Esto es lo que escribimos antes. ¿Puedes ver si se puede?
Usa una rejilla de transmisión para medir la longitud de onda de la luz
08 Física Yang Guihong
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Departamento de Física de la provincia de Yunnan, Universidad de Honghe, Mengzi, Yunnan 661100
Resumen: este artículo describe cómo utilizar una rejilla de transmisión para medir la longitud de onda de la luz, así como los detalles de la medición y la preparación experimental antes de la medición.
Palabras clave: rejilla, máximo primario, submáximo, espectrómetro, luz monocromática, luz de color complejo
Introducción:
Nuestras vidas son inseparables de Encender la luz del sol, nosotros Normalmente pensamos en la luz solar como una especie de luz monocromática [1] (luz de una sola longitud de onda). De hecho, la luz que nos rodea es luz policromática (luz compuesta por dos o más luces monocromáticas). Está compuesta por luz monocromática de diferentes longitudes de onda.
En términos generales, las pantallas de difracción con estructuras espaciales periódicas o propiedades ópticas (como la transmitancia y el índice de refracción) se denominan colectivamente rejillas. Hay muchos tipos de rejillas, incluidas rejillas de transmisión y rejillas de reflexión, rejillas planas y rejillas cóncavas, rejillas en blanco y negro y rejillas sinusoidales, rejillas unidimensionales, rejillas bidimensionales y rejillas tridimensionales, etc. La rejilla utilizada en este experimento es una rejilla de transmisión holográfica capturada mediante tecnología holográfica. Si la superficie de la rejilla está contaminada y es difícil de limpiar, se debe tener especial cuidado al usarla [2].
Un espectrómetro es un instrumento óptico que puede medir ángulos con precisión. Se utiliza comúnmente para medir el índice de refracción, la tasa de dispersión, la longitud de onda de la luz y realizar observaciones espectrales de materiales. Dado que el dispositivo es relativamente sofisticado y tiene muchos y complejos componentes de control, debe ajustarse estrictamente de acuerdo con ciertas reglas y procedimientos cuando se utiliza para obtener resultados de medición precisos.
El espectrómetro consta principalmente de cinco componentes: base triangular, tubo de luz paralelo, telescopio, disco de escala y platina. Los nombres y funciones de cada dispositivo de ajuste en la figura se muestran en la Tabla 1.
Diagrama esquemático de la estructura básica del espectrómetro
Tabla 1 Nombres y funciones de cada dispositivo de ajuste del espectrómetro
Código Nombre Función
1 Rendija El tornillo de ajuste del ancho ajusta el ancho de la rendija y cambia el ancho de la luz incidente
2 Dispositivo de hendidura
3 Cuando se afloja el tornillo de bloqueo del dispositivo de hendidura, tire de la rendija Dispositivo hacia adelante y hacia atrás para ajustar la luz paralela. Después del ajuste, ciérrelo para fijar el dispositivo de hendidura.
4 tubos de luz colimadores producen luz paralela
5 etapas sostienen componentes ópticos. Debajo de la mesa se instalan tres tornillos de rosca fina 7 para ajustar la inclinación de la mesa. Afloje el tornillo 8 para levantar y girar el escenario.
6 Sujeta el objeto a probar con resortes que sujetan los componentes ópticos en el escenario
7 Tornillos de ajuste del escenario (3 piezas) Ajusta el nivel de la mesa del escenario
>8 Cuando se afloja el tornillo de bloqueo de la platina, la platina puede girar y subir y bajar de forma independiente después de bloquearse, la platina y el cursor de lectura pueden girar sincrónicamente
9 Experiencia de observación del telescopio Luz después de la acción; de elementos ópticos
10 Cuando se afloja el tornillo de bloqueo del dispositivo ocular, el dispositivo ocular se puede retraer y girar (enfoque del telescopio después de bloquear, el dispositivo ocular se fija
11 El El dispositivo ocular autoalineable tipo Abbe se puede retraer y girar (enfoque telescópico)
12 El volante de enfoque del ocular ajusta el enfoque del ocular para aclarar la retícula y la mira
13 El tornillo de ajuste de elevación del eje óptico del telescopio ajusta el ángulo de inclinación del telescopio
14 Tornillo de ajuste horizontal del eje óptico del telescopio Ajuste este tornillo para hacer que el telescopio gire en el plano horizontal
15 Soporte del telescopio
16 Dos verniers están colocados simétricamente en el disco del cursor
17 El cursor está dividido en 30 cuadrículas pequeñas, cada cuadrícula pequeña corresponde a un ángulo de 1'
18 Telescopio tornillo de ajuste fino Este tornillo está ubicado en la Figura 14: lo opuesto a 1. Después de apretar el tornillo de freno del soporte del telescopio 21, ajuste el tornillo 18 para que el soporte del telescopio gire ligeramente
19 El dial está dividido en 360° y la escala mínima es de medio grado (30′). es menos de medio grado. Utilice la lectura del vernier
20 Encienda la fuente de alimentación de iluminación del ocular 20, podrá ver un punto verde y una cruz negra desde el ocular
