移动凸透镜，使物屏上产生倒立、等大、清晰的实像，当共轴很好时，物与像 l完全重合，用纸片遮住平面镜，清晰的像应该消失。记下凸透镜在导轨上的位置。 重复步骤(3)五次，MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713953103018_2物及透镜所在的位置，计算出的平均值。 PLf' ,(用物距与像距法测量凹透镜焦距 (,)按图5—,,,固定物屏的位置于处，并在其后的导轨上放置一凸透镜，使像屏上成一倒SL01立缩小的实像。记下像屏位置。(通过凸透镜也可成一个倒立放大的实像，但所成的缩小实像亮度、Psp01 清晰度高，易准确定位;另外，由于光具座尺寸的限制，所以，实验中只能成缩小的实像。) (,)移动像屏的位置，重复(1)步骤五次，将测量6次所得的位置填入自拟的表格中。 p1 (,)在凸透镜与像屏P之间放上凹透镜，的位置应靠近一些，此时P上倒立缩小的实像LLLp2211 可能模糊不清，可将像屏向后移动，直至在处又出现清晰的像。重复找出、的位置六次，填入自ppL222拟的表中。 (4)利用高斯公式计算出凹透镜的焦距。(高斯公式具体用到这里、均为负值，若u大，也大;uvf ，) v,,v,f 思考题 ,(为什么要调节光学系统共轴,调节共轴有那些要求,怎样调节, ,(为什么实验中常用白屏作为成像的光屏,可否用黑屏、透明平玻璃、毛玻璃，为什么, D,(为什么实物经会聚透镜两次成像时，必须使物体与像屏之间的距离大于透镜焦距的4倍,实验中 ,D如果选择不当，对的测量有何影响, f ,(在薄透镜成像的高斯公式中，在具体应用时其正、负号如何 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 , u、v、f 补充材料 1(有关“薄透镜”的部分术语 (1)薄透镜:若透镜的厚度与其球面的曲率半径相比，小得可以忽略不计，则称为薄透镜。 (2)主光轴:连接透镜两球面曲率中心的直线，称为透镜的主光轴。 (3)光心:透镜主截面上的中心点，通过该点的光线，不改变原来的方向，称这点为光心。 (4)副光轴:通过光心的任一直线称为薄透镜的副光轴。 (5)主截面:能过光心而垂直于主光轴的平面称为透镜的主截面。 (6)物空间:规定入射光束在其中进行的空间称为物空间。 (7)像空间:折射光束在其中进行的空间称为像空间。 'F(8)像焦点(第二焦点):平行于光轴的光束，经透透折射后，会聚于主光轴上的一点称像点。 '''F(9)像焦距(第二焦距):从透镜的光心到像焦点的距离称为薄透镜的焦距。 ff F(10)物焦点(第一焦点):主光轴上发光点发出的光经薄透镜折射后成为一束平行光，此点称物焦点。 Fo(11)物焦距f(第一焦点):从透镜光心到的距离称为薄透镜的物距。 (12)副焦点:平行于任一副光轴的平行光，通过透镜后会聚于这副光轴上的一点，这一点称为副焦点。 (13)焦平面:焦平面就是由许许多多副焦点的集合构成的平面;或定义为:过焦点而垂直于主光轴的平面，也称焦平面。 (14)实像:自物点发出的光线经透镜折射后，实际汇聚于一点的像。 (15)虚像:自物点发出的光线经透镜折射后，光线发散，而其光线的反向延长线汇聚一点的像。 (16)实物:发散的入射光束的顶点，称实物。 实验二 分光计测透明介质的折射率 实验目的 ,(了解分光仪的结构;掌握分光仪的调节和使用方法。 ,(掌握测定棱镜顶角的方法。 ,(学会用最小偏向角测定棱镜的折射率。 实验仪器 FGY—01JJY型(或型)分光仪，三棱镜(等边)，汞灯。 