物理实验教程 一近代物理实验 [4]戴乐山，戴道宣.近代物理实验[M们.北京：高等教育出版社，2006. [5]王志军，张金宝.近代物理实验[M们.北京：科学出版社，2021. [6]刘春光，王春亮.近代物理实验[M.北京：高等教育出版社，2021. [7]郑建洲.近代物理实验[M们.北京：科学出版社，2016 [8]BALMER J J.Notiz Uber die Spectrallinien des Wasserstoffs[J].Annalen der Physik,1885,261:80-87. [9]BOHR N.On the Constitution of Atoms and Molecules (Part I &Il)[J]. Philosophical Magazine,1913.26:1-24,476-501. 实验1-2介质的吸收光谱分析 根据研究光谱方法的不同，光谱学常分为发射光谱学、吸收光谱学和 散射光谱学。不同种类的光谱从不同方面提供了物质的微观结构信息，其 中发射光谱(emission spectrum)提供发光物质的微观结构信息，吸收光谱 (absorption spectrum)提供吸收物质的微观结构信息，散射光谱(scattered 可 spectrum)则提供光与物质相互作用方面的微观结构信息。本实验研究的 光谱法测量 是吸收光谱。介质对光的吸收分为选择吸收和一般吸收。 一种介质对某 透明介质的 些波长的光会产生选择吸收，这些波长的光正好与介质的发射光谱相对 吸收特性 应，与介质中原子、分子的能级结构有关：对其他波长范围的入射光则呈现一般吸收，这不但 与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。研究介质对光的吸收规律不仅可以获得关 于介质的信息，如成分、浓度、厚度等，还可以获得关于光源的信息。 切物质都具有一般吸 收和选择吸收两种特性。 通过本实验测量透明介质透射光的光谱，研究介质对光的一般吸收，总结一般吸收满 足的规律，分析一般吸收与介质的种类以及厚度的关系等。 【实验目的】 (1)学习测量介质吸收光谱的实验方法与技术」 (2)掌握测量介质一般吸收特性的原理和方法。 (3)测量介质的吸收曲线，并分析介质的一般吸收特性。 【预习要求】 (1)介质吸收满足的规律是什么？ (2)如何测量介质的吸收曲线？对光源有何要求？ (3)从介质的吸收曲线上能得到介质哪些方面的性质？ 【实验原理】 当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，另有一部分光被介 质吸收，剩下的光从介质透射出来。如图1-2-1所示，当一束波长为入、入射光强为1。的
— ８ — [４] 戴乐山,戴道宣．近代物理实验[M]．北京:高等教育出版社,２００６． [５] 王志军,张金宝．近代物理实验[M]．北京:科学出版社,２０２１． [６] 刘春光,王春亮．近代物理实验[M]．北京:高等教育出版社,２０２１． [７] 郑建洲．近代物理实验[M]．北京:科学出版社,２０１６． [８] BALMERJJ．NotizÜberdieSpectralliniendesWasserstoffs[J]．Annalender Physik,１８８５,２６１:８０Ｇ８７． [９] BOHR N．OntheConstitutionofAtomsand Molecules (PartⅠ&Ⅱ)[J]． PhilosophicalMagazine,１９１３,２６:１Ｇ２４,４７６Ｇ５０１． 实验１Ｇ２ 介质的吸收光谱分析 根据研究光谱方法的不同,光谱学常分为发射光谱学、吸收光谱学和 散射光谱学.不同种类的光谱从不同方面提供了物质的微观结构信息,其 中发射光谱(emissionspectrum)提供发光物质的微观结构信息,吸收光谱 (absorptionspectrum)提供吸收物质的微观结构信息,散射光谱(scattered spectrum)则提供光与物质相互作用方面的微观结构信息.本实验研究的 是吸收光谱.介质对光的吸收分为选择吸收和一般吸收.