对小型棱镜摄谱仪实验的改进

小型棱镜摄谱仪实验[1,2]学物理实验之一, 针对实验教学过程中出现的问题, 我们利用实验室现有的仪器, 对该实验方法作了一些改进, 使之更利于学生动手操作, 提高了实验的成功率, 提高了学生对该实验的学习兴趣。

1 传统实验方法

在传统的小型棱镜摄谱仪实验中, 一般的实验过程是[3]特曼光阑在同一张底片上拍摄上、下衔接, 互不重叠的铁谱线和汞灯谱线。然后在暗室中对已曝光的底片进行显影、定影、水洗、晾干。最后将拍好的比较光谱底片在读数显微镜下, 根据光谱线以及铁电极放电光谱相互之间的间隔, 各条谱线的强弱和粗细, 与实验室的标准铁光谱图对照, 辨认出待测谱线所对应的两条最靠近铁谱线的波长, 利用线形插入法计算未知波长, 一般取汞灯谱线435.84nm为待测谱线。

2 实际教学中出现的问题

实际教学中, 拍摄的铁电极放电光谱和待测谱线底片的效果常常不理想, 光谱线不清晰或谱线重叠在一起。铁电极谱线和放大后的标准铁光谱图比对较困难, 若没有提示, 学生一般找不到待测谱线附近的铁谱线所在的标准铁谱图片中的位置 (确定出波长) 。即使根据提示拿标准铁谱图片与拍摄的比较光谱底片对照, 由于谱线的强弱、粗细受到拍摄及底片冲洗过程中显影、定影操作不当的影响, 学生判断十分困难;所以辨认出待测谱线附近的铁谱线波长的学生很少。最终导致了学生感觉实验做起来非常复杂, 谱线观察起来非常困难, 实验的成功率很低, 无法达到预期的实验教学效果。

3 实验方法的改进

针对以上教学中出现的问题, 我们对小型棱镜摄谱仪实验作了以下改进:使用氢灯、汞灯混合光源代替铁电极放电 (如实验室条件允许还可以加上其他光源) 。将氢灯、汞灯并排放在棱镜摄谱仪入射狭缝前, 经凸透镜会聚后照射在狭缝上。氢灯、汞灯为常用光源, 所以其各条光谱线波长为已知。在暗盒处用毛玻璃观察到所有的光谱线后, 取下毛玻璃, 使用读数显微镜直接观察光谱线 (如图1所示) , 并用读数显微镜测出每条光谱线的位置 (d1、d2、d3…) , 在作图纸上根据每条谱线位置关系画出光谱线作为自制的标准光谱线, 免去了拍摄和冲洗底片这一步骤。再把钠灯放在棱镜摄谱仪入射狭缝前, 用钠灯光源光谱线作为未知谱线, 利用读数显微镜再测出钠灯光谱线的位置dx1、dx2, 将钠灯光谱线同氢、汞灯光谱线画在同一张作图纸上并上下错开, 让学生将钠灯光谱线与自制标准光谱图比较, 利用线性插值法测出钠灯光源光谱线的波长 (如图2所示) 。

4 实验数据

使用读数显微镜观察谱线, 得到氢灯、汞灯混合光源各谱线的位置如表1所示。

换上钠灯, 测出其谱线位置如表2所示。

找出距离待测光谱线最近的两条谱线, 设其波长分别为λ2和λ3 (λ2>λ3) , 它们相应的位置读数分别为d2、d3, 待测谱线波长为λx, 位置为dx。利用线性插值法可得:

误差分析:将测量值与钠黄光谱线的标准值比较, 得其相对百分误差为:

5 结语

通过对小型棱镜摄谱仪实验教学方法的改进, 即让学生学会了自己动手制作标准光谱线, 了解了标准光谱线的意义, 又省略了拍摄及冲洗底片这一繁杂易出错的过程, 提高了实验效率。但由于自制标准光谱图上谱线密度较小, 所以与用标准铁谱图算出的结果相比, 存在一定的误差。

学生对改进后的实验教学普遍反映良好, 增加了对小型棱镜摄谱仪实验的兴趣。而且实验中所增加的仪器均为实验室常用设备, 更是对传统的实验教学方法改进的大胆尝试。

摘要：结合实际教学, 对小型棱镜摄谱仪实验的方法做了改进, 便于学生更好的了解标准光谱线, 更简捷、快速地测定未知光谱线的波长。

关键词：小型棱镜摄谱,标准铁谱图,线性插值法

参考文献

[1] 赵青生, 马书炳.大学物理实验[M].安徽大学出版社, 1999.

[2] 陶宗明.大学物理[M].上海交通大学出版社, 2000.

[3] 陈慧清.用棱镜摄谱仪拍摄清晰光谱波长的方法[J].韶关学院学报, 2006, 27 (3) :41-42.