重点难点: 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 3、用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 德育渗透: 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业: 、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 1 实验原理 ,(测量三棱镜的顶角 ACBCACABAB 三棱镜由两个光学面和及一个毛玻璃面构成。三棱镜的顶角是指与的夹角，, ABAB如图5—3—1所示。自准值法就是用自准值望远镜光轴与面垂直，使三棱镜面反射回来的小十字像 位于准线中央，由分光仪的度盘和mn 游标盘读出这时望远镜光轴相对于某一 望远镜θ2 望远镜'oo个方位的角位置;再把望远镜转,1Aφ AC到与三棱镜的面垂直，由分光仪度 盘和游标盘读出这时望远镜光轴相对于θ1 OC''Boo的方位角,，于是望远镜光轴转O2三棱镜 ,,,,,过的角度为，三棱镜顶角图5—3—1　准直法测三棱镜顶角21 为 ,,180:,, 由于分光仪在制造上的原因，主轴可能不在分度盘的圆心上，可能略偏离分度盘圆心。因此望远镜绕过 的真实角度与分度盘上反映出来的角度有偏差，这种误差叫偏心差，是一种系统误差。为了消除这种系统误 180:,AB差，分光仪分度盘上设置了相隔的两个读数窗口(、窗口)，而望远镜的方位由两个读数窗口读 数的平均值来决定，而不是由一个窗口来读出，即 ABAB()(),，,,，,1122， (5,3,1) ,,,,1222于是，望远镜光轴转过的角度为应该是 AABB,,,，,,,2121 ,,,,,,212 AABB,,,，,,,2121 (5,3,2) 180,:,,2,(用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 ,如图5—3—2所示，在三棱镜中，入射光线与出射光线之间的夹角的称为棱镜的偏向角，这个偏向角 ,与光线的入射角有关 (5,3,3) ,,i，i23 (5,3,4) ，，，，，，,,i,i，i,i,i，i,,124314 ,,,由于是的函数，因此实际上只随变化，当为某一个值时，达到最小，这最小的称为最小iiii4111 偏向角。 ,d,为了求的极小值，令导数，由(5,3,4)式得 ,0di1 di4 (5,3,5) ,,1Adi1 ,由折射定率得 , ii14i，sini,nsini sini,nsinii343212 C cosidi,ncosidi cosidi,ncosidiB44331122 图5—3—,于是，有 di,,di 32 dincosicosicosidididicosi33314421,,,,，(,1)，,, didididicosincosicosicosi13214242 22222seci,ntgicosi1,nsini2322,,,,22222cosi1,nsiniseci,ntgi2333 221，(1,n)tgi2,,221，(1,n)tgi3 ,,i,i,tgi,tgi此式与(5,3,3)比较可知，在棱镜折射的情况下，，，所以 232322 i,i23 ,由折射定律可知，这时，。因此，当时具有极小值。将、代入(5,3,3)、i,ii,ii,ii,i23141414 (5,3,4)式，有 1,，， ，，，。 ii,,,，,,,2i,,2i,,21min2min122 ,,，，，，，minsin2,,sini，，1n,, (5,3,6) ,isin,,2sin,,2,, 由此可见，当棱镜偏向角最小时，在棱镜内部的光线与棱镜底面平行，入射光线与出射光线相对于棱镜成对称分布。 由于偏向角仅是入射角的函数，因此可以通过不断连续改变入射角，同时观察出射光线的方位变化。