探究活动-光谱仪

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1、探究实验——制作光谱仪一、实验目的二、实验仪器或用品三、实验原理四、光碟光谱仪的制作五、实验数据六、光谱仪的应用探究内容实验目的1、分析光碟的结构，探索其与光栅的关系。2、探究反射光栅的光谱特性，加深理解形成光谱的规律和原理。3、制作光谱仪，增强动手能力，让理论与实际紧密结合。4、光碟光谱仪应用到实验中，观察各类光谱。实验仪器或用品一张无损的光碟、汞光灯（产生线光源）、凸透镜、分光计、黑盒子、硬卡片（IC卡等）、小刀、剪刀、胶布等等实验原理复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼

2、可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。但光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。在观察和研究光谱中，光谱仪是最重要、最常用的仪器。在日常生活中，我们发现光碟表面反射的光成彩色条纹；就是由于光碟具有分光的作用，它是一种反射光栅。我们可以利用光碟的这一特性，设计一个光碟光谱仪。1、反射光栅衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成的一种精密的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形成明亮细窄的谱线，常分为透射光栅和反射光栅。设凹槽部分宽度为a，非凹槽部分为b，a+b=d称为光栅常数。当平行光斜入射到光栅上时，每个凹槽的反射光都会发生衍射，而不同凹槽

3、的衍射光又要彼此发生干涉。a、单元衍射一个刻槽中，两端边缘光线间光程差（AB=a）相位差b、多单元干涉相邻两槽间对应点光线光程差（EF=d）相位差反射光栅夫琅禾费衍射光强分布为：单槽衍射槽间干涉当时产生极大平面反射光栅的光栅方程2、光栅的基本特性光栅的基本特性可以用它的“分辨本领”和“角色散率”来表征。（1）光栅的分辨本领R两条刚好可被该光栅分辨开的谱线的波长差∆λ=λ2-λ1，去除它们波长的平均值，即光栅的分辨本领R越大，表明光栅能分辨开的波长差越小，光栅分辨细微结构的能力越强。由理论知识可以推出，光栅的分辨本领R为：（2）光栅的角色散率D同一级谱线中两条谱线的衍射角之差∆φ与它们的波长差

4、∆λ之比。即：由上式知，光栅的角色散率与光栅常数d成反比，光栅常数d越小（即每毫米所含狭缝（凹槽）数越多），光栅的角色散率就越大，光谱就被分得越开，光栅的分辨本领越强。式中，j为衍射的级数，N为光栅有效使用面积内的总狭缝(凹槽)数。对于一定的光栅，有效使用面积越大，狭缝数就越多，谱线就越细锐，光栅的分辨本领就越大。3、光碟的构造如上右图所示，光碟主要由以下几层组成:最下一层由聚碳酸酯树脂构成的较厚透明的基底，起着保护和支撑盘体的作用;其上一层为染料层,涂有光学染料,是记录信息的层面;上一层为金属膜（如铝膜等）,作为反光层.在染料层上有周期性排列的螺旋圆环轨道称为“磁道”。近视的看为同心圆，如

5、上左图所示.每个“磁道”和两“磁道”间的空隙的透光率不同.在半径较大处可近似为一维光栅.当光线入射到这一层面上,根据光栅分光原理,光栅方程为:其中d为光栅周期——光盘上磁道宽度和磁道间距之和;λ为入射光波长;i为入射角;为第j级主极大出现的角度.光碟光谱仪的制作光谱学是光学的重要分支，它对量子力学的建立、分析物质结构、了解天体奥秘都是十分重要的方法．光谱仪是研究光谱的最重要、最常用的仪器；但由于造价较高，体积较大，携带不便．随着科学技术的发展，光碟作为一种高效方便的存储介质已经闯进这个信息时代．在学习生活中，我们很容易地发现光碟表面反射的光通常呈现彩色条纹状，其原因是光碟有分光的用；因此可根

6、据光碟这一特性制作光碟光谱仪．光谱仪的构造图及制作1、取一长方体盒子，并在前端开一平行于长方体表面狭缝，狭缝的宽度足够小。由于这样的狭缝相当细，并且纸盒开缝时不一定很整齐均匀；因此，我们可以选取一较硬的薄片附加在纸盒缝上。2、将光碟放在纸盒的中偏后部，且与狭缝平行，与纸盒表面成45°角（如上图）。（在切割光碟取样品时，不要将光碟的金属膜损坏）注意：在实际应用时，由于狭缝较窄，有可能入射光的光强不足，导致现象不明显或者无现象。因此，可以在狭缝前放一个半径较大的凸透镜，最好使狭缝位于该透镜的像方焦平面，效果最佳。具体步骤制作材料可就地取材．在此列出制作初样时所用的一些材料和做法，以作参考．1、我

7、们需要把牙膏盒的一端的多余的纸片剪除，把另一端保留住。2、推荐使用塑料卡片制作单缝，因为纸制品易产生碎屑，开较窄狭缝比较困难。3、为了防止卡片贴在纸盒一端后四角漏光，推荐制作这个装置，再把塑料卡片镶嵌在里面。4、把有单缝的卡片镶嵌到纸片里面去，然后贴在纸盒开口的的一端，用胶带贴住。5、切割光盘。由于光盘的金属膜易脱落，在切割时应格外小心．先将金属膜一面切开，再用力剪开光盘6、在纸盒的中后端切开45°的小缝，把