《光栅衍射》实验报告评分标准

一 实验预习（20分）

学生进入实验室前应预习实验，并书写实验预习报告。预习报告应包括：①实验目的，②实验原理，③实验仪器，④实验步骤 ⑤实验数据记录表等五部分。以各项表述是否清楚、完整，版面是否整洁分三段给分。

预习报告不合格者，不允许进行实验。该实验应重新预约，待实验室安排时间后进行实验（实验前还应预习实验）。

二 实验操作过程（20分）

   学生在教师的指导下进行实验。操作过程分三步，第一步分光计调节，包括 ①目测粗调，②望远镜调焦到无穷远，适合观察平行光，③调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直。④调节平行光管发出的平行光与望远镜共轴。⑤调节衍射光栅，使光栅与转轴平行，且光栅平面垂直于平行光管等五部分；第二步实验数据记录；第三步实验仪器整理。以各项是否能够按照实验要求独立、正确完成，数据记录是否准确、正确分三段给分。

三 实验纪律（10分）

   学生进入实验室，按照学生是否按规定进入实验室，是否按照操作要求使用仪器，是否在实验结束后将仪器整理整齐，是否有大声喧哗、打闹现象。分三段给分。

     以上三项成绩不足30分者，表示实验过程没有完成，应重新预约该实验。实验完成后，学生课后完成一份完整的实验报告。

四、数据记录及处理（35分）

1 数据记录是否与课堂实验记录一致，书写是否准确，分三段给分。

2数据记录及处理

学生在数据处理过程中，是否按照要求正确书写中间计算结果、最终实验结果和不确定度的有效数字位数，分三段给分。

二、思考题（10分）

    学生在实验结束后，在三道思考题中选择两道，抄写题目并回答。按照问题回答是否准确，有自己的见解，分三段给分。

三、格式及版面整洁（5分）

   按照学生实验报告书写是否整洁，分三段给分。

《光栅衍射》技能测试评分标准

    学生进入实验室，用15分钟的时间看书，15分钟之后将书收起来，开始进行实验测试。测试期间禁止看书。评分标准如下：

一 实验操作部分（70分）

第一步：分光计调节。

1望远镜调焦到无穷远，适合观察平行光。

①目测粗调。尽量使望远镜的光轴与刻度盘平行，使载物台与刻度盘平行。再接上照明小灯电源，打开开关，在目镜视场中观察，是否能够看到“准线”和带有绿色小十字的窗口。并将双面镜放置在载物台上，分四步给分。

②稍微调节叉丝套筒，改变叉丝到物镜间的距离，直至能观察到与黑准线无视差的绿色小十字线像，分四步给分。

2调节望远镜光轴垂直于分光计主轴

调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直。当平面镜旋转到任意一向，从望远镜目镜观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合。分四步给分。

3调节平行光管发出的平行光与望远镜共轴。

启动汞灯光源。使望远镜、平行光管基本水平且在一条直线上。然后前后移动狭缝机构，使望远镜清晰看到与分划板的刻线无视差狭缝的像

转动狭缝机构，并调节平行光管水平度调节螺钉，使平行光管的光轴与望远镜的光轴同轴，且都与仪器主轴垂直。

调节狭缝旋转手轮，使狭缝宽调至约0.5mm。

4调节衍射光栅，使光栅与转轴平行，且光栅平面垂直于平行光管。

将光栅固定于载物台，使望远镜对准狭缝，平行光管和望远镜光轴保持在同一水平线上。以光栅面作为反射面，用自准法仔细调节载物台下方的调平螺钉使十字反射像位于黑准线上方交点。再观察衍射光谱的分布情况，调节载物台下方的调平螺钉使中央明纹两侧谱线在同一水平面上。

第二步：用光栅测汞光波长。

能够熟练完成光栅常数和汞光波长测量，并且数据采集、记录无误。分四步给分。

⑦仪器整理。是否能够将仪器归位，反射镜和三棱镜等小件物品放回仪器盒，分四步给分。

二、实验报告及数据分析部分（30分）

1、实验目的、简单原理介绍是否清晰、整齐。分四步给分。

2、是否有准确的实验步骤、数据表格，且清晰、整齐。分四步给分。

3、实验数据处理是否正确，是否按照要求正确书写中间计算结果、最终实验结果和不确定度的有效数字位数。分四步给分。

第二篇：光栅衍射实验报告

 