21 Tornillo del freno del soporte del telescopio Este tornillo se encuentra en la Figura 14, lo opuesto a 1.
Después de bloquear, solo puede usar el tornillo de ajuste fino del telescopio 18 para girar el soporte del telescopio en una pequeña cantidad
22 Después de apretar el soporte del telescopio y el tornillo de bloqueo del dial, el telescopio y el dial giran sincrónicamente
23 Toma de corriente del espectrómetro
24 Base triangular del espectrómetro Es la base de todo el espectrómetro. Hay un manguito de eje giratorio a lo largo de la dirección vertical en el centro de la base. Todo el componente del telescopio, el disco de escala y el disco vernier pueden girar de forma independiente alrededor del eje central. El tubo de luz paralelo se fija en una pata de la base triangular
25 Soporte del tubo de luz paralelo
26 Después de que el tornillo de ajuste fino del disco del cursor bloquea el tornillo de frenado 27 del disco del cursor, el El tornillo de ajuste 26 puede hacer que el disco vernier gire en un rango pequeño
27 Después de que el tornillo del freno del disco del cursor esté bloqueado, solo puede usar el tornillo de ajuste fino del disco vernier 26 para hacer que el disco del cursor gire en un rango pequeño. rango pequeño
28 Tubo de luz colimador Tornillo de ajuste horizontal del eje óptico Ajuste este tornillo para hacer que el tubo de luz paralelo gire en el plano horizontal
29 El tornillo de ajuste del ángulo de elevación del eje óptico del paralelo el tubo de luz ajusta el ángulo de paso del tubo de luz paralelo
Principio experimental:
La figura 1 muestra varias curvas de factores de interferencia con diferentes números de rendijas. Para facilitar la comparación, la ordenada. se ha reducido Tienen las siguientes características:
(1) Polo principal El tamaño, posición y número de picos fuertes
Cuando ( ), , , pero su proporción, estos lugares. son los máximos principales del factor de interferencia entre rendijas (algunos nuevos máximos de intensidad aparecen en el patrón de difracción de múltiples rendijas Máximos y mínimos, las líneas brillantes más fuertes se denominan máximos principales y las líneas brillantes más débiles se denominan submáximos). Significa que el ángulo de difracción satisface las siguientes condiciones:
(1)
La ecuación (1) muestra que siempre que aparece un máximo principal en la dirección donde el ángulo de difracción satisface la ecuación (1 ), el máximo principal La resistencia máxima es multiplicada por la resistencia de una sola costura en esa dirección. La posición del poste principal no tiene nada que ver con el número de costuras N. El nivel máximo del polo principal |k| (2) La posición del punto cero, el ancho del semiángulo del polo principal y el número de polos secundarios. Cuando Nβ es igual a un múltiplo entero de π pero β no es un múltiplo entero de π, sinNβ= 0, sinβ≠0, aquí está el punto cero del factor de interferencia entre rendijas. El punto cero está en la siguiente posición: sinθ=(k+m/N)λ/d (2) donde k=0,±1,±2,…;m=1,…, N-1. Entonces hay N-1 líneas oscuras (puntos cero) entre cada polo principal, y hay un submáximo entre líneas oscuras adyacentes, por lo que hay N-2 submáximos. La fórmula para el ancho del medio ángulo es: △θ=λ/Nd?cosθk. (3) El ancho del medio ángulo Δθ del polo principal es inversamente proporcional a Nd. Cuanto mayor es Nd, menor es △θ, lo que significa que mayor es la nitidez del polo principal. Reflejadas en la pantalla, las principales líneas brillantes extremadamente fuertes son más delgadas. Solo analizamos las características del factor de interferencia entre rendijas anterior. La distribución de intensidad real debe multiplicarse por el factor de difracción de rendija única. Multiplique el factor de interferencia entre rendijas que se muestra en la Figura 1. Con el factor de difracción de una sola rendija, se obtiene la distribución de intensidad que se muestra en la Figura 2 [(a), (b), (c)]. Desde aquí se puede ver que la distribución de intensidad real se obtiene multiplicando por la difracción de una sola rendija. factor Se dice que las magnitudes de los extremos son