一种介质对某 些波长的光会产生选择吸收,这些波长的光正好与介质的发射光谱相对 应,与介质中原子、分子的能级结构有关;对其他波长范围的入射光则呈现一般吸收,这不但 与介质的材料有关,而且与入射光的波长有关.研究介质对光的吸收规律不仅可以获得关 于介质的信息,如成分、浓度、厚度等,还可以获得关于光源的信息.一切物质都具有一般吸 收和选择吸收两种特性. 通过本实验测量透明介质透射光的光谱,研究介质对光的一般吸收,总结一般吸收满 足的规律,分析一般吸收与介质的种类以及厚度的关系等. 【实验目的】 (１)学习测量介质吸收光谱的实验方法与技术. (２)掌握测量介质一般吸收特性的原理和方法. (３)测量介质的吸收曲线,并分析介质的一般吸收特性. 【预习要求】 (１)介质吸收满足的规律是什么? (２)如何测量介质的吸收曲线? 对光源有何要求? (３)从介质的吸收曲线上能得到介质哪些方面的性质? 【实验原理】 当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时,有一部分光被反射,另有一部分光被介 质吸收,剩下的光从介质透射出来.如图１Ｇ２Ｇ１所示,当一束波长为λ、入射光强为I０ 的
0 光学测量拉术实验第1章 单色平行光垂吉人射到一块厚度为d的诱明介 质平板上时，从人射界面反射的光强为1R,从入 射界面向介质透射的光强为11，在出射界面处的 人入射光强为12，从出射界面射出的透射光的光强 为Ir。依据比尔-朗伯定律(Beer-Lambert law): 1:与1的关系为： 12=1e (1-2-1) 式中，g为介质的吸收系数(attenuation coeffi- cient),它是衡量光被介质吸收程度的物理量 吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光 的波长有关。吸收系数α与波长入的关系曲线称 为吸收曲线。 以上提到的I,I,I。和IT是指光在入射界 面和出射界面上，以及在介质中多次反射和透射 的总效果。若介质表面的反射系数为R,则透过 样品的光强为： 图1-21光的吸收 Ir=1n+In+In+I+. =1(1-R)2e+1(1-R)2R2e+1o(1-R)2Re+. =1(1-R)e (1-2-2) 1-R2e-2a 式中，In,In,I.分别表示从出射界面第一次透射、第二次透射、第三次透射.的光 的光强，故有： (1-2-3》 介质的光谱透射率(spectral directional transmittance)T定义为： (1-2-4) 根据式(1-2-1)，对于透明介质，光反射较小，因而有 (1-2-5) 由式(1-23)和式(1-2-5)可见，通过测量光谱透射率T就可得到介质的吸收系数。 通常用两块材料相同但厚度不同的介质来测量吸收系数α。设有材料相同但厚度不 同的两块介质，厚度分别为d1和d2,且d>d山，光谱透射率分别为T和T,光强为1o的 入射光通过两块介质后的透射光强分别为I山，和I山，则有： -9= (1-2-6) T:= (1-2-7) -9-
— ９ — 图１Ｇ２Ｇ１ 光的吸收 单色平行光垂直入射到一块厚度为d 的透明介 质平板上时,从入射界面反射的光强为IR,从入 射界面向介质透射的光强为I１,在出射界面处的 入射光强为I２,从出射界面射出的透射光的光强 为IT.依据比尔Ｇ朗伯定律(BeerＧLambertlaw), I２ 与I１ 的关系为: I２ ＝I１e－αd (１Ｇ２Ｇ１) 式中,α 为 介 质 的 吸 收 系 数 (attenuationcoeffiＧ cient),它 是 衡 量 光 被 介 质 吸 收 程 度 的 物 理 量. 吸收系数不仅与介质的材料有关,而且与入射光 的波长有关.吸收系数α 与波长λ 的关系曲线称 为吸收曲线. 以上提到的I１,I２,IR 和IT 是指光在入射界 面和出射界面上,以及在介质中多次反射和透射 的总效果.