ii11 在的上述变化过程中，出射光线也随之向某一方向变化。当变到某个值时，出射光线方位变化会发生停ii11 滞，并随即反向移动。在出射光线即将反向移动的时刻就是最小偏向角所对应的方位，只要固定这时的入射角，测出所固定的入射光线角坐标，再测出出射光线的角坐标，则有 ,,12 ,,,,, (5,3,7) min12 实验内容 1(按《光学实验基础知识》，对分光仪进行调整 (,)调节目镜，看清分划板上准线及小棱镜上十字。 (,)在载物平台上放上三棱镜并调节望远镜及平台，使在望远镜中看到三棱镜两个光学面反射的小十字像。 (,)调节望远镜物镜，使十字像清晰。 (,)调整望远镜与分光仪主轴垂直。 ,(用自准值法测量三棱镜顶角 10(,)锁紧分度盘制动螺钉，转动望远镜(这时望远镜转动锁紧螺钉9松开)，使望远镜对准三棱镜 ABAB12的反射面，锁紧望远镜转动螺钉9。利用望远镜转动微调，使由面反射回来的小十字像位于分划 AB板准线的中央，记下分度盘两个窗口的读数值与。 mn,,11 9AC9AC12(,)松开锁紧螺钉，把望远镜转到与面垂直，再锁紧螺钉。利用微调使由面反射回 AB来的小十字像位于分划板上mn准线中央，记下分度盘上两个窗口的读数、。 ,,22 ,,(,)按上述两步重复测量四次，将数据填入自拟表中，由(5,3,1)式求出，计算出的平均值及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 误差。 ,(用反射法测量三棱镜顶角 在图5—3—3中，用光源照亮平行光管，它射出的平行光束照射在棱镜的顶角尖处，而被棱镜的两个A 平行光管 载物平台A 13法线,法线RRA望远镜望远镜BC1 2 ,R4 三棱镜21R2 Cφ B (b)(a) 图,—3—3用反射法测三棱镜顶角 AC光学面AB和所反射，分成夹角为的两束平行反射光束、。由反射定律可知，,RR21 ，1,，2,，3,，4，1，，2,，3，，4，1，，3,,，2，，4,,，所以。因为，所以。于是只要用 AC分光仪测出从平行光管的狭缝射出的光线经AB、两个面反射后的二束平行光与之间的夹角，,RR21 ,,，则 就可得顶角,2 AABB,,,，,,,2121, (5,3,8) ,,,24 (,)按实验内容,的步骤调好分光仪。 AB(,)参照图5—3—2转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，使狭缝像与竖直准线重合，记下分光仪 ABACAB、窗口的读数，继续转动望远镜，寻找面反射的狭缝像，也使狭缝像与竖直准线重合，,、,1, ABAB再记下分光仪、窗口的读数、。 ,,22 ,(,)重复上述测量四次，将数据填入自拟表中，由(5,3,7)式求出的平均值及标准误差。 ,(用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率 (,)用汞灯作光源照亮狭缝，由平行光管射出光线进入望远镜，寻找狭缝像，使狭缝像与分化板上的 AB中央竖直准线重合，记下这时望远镜筒所在的角坐标。 ,、,11 AC(,)将三棱镜放置在载物台平台上，使平行光管射出光线进入三棱镜的面，转动平台在三棱镜的 AB面观察望远镜中的可见光谱，跟踪绿谱线的移动方向。寻找最小偏向角的最佳位置，当轻微调节载物平 台，而绿谱线恰好要反向移动时，固定载物平台。再转动望远镜，使狭缝的像(绿谱线)与中央竖直准线重 AB合，记下这时出射光线角坐标、。 ,,22 ,,,(,)按上述步骤重复三次，由 (5,3,7)式求出的平均值，把与代入 (5,3,6)minmin nn式，求出棱镜玻璃的折射率值。并计算出的相对误差。 