diferentes, especialmente los extremos principales de aquellos órdenes que justo llegan al punto cero del factor de difracción de rendija única desaparecen. Este fenómeno se llama órdenes faltantes. se da el intervalo de rendija d. Se determina la posición del polo principal. En este momento, el factor de difracción de rendija única no cambia la posición y el ancho del semiángulo del polo principal, solo cambia la intensidad del polo principal. en cada nivel, la acción manual del factor de difracción de rendija única afecta la distribución de intensidad entre los polos principales en todos los niveles. Como se muestra en la Figura 3, sea S una fuente de luz de rendija delgada. ubicada en el plano focal cuadrado del objeto de la lente L1, G es una rejilla y adyacente La distancia d entre las dos rendijas correspondientes se llama constante de rejilla. La luz paralela emitida desde L1 ilumina la rejilla G verticalmente. La lente L2 hace converger la luz difractada en un ángulo θ con la línea normal de la rejilla en el punto Pθ en su plano focal cuadrado de imagen, que se obtiene del principio espectroscópico de la rejilla de la ecuación (1) ( 3) La fórmula anterior se llama ecuación de rejilla. En la fórmula, θ es el ángulo de difracción, λ es la longitud de onda de la onda de luz y k es la serie espectral (k=0, ±1). , ±2...). La franja brillante de difracción es en realidad la imagen de difracción de la fuente de luz más la rendija, que es una línea brillante delgada y nítida. Cuando k = 0, en la dirección de θ = 0, las líneas brillantes de varias longitudes de onda se superponen para formar una imagen brillante de orden cero. Para otros valores de k, aparecen líneas brillantes de diferentes longitudes de onda en diferentes direcciones para formar un espectro. En este momento, las líneas brillantes de cada longitud de onda se denominan líneas espectrales. Los dos conjuntos de espectros correspondientes a los valores positivos y negativos de k están distribuidos simétricamente a ambos lados de la imagen de orden cero. Por lo tanto, si se conoce la constante de la red d. Cuando se miden el ángulo de difracción θ y el orden espectral k de una determinada línea espectral, la longitud de onda λ de la línea espectral se puede calcular a partir de la ecuación (1) a la inversa, si se conoce la longitud de onda λ; Entonces se puede encontrar la constante de rejilla d. Pasos experimentales: 1. Ajustar el espectrómetro durante el experimento, (1) Ajuste aproximado. A. Gire el volante del ocular para que la mira y la cruz verde sean lo más claras posible. B. Ajuste la platina de modo que las partes extendidas de los tres tornillos que se encuentran debajo estén a la misma altura, de modo que el plano de la platina sea aproximadamente perpendicular al eje (inspección visual). C. Ajuste el tornillo de ajuste del paso del eje óptico del telescopio para que el eje óptico del telescopio esté lo más horizontal posible (inspección visual). Requisitos para el ajuste aproximado: Colocar un prisma en el escenario. Cuando una superficie óptica del prisma es casi perpendicular al eje óptico del telescopio, debería poder ver la imagen cruzada reflejada. La imagen cruzada generalmente no coincide con la intersección en la retícula y el ajuste aproximado ahora está completo. . (2) Ajuste fino. A. Para adaptar el telescopio espectrómetro a luz paralela (enfocando al infinito), los ejes principales del telescopio y el tubo colimador son perpendiculares al eje principal del instrumento, y el tubo colimador emite luz paralela. B, alinee el telescopio con el tubo colimador, observe la imagen de hendidura iluminada del tubo colimador a través del telescopio, haga que coincida con la línea vertical del cable transversal y fije el telescopio. Consulte la Figura 3 para colocar la rejilla, encienda la iluminación del cable transversal del ocular (aléjese o apague la iluminación del espacio), gire la plataforma hacia la izquierda y hacia la derecha, vea la "cruz verde" reflejada, ajuste b2 o b3 para que la La "cruz verde" está alineada con el ocular. Las cruces de ajuste coinciden. En este