探究活動-光譜儀

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1、探究實驗——制作光譜儀一、實驗目的二、實驗儀器或用品三、實驗原理四、光碟光譜儀的制作五、實驗數(shù)據(jù)六、光譜儀的應用探究內容實驗目的1、分析光碟的結構，探索其與光柵的關系。2、探究反射光柵的光譜特性，加深理解形成光譜的規(guī)律和原理。3、制作光譜儀，增強動手能力，讓理論與實際緊密結合。4、光碟光譜儀應用到實驗中，觀察各類光譜。實驗儀器或用品一張無損的光碟、汞光燈（產生線光源）、凸透鏡、分光計、黑盒子、硬卡片（IC卡等）、小刀、剪刀、膠布等等實驗原理復色光經過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學頻譜。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼

2、可見的一部分，在這個波長范圍內的電磁輻射被稱作可見光。但光譜并沒有包含人類大腦視覺所能區(qū)別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。在觀察和研究光譜中，光譜儀是最重要、最常用的儀器。在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)光碟表面反射的光成彩色條紋；就是由于光碟具有分光的作用，它是一種反射光柵。我們可以利用光碟的這一特性，設計一個光碟光譜儀。1、反射光柵衍射光柵是由大量平行、等寬、等距的狹縫（或刻痕）構成的一種精密的分光元件，它可以把不同波長的光分開并形成明亮細窄的譜線，常分為透射光柵和反射光柵。設凹槽部分寬度為a，非凹槽部分為b，a+b=d稱為光柵常數(shù)。當平行光斜入射到光柵上時，每個凹槽的反射光都會發(fā)生衍射，而不同凹槽

3、的衍射光又要彼此發(fā)生干涉。a、單元衍射一個刻槽中，兩端邊緣光線間光程差（AB=a）相位差b、多單元干涉相鄰兩槽間對應點光線光程差（EF=d）相位差反射光柵夫瑯禾費衍射光強分布為：單槽衍射槽間干涉當時產生極大平面反射光柵的光柵方程2、光柵的基本特性光柵的基本特性可以用它的“分辨本領”和“角色散率”來表征。（1）光柵的分辨本領R兩條剛好可被該光柵分辨開的譜線的波長差?λ=λ2-λ1，去除它們波長的平均值，即光柵的分辨本領R越大，表明光柵能分辨開的波長差越小，光柵分辨細微結構的能力越強。由理論知識可以推出，光柵的分辨本領R為：（2）光柵的角色散率D同一級譜線中兩條譜線的衍射角之差?φ與它們的波長差

4、?λ之比。即：由上式知，光柵的角色散率與光柵常數(shù)d成反比，光柵常數(shù)d越小（即每毫米所含狹縫（凹槽）數(shù)越多），光柵的角色散率就越大，光譜就被分得越開，光柵的分辨本領越強。式中，j為衍射的級數(shù)，N為光柵有效使用面積內的總狹縫(凹槽)數(shù)。對于一定的光柵，有效使用面積越大，狹縫數(shù)就越多，譜線就越細銳，光柵的分辨本領就越大。3、光碟的構造如上右圖所示，光碟主要由以下幾層組成:最下一層由聚碳酸酯樹脂構成的較厚透明的基底，起著保護和支撐盤體的作用;其上一層為染料層,涂有光學染料,是記錄信息的層面;上一層為金屬膜（如鋁膜等）,作為反光層.在染料層上有周期性排列的螺旋圓環(huán)軌道稱為“磁道”。近視的看為同心圓，如

5、上左圖所示.每個“磁道”和兩“磁道”間的空隙的透光率不同.在半徑較大處可近似為一維光柵.當光線入射到這一層面上,根據(jù)光柵分光原理,光柵方程為:其中d為光柵周期——光盤上磁道寬度和磁道間距之和;λ為入射光波長;i為入射角;為第j級主極大出現(xiàn)的角度.光碟光譜儀的制作光譜學是光學的重要分支，它對量子力學的建立、分析物質結構、了解天體奧秘都是十分重要的方法．光譜儀是研究光譜的最重要、最常用的儀器；但由于造價較高，體積較大，攜帶不便．隨著科學技術的發(fā)展，光碟作為一種高效方便的存儲介質已經闖進這個信息時代．在學習生活中，我們很容易地發(fā)現(xiàn)光碟表面反射的光通常呈現(xiàn)彩色條紋狀，其原因是光碟有分光的用；因此可根

6、據(jù)光碟這一特性制作光碟光譜儀．光譜儀的構造圖及制作1、取一長方體盒子，并在前端開一平行于長方體表面狹縫，狹縫的寬度足夠小。由于這樣的狹縫相當細，并且紙盒開縫時不一定很整齊均勻；因此，我們可以選取一較硬的薄片附加在紙盒縫上。2、將光碟放在紙盒的中偏后部，且與狹縫平行，與紙盒表面成45°角（如上圖）。（在切割光碟取樣品時，不要將光碟的金屬膜損壞）注意：在實際應用時，由于狹縫較窄，有可能入射光的光強不足，導致現(xiàn)象不明顯或者無現(xiàn)象。因此，可以在狹縫前放一個半徑較大的凸透鏡，最好使狹縫位于該透鏡的像方焦平面，效果最佳。具體步驟制作材料可就地取材．在此列出制作初樣時所用的一些材料和做法，以作參考．1、我

7、們需要把牙膏盒的一端的多余的紙片剪除，把另一端保留住。2、推薦使用塑料卡片制作單縫，因為紙制品易產生碎屑，開較窄狹縫比較困難。3、為了防止卡片貼在紙盒一端后四角漏光，推薦制作這個裝置，再把塑料卡片鑲嵌在里面。4、把有單縫的卡片鑲嵌到紙片里面去，然后貼在紙盒開口的的一端，用膠帶貼住。5、切割光盤。由于光盤的金屬膜易脫落，在切割時應格外小心．先將金屬膜一面切開，再用力剪開光盤6、在紙盒的中后端切開45°的小縫，把