Electronics Engineering

xxx

实验：2011.xx.xx

目录

1       实验目的... 1

2       实验原理... 1

2.1        测定光栅常数和光波波长... 1

2.2        用最小偏向角法测定光波波长... 1

3       实验仪器... 3

3.1        分光计... 3

3.2        光栅... 3

3.3        水银灯... 3

3.3.1        水银灯谱线的波长... 3

3.3.2        注意事项... 3

4       实验任务... 4

4.1        在时测定光栅常数和光波波长... 4

4.2        在时测定波长较短的黄线波长... 5

4.3        用最小偏向角法测定波长较长的黄线的波长... 6

5       数据表格... 7

5.1       i=0时，测定光栅常数和光波波长... 7

5.2       i=15时，测量波长较短的黄线的波长... 7

5.3       最小偏向角法... 8

6       数据处理... 9

7       思考题... 10

8       实验总结... 11

1         实验目的

Ø  熟悉分光计的调整与使用

Ø  学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法

Ø  理解光栅衍射公式及其成立条件

2         实验原理

2.1       测定光栅常数和光波波长

当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。

如右图所示，有一束平行光与光栅的法线成角，入射到光栅上产生衍射；出射光夹角为。从点引两条垂线到入射光和出射光。如果在处产生了一个明条纹，其光程差必等于波长的整数倍，即

           (2.1.1)

为衍射光谱的级次，.由这个方程，知道了中的三个量，可以推出另外一个。

若光线为正入射，，则上式变为

                       (2.1.2)

其中为第级谱线的衍射角。

讨论：三个量中只需要知道两者就可以通过上式求出另外一个。比(2.1.1)式更简洁，免去了测量带来的麻烦和不准确，代价是需要精心调整入射光线使之正入射。

2.2       用最小偏向角法测定光波波长

如右图。入射光线与级衍射光线位于光栅法线同侧，(2.1.1)中应取加号。若记，则由三角形公式得

                        (2.2.1)

         可见，当时，最小，记，则(2.2.1)变为

                (2.2.2)

         讨论：和(2.1.2)相比，这个公式将对的测量变成了对最小偏向角的测量。之所以做这种变换，是因为人眼对大小的变化感知更明显，因此测量可以做的更精确，避免了测量时由于谱线不够窄、肉眼识别误差以及入射光不严格垂直光栅平面等等造成的不准确。

3         实验仪器

3.1       分光计

为实现平行光入射并测准光线方位角，分光计的调整应满足如下基本操作：望远镜适合于观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者的光轴都垂直于分光计主轴。

3.2       光栅

在实验中应使光栅刻线与分光计主轴平行。

因为如果光栅刻线不平行于分光计主轴，衍射光谱将会是倾斜的并且倾斜方向垂直于光栅刻痕的方向（而非分光计水平方向），但谱线本身仍平行于狭缝（因为保持狭缝的形状）。由于衍射谱线的倾斜，而分光计刻度线只能水平移动，难以测量其真实间距（需要将测得间距除以倾斜角的余弦才能得到真实间距，而这显然是难以做到的）。

通过调整小平台，可使光栅刻痕平行于分光计主轴。为调节方便,放置光栅时应使光栅平面垂直于小平台的两个调水平螺钉的连线。

3.3       水银灯

3.3.1       水银灯谱线的波长

3.3.2       注意事项

Ø  水银灯在使用中必须与扼流圈串接，不能直接接220V电源，否则要烧毁。

Ø  水银灯在使用过程中不要频繁启闭，否则会降低其寿命。

Ø  水银灯的紫外线很强，不可直视。

4   实验任务

共有四个主要内容。

Ø  调节分光计和光栅以满足要求

Ø  在时测定光栅常数和光波波长

Ø  在时测定水银灯光谱中波长较短的黄线波长

Ø  用最小偏向角法测定波长较长的黄线波长

着重解释后三个任务：

4.1       在时测定光栅常数和光波波长

Ø  调整光栅平面与平行光管光轴垂直

将望远镜对准零级谱线的中心，读出入射光方位。再测出左右两侧同一级的衍射谱线的方位角，分别计算其与入射光的夹角，若两者相差不超过，则近似认为已经调整垂直。

讨论：首先粗调，这样才能节省时间，更重要的是，只有保证光栅平面与平行光管光轴几乎垂直的情况下，才可能在法线两侧都看到谱线；其次，当发现两者相差超过时，应当判断零级谱线更接近哪一侧的谱线，若接近左侧谱线，则光栅应顺时针旋转（从分光计上方看），反之应该逆时针旋转，再次测量。

Ø  推导和的不确定度

的不确定度：

重写(2.1.2)式如下

                       (4.1.1)

由于本实验在测量时的为给定值，为常数，所以只需看和的关系。

                 (4.1.2)

                (4.1.3)

      (4.1.4)

可见，在不变的情况下，选择大一些的谱线比较好，但是级次大的谱线能量较小，因而可能难以分辨，所以实际操作时要灵活操作。

的不确定度：

                       (4.1.5)

                (4.1.6)

测量时的是前一步实验得出来的，所以不能看做定值，需要考虑其不确定度的影响。

,               (4.1.7)

                (4.1.8)

