簡易光譜觀察儀的制作與應(yīng)用①

(廣東省中山市楊仙逸中學(xué)，廣東 中山 528400)

1 制作背景

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中要求“了解氫原子光譜的不連續(xù)性及各個線系，知道每種原子都有其特定的原子光譜。通過觀察氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)，知道一種觀察光譜的方法?！?017年高考物理考試大綱也明確要求“知道氫原子光譜、氫原子的能級結(jié)構(gòu)和能級公式”。

在實(shí)際的教學(xué)中，由于現(xiàn)有教材所介紹的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，學(xué)生很難經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程，從而缺乏對原子光譜的感性認(rèn)識，對理解原子的能級結(jié)構(gòu)、能級躍遷等問題產(chǎn)生困難。筆者根據(jù)光盤對光的衍射等原理，制成光譜觀察儀，制作簡單，觀察方便，能有效地幫助學(xué)生觀察氫原子及其他原子的光譜，對連續(xù)光譜和線狀光譜有感性的認(rèn)識,幫助學(xué)生理解原子的能級結(jié)構(gòu)與躍遷。

圖1

光盤由于其特殊的構(gòu)造，當(dāng)光入射到光盤表面后會發(fā)生色散現(xiàn)象，從不同的角度能看到彩色條紋。光盤由基板、記錄層和保護(hù)層構(gòu)成(如圖1)，基板一般采用光學(xué)性能和機(jī)械性能較好的材料，如有機(jī)玻璃等，記錄層是附著在基板上的薄膜，采用光刻膠、金屬薄膜(如碲合金薄膜)等材料，保護(hù)層是為保護(hù)記錄層不受外界損傷而覆蓋在記錄層表面上的透明物質(zhì)。

如圖1所示，在光盤上刻錄信息時，記錄層被燒蝕成凹點(diǎn)或氣泡，凹點(diǎn)寬度約為0.6μm，長度約在0.3～3μm之間，深度約為0.12μm，兩螺旋軌道的距離為1.6μm.由于記錄層信息軌道尺寸與可見光的波長(約0.77～0．4μm)接近，被記錄層反射出的光在靠近記錄層傳播的過程中遇到軌道密紋，會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，并且衍射范圍從光盤中心向外延展。同時，可見光分別在保護(hù)膜上下表面反射時產(chǎn)生薄膜干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生彩色花紋。

2 儀器制作

圖2

如圖2所示，取一張A4紙大小、一面為黑色的卡紙，按照一定尺度制好模板，定好折合線、光縫、觀察孔及光盤斜插縫隙，模板可參照圖2按比例放大到A4紙大小。按折線將卡紙折成一個扁平的長方體暗盒，在暗盒窄面上方正中央開一條入射光縫，在寬面開一個方形觀察孔，在另一寬面開一縫隙，將光盤斜插入縫隙中，光盤正面朝向光縫和觀察孔(如圖3)。圖4是為提高觀察效果而設(shè)計(jì)的原子光管燈箱,燈箱內(nèi)側(cè)為黑色背景,成為一個小暗室,各原子光管緊卡于塑板之間,兩端電極露出板面,以便連接電源。

圖3

圖4

3 實(shí)驗(yàn)原理

圖5

圖5是本實(shí)驗(yàn)儀器的光路圖，光通過暗盒的狹縫進(jìn)入盒內(nèi)，在光盤表面產(chǎn)生反射及衍射現(xiàn)象。人眼在觀察孔可觀察到類似于反射光柵的衍射條紋。如果是頻率連續(xù)的光源，則觀察到的是連續(xù)光譜；如果光源是某種原子發(fā)出的光,則觀察到的是該原子特有的分立的線狀光譜。

4 實(shí)驗(yàn)效果

圖6是學(xué)生在利用本儀器觀察原子光譜，觀察時入射光縫對準(zhǔn)光源,調(diào)節(jié)光縫的位置和角度，即可清晰地觀察到多種原子的明線光譜。圖7是白熾燈發(fā)出的連續(xù)光譜，圖8是熒光燈對某種原子的吸收光譜，圖9是氦原子的明線譜。

圖6

圖7

圖8

圖9

5 特點(diǎn)和創(chuàng)新

傳統(tǒng)中學(xué)物理、小學(xué)科學(xué)中光的色散實(shí)驗(yàn)一般利用三棱鏡，應(yīng)用三棱鏡對光的折射原理，例如小學(xué)和初中利用三棱鏡將平行的白光或太陽光分開，從而在屏幕上看到彩色的條紋，實(shí)驗(yàn)中要求入射光為平行光或太陽光，要求較強(qiáng)的亮度，屏幕和三棱鏡間要求有足夠的距離，實(shí)驗(yàn)操作一般要在暗室中進(jìn)行；高中用分光鏡觀察原子光譜，利用三棱鏡對連續(xù)光譜和線狀光譜進(jìn)行觀察和分析，分光鏡雖然精度較高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價比較高，觀察時要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試，實(shí)驗(yàn)操作也需要在暗室中進(jìn)行。

本儀器依據(jù)光在光盤上發(fā)生反射、衍射、干涉的原理設(shè)計(jì)而成，比利用三棱鏡對光的折射原理而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置(如分光鏡)結(jié)構(gòu)更簡單，效果更理想。

在觀察連續(xù)光譜時，實(shí)驗(yàn)操作可以全天候進(jìn)行，即只要有光進(jìn)入暗盒的光縫，即可觀察到彩色光譜，入射光不一定要求是太陽光或平行光，光強(qiáng)大小不受限制，不需要屏幕，不要求在暗室內(nèi)進(jìn)行。在觀察原子光譜時，只要狹縫對準(zhǔn)光源，調(diào)節(jié)狹縫及暗盒的位置和角度，就能清晰觀察到各種原子的明線光譜，方法和操作比教材上的分光鏡更方便，效果很好。

儀器構(gòu)造簡單、操作方便，效果明顯，易于推廣，具有較強(qiáng)的適用性。

本儀器對原子光譜只能作定性的觀察和研究，定量的原子光譜分析需要借助更精密的光譜分析儀。