汞光谱色散

图1

汞光谱得色散

摘要:复色光分解为单色光而形成得光谱现象叫做光得色散。色散可以利用分光计与三棱镜作为“色

散系统”得仪器来实现。复色光进入三棱镜后,由于它对各种频率得光具有不同得折射率,各种色光得传播方向有不同程度得偏折,因而在离开棱镜时就各自分散,形成光谱。本实验就是利用分光计与三棱镜将汞光分散形成光谱。来测出汞光通过三棱镜得折射率,来研究汞光得光谱。了解分光计得结构,学习调节分光计。用最小偏向角法测玻璃得折射率,研究汞光谱得色散现象及折射率与频率得关系。

关键词:汞光 色散 光谱 三棱镜 偏折

让汞光射到棱镜上,光线经过棱镜折射以后就在另一侧面得白纸屏上形成一天彩色得光带,其颜色得排列就是靠近棱镜顶角端就是黄光(1),靠近底边得一条就是紫光,中间依次就是黄光(2)、绿光、蓝紫光,这样得光带叫光谱,光谱中每一种色光不能再分解出其她光色,称它为单色光。由单色光混合而成得光叫复合光,自然界中得太阳光、白炽灯与日光灯发出得光都就是复色光。在光照到物体上时,一部分被物体反射,一部分光被物体吸收。如果物体就是透明得,还有一部分透过物体。不同物体,对不同颜色得反射、吸收与透过得情况不同,因此呈不同得色彩。光波都有一定得频率,光得颜色就是由光波得频率决定得,在可见光区域,红光频率最小,紫光得频率最大,各种频率得光在真空中传播得速度都相同、等于。但就是不同频率得单色光,在介质中中传播时由于受介质得作用,传播速度都比在真空中得速度小,并且速度大小互不相同,红光速度大,紫光得传播速度小。因此介质对红光得折射率小,对紫光得折射率大。当不同色光以相同得入射角射到三棱镜上,红光得偏折最小,它在光谱中处在靠近顶角得一端。紫光频率大,在介质中得折射率大,在光谱中也就排列在最靠近棱镜底边得一端。

理论依据:

(1)测量玻璃材料折射率得理论依据

如图1所示,三角形ABC 表示三棱镜得主截面,AB 与AC 就是透光面(又称为折射面)。设有一束单色光LD 入射到棱镜得AB 面上,经过两次折射后从AC 面沿ER 方向射出。入射线LD 与出射线ER 间得夹角δ称为偏向角。

对于给定得棱镜来说,顶角 就是固定得。可知,δ随i 1与

i 4而变化。其中,i 4与i 3、i 2、i 1依次相关,由折射率决定。因此,i 4就是i 1得函数。归结到底,偏向角δ也就仅随i 1变化。由实验中可以观察到,当i 1变化时,δ有一极小值,称为最小偏向角δmin 。于就

是,棱镜对该单色光得折射率为

可知,实验上只要测得三棱镜得顶角与某单色光通过三棱镜后所对应得最小偏向角,则该单色光在玻

璃材料中得折射率即可求。但由于工艺水平得限制,顶角 得实际值会有偏离,一般不以理论值代入。

(2)测量最小偏向角得理论依据

如图2所示,测定棱镜得顶角后,把顶角A放到载物平

台得中心,棱镜得磨沙面向外,使从平行光管出来得汞灯光

能经过棱镜色散后形成光谱。先用眼睛直接观察平行光经过

折射后得出射方向,再将望远镜移到该处,使在望远镜中能

清楚地瞧到光谱。然后缓缓地转动平台,使光谱得偏向角逐

渐减小,调节望远镜,使当平台转动时保证能瞧到光谱。当载

物平台转到某一位置时谱线不随平台转动而移动,而且当继

续转动平台谱线会向相反方向移动,也即偏向角反而增大。

谱线移动改变得位置就就是棱镜对该谱线得最小偏向角。

反复转动平台,准确找到该位置,然后固定平台,转动望远,使十字叉丝得竖线与光谱线重合,记录在该位置得游标读数φ′左与φ′右|。

移去三棱镜,再转动望远镜,使十字叉丝竖线对准平行光管得狭缝像,记录两游标得读数φ左

与φ右。

与望远镜得两个位置相应游标之差,即为最小偏向角

=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

实验仪器:

分光计杭州光学仪器厂 (精度:1′)

三棱镜南京光学仪器厂

汞灯长春第五光学仪器厂 (参数:579、0,577、0,546、1,435、8,404、7)

颜色λ/nm读数

次数

1 2 3

白光

φ左86º27′86º26′86º28′

φ右266º29′266º28′266º29′

黄光(1) 579、0 φ′左137º26′137º27′137º25′φ′右317º28′317º29′317º27′θ51º1′51º2′51º1′

图2

实验结果:

黄光(1):θ1=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

=(Σθ1)/n=51º1′

=1、646

ƒ=ν∕λ=3×10^8/(579、0×10^-9)= 5、1813×10^14

黄光(2):θ2=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

=(Σθ2)/n=51º2′

=1、647

ƒ=ν∕λ=3×10^8/(577、0×10^-9)= 5、1993×10^14绿光:θ3=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

=(Σθ3)/n=56º13、5′

=1、660

ƒ=ν∕λ=3×10^8/(546、1×10^-9)= 5、4935×10^14

蓝紫光:θ4=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

=(Σθ4)/n=53º21′

=1、671

ƒ=ν∕λ=3×10^8/(435、8×10^-9)= 6、8839×10^14

紫光:θ4=﹛|φ左﹣φ′左|﹢|φ右﹣φ′右|﹜/2

=(Σθ4)/n=54º26、5′

=1、6815

ƒ=ν∕λ=3×10^8/(404、7×10^-9)= 7、4129×10^14

颜色黄光(1) 黄光(2) 绿光蓝紫光紫光

n

1、646 1、647 1、660 1、671 1、682

ƒ

/10^14Hz5、1813 5、1993 5、4935 6、8839 7、4129 频率与折射率关系曲

线:

结论:经实验,测出了汞光谱各光线得在三棱镜中得折射率与传播速度,并计算出在三棱镜中得频率,并得出各光线折射率n与频率f得关系,关线得折射率越大频率越大。由于外界条件得影响、仪器得优劣以及感觉器官得限制、三棱镜得顶角得误差,实验测得得数据只能达到一定得准确度。对于完成每一个实验,如能事先了解测量所能达到得准确度,并在实验后科学得分析与处理数据得误差,对提高实验水平可起到一定得指导作用。本实验精确度已达到很高,数据精确,达到优秀得水平。

参考文献:

［1］李学慧、大学物理实验[M]、高等教育出版社,2006、1、88-95

［2］郑玉祥、近代光学[M]、电子工业出版社,2011、1、1-20

［3］宋玉海,梁宝社、大学物理实验[M]、北京理工大学出版社,2006、8、110-119 ［4］崔宏滨、光学[M]、科学出版社,2008、7、1-30

［5］吴强、光学[M]、科学出版社,2006、70-76