若介质表面的反射系数为 R,则透过 样品的光强为: IT ＝IT１ ＋IT２ ＋IT３ ＋IT４ ＋ ＝I０(１－R)２ e－αd ＋I０(１－R)２ R２ e－３αd ＋I０(１－R)２ R４ e－５αd ＋ ＝I０(１－R)２ e－αd １－R２ e－２αd (１Ｇ２Ｇ２) 式中,IT１,IT２,IT３,分别表示从出射界面第一次透射、第二次透射、第三次透射的光 的光强,故有: IT I０ ＝(１－R)２ e－αd １－R２ e－２αd (１Ｇ２Ｇ３) 介质的光谱透射率(spectraldirectionaltransmittance)T 定义为: T ＝I２ I１ (１Ｇ２Ｇ４) 根据式(１Ｇ２Ｇ１),对于透明介质,光反射较小,因而有: T ＝e－αd ＝I２ I１ ≈ IT I０ (１Ｇ２Ｇ５) 由式(１Ｇ２Ｇ３)和式(１Ｇ２Ｇ５)可见,通过测量光谱透射率T 就可得到介质的吸收系数α. 通常用两块材料相同但厚度不同的介质来测量吸收系数α.设有材料相同但厚度不 同的两块介质,厚度分别为d１和d２,且d２＞d１,光谱透射率分别为T１和T２,光强为I０的 入射光通过两块介质后的透射光强分别为ITd１ 和ITd２ ,则有: T１ ＝ ITd１ I０ ＝(１－R)２ e－αd１ １－R２ e－２αd１ (１Ｇ２Ｇ６) T２ ＝ ITd２ I０ ＝(１－R)２ e－αd２ １－R２ e－２αd２ (１Ｇ２Ｇ７)
物理实验教程—近代物理实验一 -Re e1(1-R2ea） (1-2-8) 对透明介质，R和a都很小，故式(1-2-8)可近似为： (1-2-9) 则有 a-InT,-In T: (1-2-10) 本实验利用光栅光谱仪测量不同厚度错钕玻璃的光谱透射率来获得错钕玻璃的吸收 系数。 【实验器材) 实验器材包括组合式光栅光谱仪，汞灯及汞灯电源、溴钨灯及溴钨灯电源，厚度不同 的塔钕玻璃片。 【实验内容】 一、基础性实验内容 1.观测澳钨灯的光谱特征和错钕玻璃的吸收光 以汞灯作为光源，校准光栅光谱仪的波长示值，校准方法见实验1-1的基础性实验内 容。用溴钨灯换下汞灯，测量溴钨灯的能量谱。再将一片较薄的错钕玻璃垂直放入样品 室内，保持原有狭缝宽度不变，测量此时的介质透射能量谱，观察和测量错钕玻璃的典型 吸收峰(300一660nm),记录相应的被长和能量，并分析溴鹤灯的光谱特征和错钕玻璃对 光的吸收特性 2。测量错钕玻璃的吸收曲线 选取1mm和2mm厚的错钕玻璃片，在波长500~660nm范围内分别测量透射能 量谱，计算吸收系数α()，绘制α(a)-入吸收曲线并详细分析。为了减小电源及光电倍增 管不稳定的影响，可对每片错钕玻璃的能量谱进行多次测量。 3.测量吸光度曲线和特定波长的吸收系数 用提供的三片错钕玻璃组成四组不同厚度的实验样品，选择某个特定波长的吸收峰， 测绘吸光度A与介质厚度d的关系曲线，并用最小二乘法求取对应于该波长的介质吸收 系数a(a)。 吸光度(absorbance)定义为 A=1g2 (1-2-11) 式中，。为所选吸收峰处的入射光强，：为通过不同厚度错钕玻璃片时的透射光强。对于 错敏玻璃，A=2.303ad。 二、设计性实验内容 1.实验内容 根据现有实验条件设计实验方案，探索分析乙醇汽油溶液的浓度与吸光度的关系。 —10
— １０ — T２ T１ ＝e－αd２ (１－R２ e－２αd１ ) e－αd１ (１－R２ e－２αd２ ) (１Ｇ２Ｇ８) 对透明介质,R 和α 都很小,故式(１Ｇ２Ｇ８)可近似为: T２ T１ ＝e－α(d２－d１) (１Ｇ２Ｇ９) 则有: α＝lnT１ －lnT２ d２ －d１ (１Ｇ２Ｇ１０) 本实验利用光栅光谱仪测量不同厚度镨钕玻璃的光谱透射率来获得镨钕玻璃的吸收 系数. 【实验器材】 实验器材包括组合式光栅光谱仪、汞灯及汞灯电源、溴钨灯及溴钨灯电源、厚度不同 的镨钕玻璃片. 【实验内容】 一、基础性实验内容 １．观测溴钨灯的光谱特征和镨钕玻璃的吸收光谱 以汞灯作为光源,校准光栅光谱仪的波长示值,校准方法见实验１Ｇ１的基础性实验内 容.用溴钨灯换下汞灯,测量溴钨灯的能量谱.再将一片较薄的镨钕玻璃垂直放入样品 室内,保持原有狭缝宽度不变,测量此时的介质透射能量谱,观察和测量镨钕玻璃的典型 吸收峰(３００~６６０nm),记录相应的波长和能量,并分析溴钨灯的光谱特征和镨钕玻璃对 光的吸收特性. ２．