设计系性物理实验报告参考.doc

分光计的使用
景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院2007级王洪达 200710210501
摘要:分光计是一种精密的光学仪器。本文中,应用不同的原理和方法,用分光计测量多种物质的光学特性及常数,包括衍射光栅的光栅常数的测量,汞光谱中部分光谱线的波长的测量,普朗克常量的测量以及用掠入射法及角差法测透明液体折射率(后改为用劈尖干涉法测量),并进行了详尽的计算与误差分析和总结。
实验任务:
以汞光灯为光源,测光栅常数,观察光栅衍射光谱线的最高级次,与理论分析比对.
测汞光谱中两条黄色光谱线的波长和角色散率。
以氢灯为光源,测氢光谱中部分谱线的波长。
用波尔氢原子理论,计算普朗克常量。
设计用分光计测量透明液体折射率的方案,并实验验证。
二、实验要求:
1. 为减小实验误差,选择适当的光栅,使每条谱线都尽量分开。
,可操作性强,测量才更方便精确。
三、实验方案:
1. 物理模型的选择与比较:

普朗克常量是现代量子物理学中一个很重要的常数,其公认值h=606260755*10-34J∙s。对该常数的测定,有多种模型方法,较为常用的,有两个较简单的物理模型:光电效应模型与氢原子光谱模型。
模型一:光电效应模型
光电效应模型是基于赫兹发现的光电效应现象及爱因斯坦的光量子理论所建立的物理模型,期核心为爱因斯坦方程:
mυ2/2 =hν-A (1-1-1)
其中,υ为光电子逸出的最大速率(恰能到达阳极),ν为入射光频率,A为电子逸出功。.此时,会存在光电流。当在阴极与阳极上加一反向电压U0,使
U0e=mυ2max/2 (1-1-2)
则恰好无光电子达到阴极,光电流为零。U0为截止电压。
将式(1-1-2)代入(1-1-1)得
U0=hν/e-φ(1-1-3)
因为φ= hν0/e,代入式(1-1-3),得
U0=h(ν-ν0)/e (1-1-4)
即U0与入射光频率ν成线性关系。则若的不ν同时(ν>ν0),对应的光电流I-U特性曲线和截止电压U0的值,可作出U0-V图,则可由斜率k,求出普朗克常量。
模型二:氢原子光谱模型
氢原子光谱模型是基于波尔氢原子理论所建立的,其核心为氢原子中轨道能量公式
En=2π2me4/[(4πε0)2h2n2] (1-2-1)
当电子在不同轨道间发生跃迁时,电子能量即发生变化,就会吸收或辐射出一个光电子的能量
E=hν(1-2-2)
式中h为普朗克常量,ν为频率.
当电子从m轨道跃迁至n轨道时,
E=Em-En (1-2-3)
将(1-2-1)与(1-2-2)代入(1-2-3)得
hν={2π2me4/[(4πε0)2h2]}(1/n2-1/m2) (1-2-4)
化简得
h3={2π2me4/[(4πε0)2ν]}(1/n2-1/m2) (1-2-5)
将ν=c/λ代入(1-2-5)得
h3={2π2mλe4/[(4πε0)2c]}(1/n2-1/m2) (1-2-6)
即当m,n一定时,h3与1/λ成线性关系,当测得λ,已知m,n的情况下,即可求h。
相比较而言,模型一计算处理较为方便,但实验要求高,比如实验设备复杂及严格稳压电源等。这些要求一般很难达到。而模型二中,只要求精确测量光波长。这就相对容易,方法多,精确度一般也非常好,易于把握。综上所述,选择模型二。
2. 实验方法的选择与比较

由实验要求可知,对光波长的测量为实验中最为关键的测量,因而选择合适的光波长的测量方法,就显得十分重要。
光波长的测量方法有很多,例如,双缝干涉法、衍射法、迈克尔孙干涉法、光栅衍射法等等。这些方法,测量精度都很好,可操作性也很强,但前三种方法,只能策单色光的波长,对于复色光中各色光的波长,却无法进行有效的测量。而光栅衍射法,则可先用光栅将复色光分离成单色光,再测各色光波长,一次完成,精确度、可操作性均非常好。当然,利用光谱测量仪等高精密仪器来测波长,准确度较光栅要好很多,但这些仪器太贵重,且本实验无需如此高的精度。综上所述,首选光栅衍射法测光波长。

测量透明液体折射率的方法有许多,而利用分光计来测透明液体折射率,最为常用的,也是多数参考书上建议的,是折射极限法(掠入射法),另外,也可用几何光学的原理的几何差角法。

该方法原理如图1所示,设待测液折射率nx。将待测液体滴到厚玻璃上,然后贴在辅助三棱镜的一个光学面上,使液体成一均匀薄膜。
单色光源发出的光进入厚玻璃经液体进入棱镜,其中一部分光线传播方向平行于液体与棱镜的交界面。当n
x<n0,nx<n1时,