лаба 5 (Лабораторная работа№5)

Посмотреть архив целиком

7



Лабораторная работа № 5


Изучение линейной дисперсии

спектрального прибора


  1. Введение


Цель работы: ознакомиться с устройством спектрального прибора и явлением дисперсии, произвести градуировку по длинам волн и определить его характеристику, называемую линейной дисперсией.

1.1. В оптике явлением дисперсии называют зависимость показателя преломления среды n от длины волны света или частоты . Обычно показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны. Такой случай носит название нормальной дисперсии.

Д
исперсия в различных прозрачных материалах (стекло, кварц) используется в призменных спектральных приборах, основным элементом которых является призма (или система призм). При прохождении через призму свет отклоняется от прямолинейного направления распространения к основанию призмы. Угол отклонения зависит, в частности, от показателя преломления призмы. Поскольку показатель преломления различен для разных длин волн, то свет каждой длины волны отклоняется на свой угол, причем при нормальной дисперсии лучи с малыми длинами волн (фиолетовые лучи) отклоняются больше, а лучи с большими длинами волн (красные лучи) - меньше. Появляется возможность разделить лучи различных длин волн и выяснить спектральный состав света, т. е. узнать, лучи каких длин волн испускает данный источник (рис. 5.1).






Рис. 5.1


  1. Описание установки


2.1 В настоящей работе для наблюдения дисперсии используется монохроматор УМ-2. Основным назначением монохроматора, как и всякого спектрального прибора, является выделение излучения в узких спектральных диапазонах в пределах заданной спектральной области.

Основными частями монохроматора являются: коллиматор, диспергирующая призма с поворотным механизмом и зрительная труба. Оптическая схема прибора изображена на рис. 5.2.

2.2. Свет от источника S с помощью линзы (конденсора) фокусируется на входной щели коллиматора. Назначение коллиматора - дать параллельный пучок света, падающий на призму Р. Для этого щель L2 устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора . Призма преломляет свет разных длин волн неодинаково в зависимости от показателя преломления для данной длины волны. Выходящие из призмы пучки параллельных лучей разных цветов, имея различные направления, дают в фокальной плоскости линзы целый ряд различно окрашенных изображений щели - спектр. Наблюдать спектр можно с помощью окуляра , который вместе с линзой образует зрительную трубу. Линзы и имеют одинаковые фокусные расстояния.










Рис. 5.2

2.3. В работе рассчитывается характеристика прибора, называемая линейной дисперсией . Если источник света на входе прибора, входная щель которого сделана достаточно узкой, посылает лучи с длинами волн от до +, то в фокальной плоскости получится изображение спектра, растянутое на расстояние . По определению


. (5.1)

2.4. Для расчета необходимо определить на какое расстояние в фокальной плоскости прибора разойдутся лучи, длины волн которых отличаются на . Значения и можно определить, зная их координаты и , по градуировочной кривой прибора , которая снимается в первой части работы. Но, как найти , если в фокальной плоскости прибора нет миллиметровой шкалы? Для этого разности угловых координат нужно сопоставить в соответствие какой-то линейный эталон длины. Таким эталоном может служить ширина входной щели, ибо в силу симметрии оптической схемы прибора (фокусные расстояния линз L и L равны ) ширина изображения щели на экране равна реальной ширине входной щели, которую мы можем регулировать с помощью микрометрического винта (5) (см. рис. 5.3). Поэтому поступают следующим образом. Устанавливают определенную ширину входной щели , например 1.5 мм. Выводят в поле зрения прибора какую-нибудь спектральную линию, например зеленую. На экране появится изображение щели, ширина которой = 1.5 мм. Находят угловые координаты краев щели и по градуировочному графику определяют длины волн и тех лучей света, которые пришли бы в точки с координатами и , если бы щель была очень узкой, а в спектре излучения лампы действительно присутствовали бы эти длины волн. Тогда


. (5.2)

Обычно расстояние измеряется в мм, а длина волны в нм, или ангстремах (), поэтому линейную дисперсию выражают, как правило, в мм / нм (мм / ).


  1. Порядок выполнения работы


Определение линейной дисперсии прибора

3.1. Включите в сеть спектральный источник света (ртутную лампу) и дать ей прогреться в течение 4 - 5 минут.

3.2. Проверьте, попадает ли свет от источника на входную щель 1 (рис. 5.3) монохроматора. С помощью конденсорной линзы (6) получите резкое изображение источника на входной щели (1).



Рис. 5.3


3.3. Включите тумблер подсветки (7) и вращением рифленого кольца (8) сфокусировать окуляр (2) так, чтобы был четко виден треугольный указатель. Кончик указателя подсвечивается осветителем, включаемым тумблером. Он может иметь определенный цвет с помощью набора светофильтров, которые вводятся поворотом винта, расположенного над окуляром.

3.4. Поставьте затвор (4) монохроматора в положение "Откр.".

3.5. Проверьте, виден ли спектр ртутной лампы. С этой целью, вращая барабан (3), наблюдайте в окуляр спектральные линии ртути, перемещающиеся по мере вращения барабана.

3.6. Проградуируйте барабан монохроматора, т. е. сопоставьте делениям барабана известные значения длин волн. Для этого вращением микрометрического винта (5) установите малую ширину входной щели (размер щели указан на установке). Цена деления микрометрического винта 0.01 мм. Вращением барабана (3) поворачивайте призму прибора и этим перемещайте изображение спектра, наблюдаемое в окуляр.

Совмещая с указателем окуляра последовательно видимые линии спектра ртутной лампы, указанные в табл. 1, записывайте соответствующие показания шкалы барабана по указателю (9) (по черной риске на нем).

Во время вращения барабана при совмещении очередной линии с указателем окуляра старайтесь не менять положение глаз.

3.7. С помощью микрометрического винта (5) установите широкую щель (размер указан на установке). Наблюдая в окуляр, вращением барабана совместите с указателем сначала один край линии, потом другой и измерьте по шкале барабана показания и , соответствующие краям изображения линии.

Измерения проведите для линий, указанных на установке. Полученные значения занесите в табл.2.


Определение границ видимой области спектра


3.8. Установите на оптическую скамью лампу накаливания. Проверьте, попадает ли свет от нее на входную щель монохроматора.

3.9. Вращая барабан монохроматора, наблюдайте спектр лампы накаливания. Чем он отличается от спектра ртутной лампы? Как называется такой спектр?

3.10. Определите границы видимого участка спектра лампы накаливания. Для этого вращением барабана монохроматора совместите левый край спектра с указателем, а затем правый край. По шкале барабана определите соответствующие им показания и . Данные занесите в табл.3.

3.11. Определите границы отдельных цветов спектра лампы накаливания. Данные занесите в табл. 3.


  1. Результаты измерений и их обработка

Таблица 1


Спектр ртути

линия, цвет

Длина волны ,

Нм

Деления барабана,

Оранжевая *

612


Желтая

579.07


Желтая

576.96


Зеленая

546.07


Зелено-голубая

491.60


Сине-фиолетовая

435.80


Фиолетовая

407.78


Фиолетовая

404.68



*Не всегда наблюдается.


Ширина щели мм

Таблица 2


Линия спектра

Деления барабана


левый край правый край