Informe del experimento de demostración de física de la Universidad de Qiqiu: Óptica
Utilice una rejilla de transmisión para medir la longitud de onda de las ondas de luz
08 Física Yang Guihong
Departamento de Física, Universidad Yunnan Honghe, Yunnan Mengzi 661100
Resumen: este artículo presenta cómo utilizar una rejilla de transmisión para medir la longitud de onda de las ondas de luz, así como los detalles de la medición y la preparación experimental antes de la medición.
Palabras clave: rejilla, valor máximo principal, valor submáximo, espectrómetro, luz monocromática, luz policromática.
Introducción:
Nuestras vidas no pueden separarse de la luz del sol. Normalmente pensamos en la luz solar como luz monocromática [1] (luz de una única longitud de onda). De hecho, la luz que nos rodea es luz policromática (luz compuesta por dos o más luces monocromáticas), que se compone de 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, como rejillas de transmisión y rejillas de reflexión, rejillas planas y rejillas cóncavas, rejillas blancas y negras y rejillas sinusoidales, rejillas unidimensionales, rejillas bidimensionales y rejillas tridimensionales, etc. La rejilla utilizada en este experimento es una rejilla de transmisión holográfica fotografiada utilizando tecnología holográfica. Si la superficie de la rejilla está contaminada y es difícil de limpiar, se debe prestar especial atención al utilizarla [2].
Un espectrómetro es un instrumento óptico que puede medir ángulos con precisión. A menudo se utiliza para medir el índice de refracción, la tasa de dispersión, la longitud de onda de la luz y la observación espectral de materiales. Debido a que el equipo es sofisticado y tiene muchos componentes de control complejos, debe ajustarse estrictamente de acuerdo con ciertas reglas y procedimientos para poder medir resultados precisos.
El espectrómetro consta principalmente de cinco partes: base triangular, colimador, telescopio, placa de calibración y platina. Los nombres y funciones de los dispositivos de ajuste en la figura se muestran en la Tabla 1.
Diagrama esquemático de la estructura básica del espectrómetro
Tabla 1 Nombre y función del dispositivo de ajuste del espectrómetro
Código de función
1 Tornillo de ajuste del ancho de la hendidura Ajuste el ancho de la hendidura para cambiar el ancho de la luz incidente.
2 Dispositivo de hendidura
3 Al aflojar el tornillo de bloqueo del dispositivo de hendidura, tire del dispositivo de hendidura hacia adelante y hacia atrás para ajustar la luz paralela. Después del ajuste, ciérrelo para asegurar el dispositivo de hendidura.
4 El colimador produce luz paralela.
5. Los componentes ópticos se colocan en el escenario. Debajo de la encimera se instalan tres tornillos de rosca fina 7 para ajustar la inclinación de la encimera. Afloje el tornillo 8, levante y gire la platina.
6. Sujete la lengüeta del objeto a medir y sujete el elemento óptico en el escenario.
Se utilizan siete tornillos de ajuste del escenario (3 piezas) para ajustar el nivel del escenario.
8 Afloje el tornillo de bloqueo de la platina y la platina podrá girar y levantarse de forma independiente después de bloquearse, la platina puede girar sincrónicamente con el disco del cursor de lectura.
9 El telescopio observa la luz tras la acción de componentes ópticos.
Cuando se afloja el tornillo de bloqueo del dispositivo ocular 10, el dispositivo ocular se puede extender y girar (enfoque del telescopio después de bloquear, el dispositivo ocular se fija);
11 El dispositivo ocular autocolimador tipo Abbe puede ser telescópico y giratorio (enfoque telescópico).
El volante de enfoque del ocular de 12 pulgadas ajusta el enfoque del ocular para aclarar la mira y el punto de mira.
13 El tornillo de ajuste del ángulo de elevación del eje óptico del telescopio ajusta el ángulo de elevación 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.
Soporte telescópico de 15 pulgadas
Dos cursores están dispuestos simétricamente en la placa de 16 cursores.
17 El cursor está dividido en 30 celdas, correspondiendo cada celda a un ángulo de 1’.
18 Tornillo de ajuste fino del telescopio Este tornillo está ubicado en el reverso de la Figura 14-1. Después de bloquear el tornillo de freno 21 del soporte telescópico, ajuste el tornillo 18 para girar ligeramente el soporte telescópico.
19 El dial está dividido en 360°, y la escala más pequeña es de medio grado (30’). Si es menos de medio grado, use el cursor para leer.
Encienda la fuente de alimentación de iluminación del ocular 20. Desde el ocular se puede ver un punto verde y una cruz negra.
21 Tornillo del freno del soporte telescópico Este tornillo está ubicado en el lado opuesto de la Figura 14-1. Una vez bloqueado, el soporte del telescopio sólo se puede girar ligeramente utilizando el tornillo de ajuste del telescopio 18.
Después de bloquear el soporte del telescopio con el tornillo de bloqueo del dial, el telescopio y el dial giran sincrónicamente.