思考题 BA',(分光仪主要由哪几部分组成,各部分作用是什 么, ,,(分光仪的调整主要内容是什么,每一要求是如何,,12A实现的, B',(分光仪底座为什么没有水平调节装置, ,(在调整分光仪时，若旋转载物平台，三棱镜的AB、 AC、BC三面反射回来的绿色小十字像均对准分化板水平 图5—3—4叉丝等高的位置，这时还有必要再采用二分之一逐次逼近法来调节吗,为什么, ,(望远镜对准三棱镜面时，窗口读数是293度21分30秒，写出这时窗口的可能读数和望ABAB ACA、B远镜对准面时，窗口的可能读数值。 ',(如图5—3,4所示，分光仪中刻度盘中心与游标盘中心不重合，则游标盘转过角时,刻度盘o,o 1，，读出的角度，但,,,，,，试证明。 ,,,,,12122 ,(什么是最小偏向角,在实验中，如何来调整测量最小偏向角的位置,若位置稍有偏离带来的误差对实验 结果影响如何,为什么, 实验三 双棱镜干涉测波长 教学目的 1.掌握一种利用分割波前实现双光束干涉的方法 2.用菲涅耳双棱镜绝对测量光波波长 3.光场空间相干性的初步观察 仪器用具 纳光灯,双棱镜,凸透镜,测微目镜,单狭缝,光具座等. 重点难点: 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 3、掌握使干涉条纹清晰的主要调节步骤 德育渗透: 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业: 1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 实验内容 波动光学研究光的波动性质、规律及其应用，主要内容包括光的干涉、衍射和偏振。1818年菲涅耳的双棱镜干涉实验不仅对波动光学的发展起到了重要作用，同时也提供了一种非常简单的测量单色光波长的方法。通过本实验学习利用光的干涉现象测量光波波长的方法，了解双缝的干涉条件及在实验中如何实现，掌握实验光路的调节和测微目镜的使用。 1(双棱镜干涉及测光波长方法 菲涅耳双棱镜是由两块底边相接、折射棱角a小于1?的直角棱镜组成的。从单缝发出的光经双棱镜折射后，形成两束犹如从虚光源发出的频率相同、振动方向相同、并且在相遇点有恒定相位差的相干光束，它们在空间传播时，有一部分彼此重叠而形成干涉场。 在图3-15-2中，设由双棱镜B所产生的两相干虚光源S1、S2间距为d，观察屏P到S1S2平面的距离为D。若P上的P0点到S1和S2的距离相等，则S1和S2发出的光波到P0的光程也相等，因而在P0点相互加强而 形成中央明条纹(零级干涉条纹)。 设S1和S2到屏上任一点PK的光程差为D，PK与P0的距离为XK，则当d< 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。除了求出h的量值以外，还可通过(2)式了解光电管的特性。令ν=0，可得理想阴极的逸出电势等于曲线的纵轴截距，U=-W/e;令Uv=0，可得理想阴极的截止频率等于曲线的横轴截距，v0=W/h。实际光电管的情况比0 较复杂，只能把两个截距U0、v0看作整体光电管的宏观参量。 图 1 图1是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极K，设光频v,v0，有光电子产生且有剩余动能。只要外电路闭合，即使电源分压U=0，光电子也能到达阳极A形成光电流IA，IA的量值由μA表读出。 当U的极性K负A正时，电场对光电子加速，飞抵A的速度加快。如果光强不变，单位时间的入射光子数不变，单位时间产生的光电子数也不变，从而单位时间到达A极的电子数不变。即使增大U，IA也不会增加，光电管进入正向饱和状态，如图2(a)虚线a段所示。 当K正A负时，电场使光电子减速。