CN110197610A - 一种透射光栅实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种透射光栅实验装置，包括光具座以及依次可滑动地设置于光具座上的汞灯、狭缝、凸透镜、光栅和数码相机，数码相机具有镜头和图像传感器，本发明还提供一种透射光栅实验方法，将数码相机设置为手动对焦模式，将镜头的对焦环置于∞位置，此时图像传感器位于镜头的焦平面上，移动凸透镜，狭缝的缝孔位于凸透镜的焦平面上，此时数码相机上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜的光束为平行光束，经光栅衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器平面上形成光谱线，利用数码相机能够直接观察并记录到完整的彩色光谱图，根据完整的光谱图测量谱线的衍射角，没有机械移动，减小测量误差，不需要每套实验设备配备一台电脑，降低对实验室场地要求。
Description
技术领域
本发明涉及教学器材技术领域，特别是涉及一种透射光栅实验装置及方法。
背景技术
透射光栅实验是《大学物理实验》、《普通物理实验》、《光学基础实验》等课程中的重要实验项目。透射光栅实验通常是在分光计上进行的，利用分光计中的平行光管产生平行光，照射到光栅之后发生衍射现象，转动分光计中的望远镜可观察到光栅衍射形成的光谱线，并利用分光计的刻度盘和游标盘测量出望远镜转过和角度，从而得到光谱线的衍射角。
现有的一些对透射光栅实验进行改进的方案，是将摄像头加在分光计中望远镜的后面，用摄像头替代人眼来观测实验现象。还有的实验方法是利用图像传感器替代望远镜的目镜部分，这两种实验方法都要把摄像头获得的图像传输到电脑上，通过电脑显示器观察实验现象。直接采用望远镜观察实验现象时，由于望远镜观察视场很小，不能同时观察到所有的光，老师在教学过程对实验现象及调节方法的讲解受到很大的限制，同时仪器的调节比较困难，学生需要花大量的时间去调节分光计，但是不能同时观察到所有的光谱线，不利于学生对光栅衍射现象的理解，且通过分光机中望远镜的机械转动来测量衍射光谱的衍射角，容易产生误差。采用摄像头替代人眼或采用图像传感器替代望远镜的目镜部分观察实验现象的方法，有利于实验现象的展示，方便老师讲解，但其视场仍然受望远镜的限制，调节难度高，仍然需要转动望远镜来测量角度，易产生误差，加之，每套实验设备需要一台电脑，需要较大的实验场地，应用上受到较大的限制。
因此，如何改变现有技术中，进行透射光栅实验时无法同时观察到完整的光谱图、无法得到光谱线的强度信息以及衍射角的测量易产生误差的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种透射光栅实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使透射光栅实验能够观察到完整的光谱图，继而得到光谱线的强度信息，减小衍射角的测量误差。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种透射光栅实验装置，包括光具座以及依次可滑动地设置于所述光具座上的汞灯、狭缝、凸透镜、光栅和数码相机，所述数码相机具有镜头和图像传感器，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅、所述镜头和所述图像传感器同轴设置，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅和所述数码相机之间的距离均能够调节，所述狭缝的缝孔位于所述凸透镜的焦平面上，所述图像传感器设置于所述镜头的焦平面上，所述数码相机能够进行手动照相、手动对焦、手动控制曝光时间，所述数码相机具有电子显示屏且能够实时取景。
优选地，所述光具组包括导轨和滑座，所述滑座可滑动地设置于所述导轨上，所述滑座的数量为多个，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅和所述数码相机均设置于所述滑座上且一一对应。
本发明还提供一种透射光栅实验方法，将数码相机设置为手动对焦模式，将镜头的对焦环置于∞位置，此时图像传感器位于镜头的焦平面上，移动凸透镜，狭缝的缝孔位于凸透镜的焦平面上，此时数码相机上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜的光束为平行光束，经光栅衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器平面上形成光谱线，利用数码相机能够观察记录到关于0级谱线对称的彩色光谱图；将光谱图导入电脑，利用软件能够测出同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的像素数m，结合图像传感器的像素Δ，则同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的距离L＝mΔ，根据镜头的焦距f，能够计算出该谱线的衍射角为
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的透射光栅实验装置，包括光具座以及依次可滑动地设置于光具座上的汞灯、狭缝、凸透镜、光栅和数码相机，数码相机具有镜头和图像传感器，汞灯、狭缝、凸透镜、光栅、镜头和图像传感器同轴设置，汞灯、狭缝、凸透镜、光栅和数码相机之间的距离均能够调节，狭缝的缝孔位于凸透镜的焦平面上，图像传感器设置于镜头的焦平面上，数码相机能够进行手动照相、手动对焦、手动控制曝光时间，数码相机具有电子显示屏且能够实时取景。本发明还提供一种透射光栅实验方法，将数码相机设置为手动对焦模式，将镜头的对焦环置于∞位置，此时图像传感器位于镜头的焦平面上，移动凸透镜，狭缝的缝孔位于凸透镜的焦平面上，此时数码相机上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜的光束为平行光束，经光栅衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器平面上形成光谱线，利用数码相机能够直接观察并记录到完整的彩色光谱图，实验教学老师可以更方便地讲解相关实验现象和实验仪器光路调节方法，根据完整的光谱图测量谱线的衍射角，没有机械移动，减小测量误差，同时，不需要每套实验设备配备一台电脑，降低对实验室场地要求，学生可以将光谱图图片拷贝在课后完成实验数据的处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的透射光栅实验装置的示意图；