23 Toma de corriente del espectrómetro
La base triangular del espectrómetro es la base de todo el espectrómetro.
El centro de la base está equipado con un manguito de eje giratorio en dirección vertical, y todo el conjunto del telescopio, el dial y el disco vernier pueden girar de forma independiente alrededor del eje central. El colimador está fijado a una pata de la base triangular.
25 soporte del colimador
26 Tornillo de ajuste del calibrador a vernier Después de bloquear el tornillo de freno del calibrador a vernier 27, el tornillo de ajuste 26 puede hacer que el calibrador a vernier gire ligeramente.
Después de que 27 bloquea el tornillo del freno de disco de rueda libre, el freno de disco de rueda libre solo puede girar ligeramente con el tornillo de ajuste fino del disco de rueda libre 26.
28 Tornillo de ajuste horizontal del eje óptico del colimador Ajuste el tornillo para hacer que el colimador gire en el plano horizontal.
29 Ajustar el ángulo de elevación del eje óptico del colimador a través del tornillo de ajuste.
Principio experimental:
En la Figura 1, se dan varias curvas de factores de interferencia entre vetas de carbón con diferentes números. A modo de comparación, la ordenada es reducida y tienen las siguientes características:
(1) El tamaño, posición y número de los principales picos fuertes
Cuando (),,, pero su relación, estos lugares son los máximos principales del factor de interferencia entre rendijas (algunos máximos y mínimos de intensidad nuevos aparecen en el patrón de difracción de múltiples rendijas, entre los cuales las líneas brillantes más fuertes se llaman máximos principales, y las más débiles La línea brillante se llama el valor submáximo). Esto significa que el ángulo de difracción satisface la siguiente condición:
(1)
La ecuación (1) muestra que siempre que hay un máximo principal en la dirección en la que el ángulo de difracción satisface la ecuación (1) valor, la intensidad del máximo principal es el doble de la intensidad de una sola rendija en esa dirección. La posición del punto fuerte principal no tiene nada que ver con el número de costuras n. Nivel máximo k |
(2) La posición del punto cero, el ancho del semiángulo mayor y el número del semiángulo menor.
Cuando Nβ es igual a un múltiplo entero de π, pero β no es un múltiplo entero de π, sinNβ=0, sinβ≠0, que es el punto cero del factor de interferencia entre grietas. El punto cero está en la siguiente posición:
Sinθ=(k+m/N)λ/d (2) donde k = 0, 1, 2,...; ., N-1.
Entonces hay N-1 líneas oscuras (puntos cero) entre los puntos fuertes principales, y hay un punto sub-fuerte entre líneas oscuras adyacentes, por lo que * * *, hay N-2 sub-puntos puntos fuertes.
¿La fórmula del ancho del medio ángulo es △θ=λ/Nd? cosθk .(3)
El ancho del semiángulo del extremo principal △ θ es inversamente proporcional a nd. Cuanto mayor es Nd, menor es △ θ, lo que significa que mayor es la nitidez del extremo principal. . Reflejadas en la pantalla, más delgadas son las principales líneas intensas y brillantes.
Solo analizamos las características del factor de interferencia entre las rendijas anteriores, y la distribución de intensidad de la luz real debe multiplicarse por el factor de difracción de una sola rendija. Multiplicando el factor de interferencia entre rendijas que se muestra en la Figura 1 y el factor de difracción de rendija única que se muestra en la Figura 1, se obtiene la distribución de intensidad de la luz que se muestra en la Figura 2 [(a), (b), (c)]. De esto se puede ver que la distribución de intensidad de la luz real obtenida multiplicando el factor de difracción de rendija única está en todos los niveles.
Una vez dado el intervalo d de las rendijas, se determina la posición del polo principal. En este momento, el factor de difracción de rendija única no cambia la posición ni el ancho del semiángulo del polo principal, solo cambia la intensidad de los polos principales en cada nivel. En otras palabras, el factor de difracción de rendija simple afecta la distribución de intensidad entre los polos principales de cada nivel.
Como se muestra en la Figura 3, seamos la fuente de luz de rendija delgada ubicada en el plano focal objetivo de la lente L1, y G sea la rejilla. La distancia d entre dos rendijas adyacentes correspondientes en la rejilla se llama constante de rejilla. La luz paralela emitida desde L1 se irradia verticalmente sobre la rejilla G. La lente L2 hará converger la luz difractada en un ángulo θ con la línea normal de la rejilla. La imagen está en el punto Pθ en el plano focal, que se obtiene mediante el principio espectroscópico de rejilla de (1).
(3)
La fórmula anterior se llama ecuación de rejilla, donde 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 rendija de la fuente de luz, 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 formando un espectro. En este momento, las líneas brillantes con diferentes longitudes 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 determinan el ángulo de difracción θ y el orden espectral K de una línea espectral, la longitud de onda λ de la línea espectral se puede obtener mediante la fórmula (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 cruz verde y la mira sean lo más claras posible.
b. Ajuste la platina de modo que las alturas de las partes sobresalientes de los tres tornillos siguientes sean iguales y 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 de ajuste aproximado: coloque un prisma en el escenario. Cuando una superficie óptica del prisma es casi perpendicular al eje óptico del telescopio, debería poder ver la imagen transversal reflejada, que generalmente no coincide con el punto de intersección de la línea transversal, y el ajuste aproximado estará completo.