|U|较小时，光电子到达A极速度尚不为零，虽然渡越时间变长，但单位时间进入A极的光电子数仍等于此间K极产生的光电子数，IA维持不变，如图2(a)虚线b′段。进一2步增大 |U|直到Uν，光电子抵达A极前减速为零，剩余动能全部转化为电场势能eUν = 1/2mv ，之后电子m加速返回K极。因无电子进入A极，IA骤降为零，光电管进入反向截止状态，如图2(a)虚线c段，Uvν就是该光电管对该光频的遏止电势差。此时即便增大光强，虽能激发更多的光电子，但不能增加单个光电子动能，故IA?0。光电流在Uν下骤降为零的特性称为锐截止特性，锐截止的必要前 图 2 提是K极表面各处的逸出功W都是同一个确定量值。理想光电管并不存在，实际阴极材料的W值是不均匀的，有一个带宽W??W;阴极表面浅层电子的初动能也不是一个定值，因而单一光频激发的光电子剩余动能大小不一。见图二(b)，当U趋负时，光电子从S点开始依次被遏止，IA沿实线b减小，直至Uv时，IA降为零，称为遥截止特性。S点和vν点分别叫做曲线的肩部和趾部。S点开始被遏止的光电子具有最小动能，可知它们是从阴极表面W最大的地方逸出的;直到Uν才被遏止的光电子具有最大剩余动能，显然它们是从阴极表面W最小的地方逸出的。假如入射光单色性不好，光频也具有带宽ν??ν，则Uν还要左移。此时Uν对应于光频上限ν+?ν而不是主频ν，出现明显的测量误差。 进一步分析还有以下细节: (1)实验中无法避免少量入射光照到A极上，A极也会发射少量光电子，构成反向电流IK如图2(c)。 (2)爱因斯坦方程仅当绝对零度时严格成立。常温下，即使没有入射光，电极也会发射少量热电子，加上管座和管壳表面的漏电，构成暗电流IT如图2(d)。 (3)纯粹的IA曲线如图2(b)所示，肩部达到饱和，趾部截止于Uν。实测曲线是IA迭加了IK、IT的综合结果，如图2(a)实线那样，肩部以右渐趋饱和，趾部Uν的电流不是零而是一个较小的负值;曲线d段只含IK+IT，较为平直，与b段光滑连接，给Uv的判定造成困难。一般教科书上都建议凭目测判断Uv，具有一定的随意性。 (4)S点出现在纵轴右边，看起来A正K负，电子怎么会开始被遏止呢,实际上电极间真实电势差UK-A大于外加电压U，差额部分是由电极内异种金属层面间的接触电位补足的，如图3所示。通常阴极接触电位UK较小，阳极接触电位UA较大，真实遏止电势差应是UK-A=U +(UA-UK)，可知图2(a)纵轴实际上应在虚线I’O’位置，实测值 |Uν| 比真正的遏止电势差小了一个常数UA-UK。 图 3 对照(2)式可知，这一系统误差仅会改变(2)式曲线的纵轴截距，并不改变斜率h/e，不妨碍正确测算普朗克常数。如前所述，具有系统误差的纵、横轴截距，宏观表达了实际光电管整体的逸出电势和截止频率，它们是阴极和阳极的综合效果，不能直观反映阴极的真实特性。光电管在工程实践中作为一个元器件来应用，人们往往也只关心它的宏观参量。复杂的科学研究通常是为简捷的技术应用铺路的。 应当指出，上述分析仍是粗略的，实际情况还要复杂。但通过以上分析我们基本上廓清了物理模型，区分了次要因素，我们就有了一条比较清晰的思路。 操作步骤 1.冷态准备。检查仪器的摆放布局是否得当，导线连接是否正确，档位预置是否合理。用遮光罩盖住暗盒光窗，令光源离开暗盒30—50cm。 2.热态准备。将光源和主机通电预热，20—30分钟后调整μA表的零点和满度。 3.观察暗电流。从大到小改变μA量程，直到表针有指示即为暗电流(约在10-6档)。改变工作电压观察暗电流的变化情况。 4.浏览光电流。μA量程调到最大，除去暗盒遮光罩，换上365.0nm滤色片，用汞灯照射。工作电压从-2V起调直到0V，浏览光电流变化情况。注意随时改变μA量程，使之既有示值，又不超偏;当电流趋零时应及时触按换向按钮，以免表针倒偏。电流如果太大或太小，则需调节汞灯距离，改变入射光强。 