所以，越大，的不确定度越小。

综合和的情况，在可能看清的情况下，级次越大，测得的值误差越小。

Ø  测定

为了提高精度，一般是测量零级左右两侧各对应级次的衍射线的夹角2。

Ø  求及

已知，由测出的求出。再用测定水银灯的两条黄线和一条最亮的紫线波长，计算和的不确定度。

4.2       在时测定波长较短的黄线波长

Ø  使光栅平面发现与平行光管光轴夹角为，记下入射光方位和光栅平面的法线方位。

Ø  测定波长较短的黄线的衍射角。与光线垂直入射时的情况不同，在斜入射的情况下，对于同一波长的光，其分居入射光两侧且属同一级次的谱线的衍射角并不相等。实际上，若设左右两侧夹角分别为和，有

   (4.2.1)

因此，其只能分别测出。

Ø  根据上述读数，由(4.2.1)容易判断衍射光线和入射光线位居光栅平面法线同侧还是异侧。

Ø  确定的符号并用已求出的计算出水银灯光谱中波长较短的黄线的波长。

4.3       用最小偏向角法测定波长较长的黄线的波长

改变入射角，则谱线将随之移动，找到黄光某一条谱线与零级谱线的偏离为最小的方位后，就可由该谱线的方位及零级谱线的方位(即入射光的方位)测出最小偏向角。

实际测量时，为提高测量精度，可测2。方法是：先找到黄光中与入射线位居光栅平面法线同侧的某一条谱线，改变入射角，当其处于最小偏向角位置时，记下该谱线的方位;然后，以平行光管的光轴为对称轴，通过转动小平台，使光栅平面的法线转到对称位置上，在入射线的另一侧，对应级次的衍射线亦同时处于最小偏向角位置，记下其方位，前后两种情况下衍射线的夹角即为2。

利用已测出的和式(2.2.2)求出水银灯光谱中波长较长的黄线的波长，并与实验任务2中得到的实验结果相比较。

                

5         数据表格

5.1     i=0时，测定光栅常数和光波波长

光栅编号：　  　；＝　  　；入射光方位＝　         ；＝         　；

5.2     i=15时，测量波长较短的黄线的波长

光栅编号：　     　；光栅平面法线方位＝　         　；＝　         　。

5.3     最小偏向角法

6         数据处理

7         思考题

1）测d和时，实验要保证什么条件？如何实现？

答 要求条件1：分光计望远镜适合观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者光轴均垂直于分光计主轴。

实现：先用自准法调节望远镜，再用调节好的望远镜观察平行光管发出的平行光，调节缝宽和平行光管的高度，使得狭缝的象最清晰而且正好被十字叉丝的中间一根横线等分，分光计就调节好了。

要求条件2：光栅平面与平行光管的光轴垂直。

实现：如本文4.1所述，首先粗调，然后，当发现两者相差超过时，应当判断零级谱线更接近哪一侧的谱线，若接近左侧谱线，则光栅应顺时针旋转（从分光计上方看），反之应该逆时针旋转，再次测量。

2）分析，与的关系

答 如4.1小节（P4）所述。

3）在实验中，如何保证入射角？

答 借助光栅平面也具有反射性进行调整。在垂直入射且已知垂直入射方向方位角的基础上，移动望远镜使得游标的示数比垂直入射时的示数偏移，此时再转动小平台，使得光栅平面反射回来的十字叉丝与望远镜叉丝在水平方向上重合，即可保证入射角为。

4）利用光栅分光和棱镜分光，产生的光谱有和区别？

答 光栅衍射光谱

Ø  利用不同波长的光具有不同的衍射角进行分光

Ø  得到的谱线中有零级谱线，其余谱线在零级谱线两边按照波长从小到大依次排开

Ø  同一波长的光，可得到不同级次的谱线

棱镜衍射光谱

Ø  利用了频率不同的光在相同介质中的折射率不同进行分光

Ø  没有零级谱线，或者说没有级次之分

Ø  得到的谱线中每种颜色的谱线只有一条，且按光的波长的顺序依次排列。

8         实验总结

这次实验是基于分光计的光栅衍射实验。由于分光计的操作已经很熟练了，所以实验总体来说比较简单，实验中遇到过以下几个问题：

Ø  数据读取错误。有一个数据读取时由于粗心多读了一度，导致数据误差太大无法通过。

Ø  实验中应该每做完一个步骤就去验收，这样才能保证在数据有误的时候实验仪器能够保持原状从新读数。这次实验中由于验收的同学太多，我做完第二个步骤之后没有及时验收，最后去测试的时候发现第二个步骤的数据有误，但是此时仪器已经调整到了最小偏向角测波长的那一步，导致恢复起来花了些许时间。

Ø  在i=15时异侧的二级谱线衍射角度较大，光强较弱，比较难以观察，在最小偏向角法测量波长时也遇到了同样问题。实验中采取了如下方法：关灯以降低背景光强；增大缝宽以增大衍射光强，并在找到光线之后减小缝宽以使光线变细；最小偏向角法时还可以在角度较小时就用望远镜“跟踪”谱线。这样谱线就更容易测量了。