(2) Puesta a punto.
a. Adaptar el telescopio del espectrómetro a la luz paralela (enfocarse en el infinito). El eje principal del telescopio y el colimador es perpendicular al eje principal del instrumento, y el colimador emite luz paralela.
b. Apunte el telescopio al tubo colimador, observe la imagen del tubo colimador iluminado cortado desde el telescopio, haga que coincida con la línea vertical de la mira y fije el telescopio. Con referencia a la Figura 3, coloque la rejilla, encienda la iluminación de la cruceta del ocular (retire o apague la iluminación de hendidura), gire la platina hacia la izquierda y hacia la derecha y vea la "cruz verde" reflejada. Ajuste b2 o b3 para que la "cruz verde" coincida con la cruceta de ajuste en el ocular. En este momento, la superficie de la rejilla es perpendicular a la luz incidente.
Utiliza una lámpara de mercurio para iluminar la hendidura del tubo paralelo y gira el telescopio para observar el espectro. Si las líneas espectrales en los lados izquierdo y derecho no son iguales a la línea horizontal de la cruz 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 momento, ajuste el tornillo b1 de la plataforma para que queden consistentes. Finalmente, el plano de difracción de la superficie de la rejilla se ajusta para que sea consistente con el plano del dial de la superficie de observación.
2. Mida la constante de rejilla d: siempre que se mida el ángulo de difracción de la línea espectral de longitud de onda conocida λ en el k-ésimo espectro, el valor de d se puede obtener de acuerdo con la fórmula (3). ).
(1).Ajustar el espectrómetro según (1).
(2). Ajuste la posición de la rejilla.
(3) Utilice una lámpara de mercurio para iluminar el colimador, gire el telescopio hacia un lado de la rejilla y alinee la línea vertical de. el punto de mira con la rejilla encuentre el centro de la línea espectral K-ésima de longitud de onda conocida y registre dos valores de nonio.
(4) Gire el telescopio hacia el otro lado de la rejilla, alinee la línea vertical de la cruz con el centro de la K-ésima línea espectral de longitud de onda conocida y registre los dos valores de nonio.
(5) Repita los pasos 4 y 5 dos veces para obtener tres conjuntos de datos.
3. El orden espectral k lo determinamos nosotros mismos. Dado que se ha medido la constante de rejilla d, siempre que se desconozca el ángulo de difracción de la K-ésima línea espectral de la longitud de onda, se puede obtener 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 una de las dos líneas amarillas del espectro de la lámpara de sodio.
Mida la longitud de onda desconocida
(1). Ilumine el colimador con una lámpara de mercurio, gire el telescopio hacia un lado de la rejilla y alinee la línea vertical de la cruz con la longitud de onda. de la longitud de onda conocida. En el centro de la línea espectral Kth, se registran dos valores del cursor.
(2) Gire el telescopio hacia un lado de la rejilla, alinee las líneas verticales de las líneas cruzadas, conozca el centro de la K-ésima línea espectral de la longitud de onda y registre los dos valores del cursor; telescopio al otro lado de la rejilla, mida como se indica arriba. La diferencia entre dos lecturas del mismo cursor es el doble del ángulo de difracción.
(3) Repita los pasos 1 y 2 dos veces para obtener tres conjuntos de datos.
Datos experimentales: Ver tabla de registro de datos experimentales.
Tabla de registro de datos experimentales
Tabla 2 Datos experimentales de la constante de rejilla d
Secuencia de medición ()
1
2
Tres
Tabla 3 Datos experimentales para medir longitudes de onda desconocidas
Secuencia de medición ()
1
2
Tres
Resultados experimentales:
1. Mida la constante de la rejilla
Según el valor promedio obtenido de la Tabla 2. .
= (1)
Basado en el principio de rejilla,
así que
Y porque en este experimento, la línea de onda de la luz verde nm es el promedio de los ángulos de difracción, por lo que se obtiene el promedio de D.
(Nano)(2)
2. Mide la longitud de onda de la luz azul-violeta
Según el valor medio obtenido de la Tabla 3
= (3)
Ya que obtenemos
Porque en este experimento, la constante de la rejilla nm es el valor promedio del ángulo de difracción, por lo que se toma el valor promedio.
(Nano)(4)
Referencias:
[1], Zhao Kaihua. Tutorial Nuevo Concepto Física-Óptica. Prensa de Educación Superior, 2004.
[2]Jin Qing, editor en jefe. Experimentos de física básica. Zhejiang University Press, 2006
[3] Yang, editor en jefe, Wang Dingxing, editor en jefe. Experimentos de física general (parte de óptica). Prensa de educación superior, 1993.