其中，1为汞灯，2为狭缝，3为凸透镜，4为光栅，5为数码相机，501为镜头，502为图像传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种透射光栅实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使透射光栅实验能够观察到完整的光谱图，继而得到光谱线的强度信息，减小衍射角的测量误差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1，图1为本发明的透射光栅实验装置的示意图。
本发明提供一种透射光栅实验装置，包括光具座以及依次可滑动地设置于光具座上的汞灯1、狭缝2、凸透镜3、光栅4和数码相机5，数码相机5具有镜头501和图像传感器502，汞灯1、狭缝2、凸透镜3、光栅4、镜头501和图像传感器502同轴设置，汞灯1、狭缝2、凸透镜3、光栅4和数码相机5之间的距离均能够调节，狭缝2的缝孔位于凸透镜3的焦平面上，图像传感器502设置于镜头501的焦平面上，数码相机5能够进行手动照相、手动对焦、手动控制曝光时间，数码相机5具有电子显示屏且能够实时取景。
利用本发明的透射光栅实验装置进行透射光栅实验时，将数码相机5设置为手动对焦模式，将镜头501的对焦环置于∞位置，此时图像传感器502位于镜头501的焦平面上，移动凸透镜3，狭缝2的缝孔位于凸透镜3的焦平面上，此时数码相机5上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜3的光束为平行光束，经光栅4衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器502平面上形成光谱线，利用数码相机5能够直接观察并记录到完整的彩色光谱图，利用显示屏可放大观察图像细节，降低光路调节难度。实验教学老师可以更方便地讲解相关实验现象和实验仪器光路调节方法，根据完整的光谱图测量谱线的衍射角，没有机械移动，减小测量误差；同时，不需要每套实验设备配备一台电脑，降低对实验室场地要求，学生可以将光谱图图片拷贝在课后完成实验数据的处理。
具体地，光具组包括导轨和滑座，滑座可滑动地设置于导轨上，滑座的数量为多个，汞灯1、狭缝2、凸透镜3、光栅4和数码相机5均设置于滑座上且一一对应，将汞灯1、狭缝2、凸透镜3、光栅4和数码相机5均设置于滑座上，滑座可滑动地设置于导轨上，方便操作人员在进行实验时调整各个部件之间的距离，提高实验装置的操作便捷性，提升用户体验。
本发明还提供一种透射光栅实验方法，将数码相机5设置为手动对焦模式，将镜头501的对焦环置于∞位置，此时图像传感器502位于镜头501的焦平面上，移动凸透镜3，狭缝2的缝孔位于凸透镜3的焦平面上，此时数码相机5上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜3的光束为平行光束，经光栅4衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器502平面上形成光谱线，利用数码相机5能够观察记录到关于0级谱线对称的彩色光谱图；将光谱图导入电脑，利用软件能够测出同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的像素数m，结合图像传感器502的像素Δ，则同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的距离L＝mΔ，根据镜头501的焦距f，能够计算出该谱线的衍射角为
测出各谱线的衍射角是进行透射光栅实验的关键，然后，其它数据处理过程与通常的实验一样，利用已知波长的谱线衍射角可以测光栅4的光栅常数，利用已知的光栅4的光栅常数可以测未知的波长，也可以测光栅4的角色散率。该实验方法中通过数码相机5记录的光谱图的亮度数据，可以得出不同光谱线的强度信息。本发明省略了现有技术中的分光计，在光具座上进行实验，令操作人员能够观察到完整的光谱图，得到光谱线的强度信息，消除因机械转动产生的实验误差。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种透射光栅实验装置，其特征在于：包括光具座以及依次可滑动地设置于所述光具座上的汞灯、狭缝、凸透镜、光栅和数码相机，所述数码相机具有镜头和图像传感器，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅、所述镜头和所述图像传感器同轴设置，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅和所述数码相机之间的距离均能够调节，所述狭缝的缝孔位于所述凸透镜的焦平面上，所述图像传感器设置于所述镜头的焦平面上，所述数码相机能够进行手动照相、手动对焦、手动控制曝光时间，所述数码相机具有电子显示屏且能够实时取景。
2.根据权利要求1所述的透射光栅实验装置，其特征在于：所述光具组包括导轨和滑座，所述滑座可滑动地设置于所述导轨上，所述滑座的数量为多个，所述汞灯、所述狭缝、所述凸透镜、所述光栅和所述数码相机均设置于所述滑座上且一一对应。
3.一种透射光栅实验方法，利用权利要求1或2所述的透射光栅实验装置，其特征在于：将数码相机设置为手动对焦模式，将镜头的对焦环置于∞位置，此时图像传感器位于镜头的焦平面上，移动凸透镜，狭缝的缝孔位于凸透镜的焦平面上，此时数码相机上观察到的亮线最清晰，透过凸透镜的光束为平行光束，经光栅衍射后，相同衍射角的光线会聚到图像传感器平面上形成光谱线，利用数码相机能够观察记录到关于0级谱线对称的彩色光谱图；将光谱图导入电脑，利用软件能够测出同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的像素数m，结合图像传感器的像素Δ，则同种颜色+1级谱线和-1级谱线之间的距离L＝mΔ，根据镜头的焦距f，能够计算出该谱线的衍射角为
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