5.正式测量。正式测量时先移远光源，参考表2调节工作电压起始值(都是负值)，μA量程置10-5档。细心移近光源使μA表满偏，此后光源不可再动。令工作电压进一步趋负，电流随之减小，记录相应的电流、电压数据。当电流减到很小时可更换10-6量程，但在Uv附近尽量不换量程，否则量程误差会给曲线造成附加台阶，影响数值求导的效果。注意电流的符号开始为正，逐渐趋零时要触按换向按钮，此后电流为负，应及时记载符号。 6.更换单色光。测毕一种单色光后，要按照波长递增的顺序更换滤色片，同时移远光源，重复步骤5，最大电流都取10-3微安。 7.善后工作。测量完毕，请教师检查数据。将仪器调节钮复位，断电;收起滤色片，用遮光罩盖住暗盒光窗;经容许后离开实验室。 思考题 1.分析K表面和K—A空间的物理过程，试讨论:图2肩部的横坐标US与光频v满足爱因斯坦方程吗,如果满足，则可在图5中增添一条参变量IA2=1.0(归一化量值)的曲线，与IA1=0的曲线构成曲线族。试在图5中定性估画这条曲线的位置和取向。 2.讲义中说假如入射光单色性不好，会出现测量误差。本实验汞灯光源中除含有365.0nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0 nm单色光外，尚有较强的365.6 nm、366.3 nm、407.8 nm、433.9 nm、434.8 nm、579.0 nm单色光，试讨论它们对实验结果的影响。你倾向于怎样修正图5曲线, 3.按图4曲线判断Uv位置时，如果不照讲义中以?I/?U为纵标，以U平均为横标绘制微分曲线，而试以根号I为纵标、以U为横标绘制方根曲线，结果如何, 4.根据你的猜测，试描述GP—?型普朗克常数测定仪连接X—Y记录仪自动描绘光电曲线的工作原理，必要时可附简化示意图。 5.利用你的现有知识，设计一种分段接续式量程转换电路，手动即可，自动更佳 注意事项 本仪器不得在强光照射下工作。 更换、安装滤波片时必须将汞灯出光口盖上，要避免各种光直接进入暗盒。滤波片要平整、完全放入套架。 测量时不要震动仪器及连线，不要改变汞灯与暗盒的距离，否则实验数据将出现误差。 手动测量时待显示稳定后读数。 开机后需预热15分钟仪器才能稳定工作，汞灯也要在点亮15分钟后才能正常出光。 实验十 单色仪的定标 实验目的 ,(了解棱镜单色仪的分光原理及仪器结构和使用方法。 ,(学会用汞光谱对单色仪的读数系统进行定标。 ,(会做定标曲线。 实验仪器 单色仪，测微目镜(或读数显微镜)，汞灯，短焦距凸透镜及支架。 重点难点: 1、按实验操作规程规范操作。 2、动手操作能力培养。 德育渗透: 1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。 2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法 1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法 布置作业: 1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验 实验原理 1(单色仪的分光原理 单色仪是用棱镜作为色散元件的光谱仪器，它通常由三部分组成，如图5—13,1所示。 准光镜法系统色散系统成谱系统 P ,、,,1,LL12 BA,S,,、,1, 图5—13,1,, (,)准光镜系统 由准直光物镜L和放在L焦平面上的狭缝S组成。这个系统能够将来自光源S的11 复色光变成平行光。 (,)色散系统 由棱镜P将来自于准光镜系统的平行光均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经 棱镜的A 、B两个折射面的折射，分解成沿不同方向传播的单色光。 (,)成谱系统 由物镜L和在其焦平面上的像屏(或谱面)组成。物镜L将沿不同方向的平行光会22聚于焦平面上，从而获得一幅彩色光谱线图。其中每一根谱线实质上是狭缝的一个像。(注意:凸透镜的焦距 与入射光的波长有关，所以光谱像并不是呈现在垂直于透镜主光轴的焦平面上，而是略有倾斜的平面)。 成谱系统采用的形式不同，光谱仪的名称也各不相同。成谱系统若用的是望远镜(观察光谱用)则叫做 “棱镜分光计”;若用照相物镜和感光板进行摄谱，叫做“棱镜摄谱仪”;若在成谱物镜L的焦平面上放置一2条狭缝(用以分离各条谱线)叫做“单色仪”，因为从该狭缝中射出的是单色光。 ,(单色仪(WDF型)的设计思路和实际光路图 为了使谱线像差小、成像清晰、集光本领强、体积小等技术指标更趋完善和使用方便，人们在实际制造单色仪时，对某些具体结构作了重要改进。 (,)将准光镜系统中的凸透镜L和成谱物镜L，改用两块凹柱面反射镜M、M来代替。因为，薄凸1212 透镜两面的曲`率半径均为r，其焦距为 r (5―13―1) f,，，2n,1 ,式中，为透镜材料的折射率，它随着光波的波长不同而不同，波长越长，折射率就越小，焦距fnn就越大，反之亦然。所以由三棱镜分解出来各种不同波长的光波通过凸透镜折射后所成的像不是在此透镜的单一焦平面上，而是在与主光轴有倾斜的准焦平面上。 凹面反射镜的焦距为 r (5―13―2) f,2 ,式中，为凹面镜的曲率半径，与入射的波长无关。从(5―13―1)和(5―13―2)式可以看出，用r 凹面反射镜代替凸透镜，使狭缝S射进来的复色光变成平行光的平行性最好，且凹面镜对各种不同波长的平行光聚于焦平面上的像，不会有前后之分。 (,)复色光中以“最小偏向角”经过棱镜色散的单色光才能通过狭缝S。 “偏向角”是指某一单色2 光入射棱镜的方向与射出棱镜方向之间的夹角。当入射方向为某一特定方向，则“偏向角”有一最小值，称为“最小偏向角”。最小偏向角及图示在实验三中已讨论过，请参考。当棱镜P绕其主截面底边的中心轴转动时，复色光中只有以最小偏向角通过棱镜的单色光才能通过出射狭缝S。最小偏向角的改变与棱镜绕中心2 轴转动的角度一一对应，角度改变的情况与装在棱镜转轴下的刻度鼓轮相联接(鼓轮借用了螺旋测微计原理制成)。这便是本实验用鼓轮刻度为各种不同波长定标的依 M据。 2OM3(,)单色仪(WDF型)的实际光路图如图5—15—2P 所示。S为入射狭缝，被放在柱面凹面镜M的焦平面上，11 S由S进入的复色光经M反射后成为平行光，平行光射到平111 M1面镜M上改变了方向，以适当的角度，投射到棱镜P的一2 个折射面上，其中有一组以最小偏向角,(,)的单色平行Smini2 图5—13—2光(波长为,)通过棱镜投射到柱面凹面镜M上，并由其3i ,聚焦到出射夹缝处S，就得到了一束波长为的单色光。 2i ,(单色仪的结构与外形 单色仪的全部元件安装在一个钢制的圆筒内或其侧面上。上面用钢盖盖好，以免空气中的水蒸气侵入和灰尘落入。其中入射狭缝S和出射狭缝S装在钢筒的外侧，狭缝的宽度由它上面的螺旋调节，螺旋顺时针旋12 转时狭缝变宽，逆时针旋转时狭缝变窄。狭缝刀口已经闭合时，若再用力旋转，刀口受过大的压力会损坏，调节狭缝时，务必注意。 平面镜M的表面与棱镜P的底面平行，且都装在同一个基座上。此基座以棱镜底边的中心O为转轴，2 转轴与钢筒底座下的读数鼓轮相联接。因读数鼓轮在钢筒底座下，读数不方便，所以在鼓轮旁装一凹面镜M，读数鼓轮在凹面镜上映出清晰的像，就可通过该凹面镜看到鼓轮上的读数。 3 柱凹面镜装在钢筒的内壁，且和平面镜表面都蒸镀金属膜，反射系数极高。 ,(单色仪的定标原理 单色仪出厂时，一般都附有曲线的数据或图表供参阅，但经过长期的使用或重新装调后，其数据会发生改变，就需要重新定标，对原数据进行修正。 单色仪的定标曲线是借助于波长已知的线光谱光源来完成。为了获得较多的点，必须有一组光源，常用汞灯、氢灯、纳灯、氖灯以及弧光灯。本实验用汞灯的已知光谱(可见光区域为400,760纳米)，对单色仪的读数鼓轮进行定标，具体方法是:当单色仪鼓轮转动时，带动三棱镜转动，对应于单色仪出射狭缝S上有2不同波长的谱线出现。如果光谱线的波长是已知的，分别为，，„，，对应于鼓轮上的读数分别为,,,n12 ，，„，，定标完成。定了标的单色仪对于未知波长的光谱，可由鼓轮上的读数值，在定标曲线上LLLn21 查出单色光波的波长。 实验内容 ,(入射光源的调节 将汞灯、凸透镜、WDF单色仪，按如图5—13—3所示的顺序排列，使单色仪的狭缝S对准凸透镜和汞1灯所发出的光线。适当调节透镜和汞灯的位 置，使汞灯发出的光成像在入射狭缝S上。 121S31,(观测装置的调整 在出射狭缝S前放一测微目镜或读数2 显微镜，调节测微目镜，直至看清叉丝。然S2后调节其物镜，看清出射狭缝S和狭缝中的1.汞灯　　　2.短焦距凸透镜2 4光谱线。若谱线较粗，可调节入射狭缝S上13.单色仪　　4.测微目镜 端的调节螺旋，使狭缝宽度减小，边调边看，图5—13—3直到谱线清晰而又亮度足够。实验中必须要 调节到能分清汞灯光谱中的双黄线。 ,(辨认汞灯谱线 汞灯光源在可见光波段有几十条谱线，最易观察到的约有23条。对初次接触单色仪的读者，可能会感到对其所分解出的光谱有如下一些困难:(1)某些谱线看起来若隐若现。这时，只有定下心来，耐心观察，才能看清楚。如汞灯的红谱线有三条，其中一条波长为725.00纳米的暗谱线，看起来非常朦胧。(2)对于颜色的界定不明确，特别是从一种颜色向另一种颜色过渡的过渡色很难分辨。如橙色与红色，初次接触难于分清，只能边看边学，边认识。(3)观察光谱与个人眼睛的好坏有很大关系，好的眼力，可多看出一些谱线，眼力差一些，就只能少看出一些谱线。 ,(测量 为了准确测量，我们可以转动鼓轮，将汞灯光谱从红到紫来回多看几遍，并且将鼓轮的读数范围确定下来。在基本辨认和熟悉全部23条谱线颜色特征以后，调节器观测装置，把测微目镜的叉丝对准出射缝中央，向一个方向缓慢转动鼓轮，从红到紫，读出每一条谱线所对应的鼓轮读数，重复读两次，并将数据填入下面的表5—13—1中。 数据处理 L,,,L将上面的测量数据在方格坐标纸上作曲线，以以为纵轴，为横轴，将表格中各点的数据描入直角坐标中，然后将各点用光滑的曲线联接起来，该曲线称定标曲线。只要在单色仪上测出某谱线所对应的 ,L鼓轮读数，就可以在此曲线上查出波长。 xX 表5—13,1汞灯可见光谱线对应鼓轮读数记录表 颜色 红 橙 黄 特征 暗 较亮 亮 暗 较亮 亮 暗 较暗 较亮 亮 波长nm 725.00 696.75 671.62 623.44 612.33 607.26 589.02 585.94 579.07 576.96 1 鼓轮 读数(nm) 2 颜色 绿 青 特征 暗 较亮 亮 暗 较暗 较亮 亮 波长nm 576.59 546.07 535.40 510.00 503.00 496.03 491.60 1 鼓轮读数 (nm) 2 颜色 蓝 紫 特征 暗 较亮 亮 暗 较亮 亮 波长nm 435.84 434.75 433.92 410.84 407.78 404.66 1 鼓轮读数 (nm) 2 思考题 ,(三棱镜的分光原理是什么,单色仪为什么要用平行光通过三棱镜,它是如何实现的, ,(什么叫三棱镜色散的最小偏向角,单色光实现最小偏向角的条件是什么, ,(本实验中的单色仪是什么样的结构,这样的结构有何优点, ,(本实验中如何对单色仪的读数装置进行定标,