momento, la superficie de la rejilla es perpendicular a la luz incidente. Utilice una lámpara de mercurio para iluminar la ranura del tubo colimador y gire el telescopio para observar el espectro si las líneas espectrales de los lados izquierdo y derecho tienen diferentes alturas con respecto a la línea horizontal de la cruz. cable en el ocular (como se muestra en la Figura 3), significa que la superficie de difracción de la rejilla no es consistente con la superficie de observación. En este caso, el tornillo b1 en la plataforma se puede ajustar para que sean consistentes. Finalmente, la superficie de difracción de la superficie de la rejilla debe ajustarse para que sea consistente con el plano del dial de la superficie de observación. 2. Medición de la constante de rejilla d: siempre que se mida el ángulo de difracción de la línea espectral con una longitud de onda conocida λ en el espectro de nivel k, el valor d se puede calcular de acuerdo con la ecuación ( 3). (1). Ajuste el espectrómetro según los pasos (1) (2). Ajuste la posición de la rejilla. (3). Para iluminar el colimador Tubo recto, gire el telescopio hacia un lado de la rejilla de modo que la línea vertical de la cruz quede alineada con el centro de la línea espectral de orden k de una longitud de onda conocida y registre los dos valores de nonio. (4). Gire el telescopio hacia el otro lado de la rejilla, alinee la línea vertical del cable transversal con el centro de la k-ésima línea espectral de la longitud de onda conocida y registre el segundo cursor. valor. (5). Repita los pasos 4 y 5 dos veces para obtener 3 conjuntos de datos. 3. El orden espectral k lo determina usted mismo. Dado que se ha medido la constante de rejilla d, siempre que el ángulo de difracción de la línea espectral de orden k de longitud de onda desconocida sea, se puede calcular su valor de longitud de onda. . Para conocer la longitud de onda, puedes utilizar la línea verde (nm) del espectro de la lámpara de mercurio, o puedes utilizar una de las dos líneas amarillas (nm) del espectro de la lámpara de sodio. 3. Mida la longitud de onda desconocida (1). Utilice una lámpara de mercurio para iluminar el tubo colimador, gire el telescopio hacia un lado de la rejilla y alinee las líneas verticales de. los alambres transversales Conozca el centro de la línea espectral de orden k de longitud de onda conocida y registre los dos valores de vernier. (2). Gire el telescopio hacia un lado de la rejilla, alinee la línea vertical del cable transversal con el centro de la k-ésima línea espectral de longitud de onda conocida y registre los dos valores del cursor; gire el telescopio hacia el lado de la rejilla. En el otro lado, mida como arriba, la diferencia entre dos lecturas del mismo nonio es el doble del ángulo de difracción. (3). Repita los pasos 1 y 2 dos veces para obtener 3 conjuntos de datos. Datos experimentales: ver tabla de registro de datos experimentales Tabla de registro de datos experimentales Tabla 2 datos experimentales para medir la constante de rejilla d Medición secuencia ( ) 1 2 3 Tabla 3 Datos experimentales para medir longitudes de onda desconocidas Medición orden ( ) 1 2 3 Resultados experimentales: 1. Medición de la constante de la rejilla Según el valor promedio obtenido de la Tabla 2 = (1) Basado en el principio de la rejilla, por lo tanto: Y debido a que en este experimento, la línea de onda nm de la luz verde es el valor promedio del ángulo de difracción, entonces se obtiene el valor promedio de d (nm) (2) 2. Mide la longitud de onda de la luz azul-violeta Según el valor promedio obtenido de la Tabla 3 = (3) Desde entonces, obtenemos Y debido a que en este experimento, la constante de la rejilla nm es el valor promedio del ángulo de difracción, entonces se obtiene el valor promedio (nm) (4) Referencias: [1], Zhao Kaihua. Tutorial de física de nuevos conceptos - Óptica, 2004 [2], Jin. Qingqing, editor en jefe Huang Xiaohong. Experimento de física básica. Sociedad de prensa de la Universidad de Zhejiang 2006 [3], editado por Yang Shuwu y Wang Dingxing. Experimentos de física general (parte de óptica). 1993