测量镨钕玻璃的吸收曲线 选取１mm 和２mm 厚的镨钕玻璃片,在波长５００~６６０nm 范围内分别测量透射能 量谱,计算吸收系数α(λ),绘制α(λ)Ｇλ 吸收曲线并详细分析.为了减小电源及光电倍增 管不稳定的影响,可对每片镨钕玻璃的能量谱进行多次测量. ３．测量吸光度曲线和特定波长的吸收系数 用提供的三片镨钕玻璃组成四组不同厚度的实验样品,选择某个特定波长的吸收峰, 测绘吸光度A 与介质厚度d 的关系曲线,并用最小二乘法求取对应于该波长的介质吸收 系数α(λ). 吸光度(absorbance)定义为: A ＝lg I０ Ik (１Ｇ２Ｇ１１) 式中,I０为所选吸收峰处的入射光强,Ik为通过不同厚度镨钕玻璃片时的透射光强.对于 镨钕玻璃,A＝２３０３αd. 二、设计性实验内容 １．实验内容 根据现有实验条件设计实验方案,探索分析乙醇汽油溶液的浓度与吸光度的关系
光学测量技术实验第1章 2.实验要求 闸述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实际实验测量， 选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)光橱光谱仪属于贵重精密仪器，超出说明书使用操作时需在教师指导下进行。 (2)狭缝宽度的调节必须小心，且狭缝的宽度不得超过3mm,也不得完全闭合，以免 损坏刀口。实验完毕后，应将狭缝宽度调节到0.2mm左右。 (3)在测量吸收曲线或吸光度介质厚度关系曲线时，要保证仪器各参数（如狭缝宽 度、光电倍增管工作电压等)不变。 (4)因光电倍增管受强光照射时会引发“雪崩效应”，所以测量时入射光不能太强。 【思考与讨论】 (1)光橱光谱仪波长示值的校准为什么要用汞灯？吸收曲线的测量为什么要用溴 钨灯？ (2)试讨论狭缝宽度对测量的影响。 (3)吸收光谱和发射光谱的关系是什么？ (4)如何测量吸光度？ 【参考文献】 [1]邓勃，李玉珍，刘明钟，实用原子光谱分析[M们.北京：化学工业出版社，2013 [2]杨春展，李国华，徐秋心.原子光谱分析[M们.北京：化学工业出版社，2010. [3]王秉超.大学物理实验（下册）[M门.北京：高等教有出版社，2003. [4]委毅，陈士伟，牛法富，等.利用光栅光谱仪研究乙醇汽油溶液的吸收特性[J门 物理实验.2010.30(1).43-45. [5]王泓鹏，万雄，基于植物油可见吸收光诺的相关系数鉴别特级初榨榄油[门， 光谱学与光谱分析，2018,38(9)：2814-2819. [6]王越，陈才茂，刘洪昌，等.机车变压器油老化的光诺特征分析[门.变压器， 2022,59(5):34-39. [7门袁丽，王立彬，焦慧慧.基于荧光光谱的轻质油乳化物油水比估测研究[门.光谱 学与光谱分析，2021,41(6)：1852-1857. 实验1-3超声光栅测量液体中的声速 1932年，美国德拜(P.J.W.Debye)和席尔斯(F.W.Sears)以及法国卢卡斯(R.Lu cas)和比卡尔(P.Biquand)分别独立地观察到光在超声波传插的液体中的衍射现象，后来 人们在超声被传播的透明固体中也发现了光衍射现象，这种现象称为声光效应(acousto- -11-
— １１ — ２．实验要求 阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实际实验测量, 选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)光栅光谱仪属于贵重精密仪器,超出说明书使用操作时需在教师指导下进行. (２)狭缝宽度的调节必须小心,且狭缝的宽度不得超过３mm,也不得完全闭合,以免 损坏刀口.实验完毕后,应将狭缝宽度调节到０２mm 左右. (３)在测量吸收曲线或吸光度Ｇ介质厚度关系曲线时,要保证仪器各参数(如狭缝宽 度、光电倍增管工作电压等)不变. (４)因光电倍增管受强光照射时会引发“雪崩效应”,所以测量时入射光不能太强. 【思考与讨论】 (１)光栅光谱仪波长示值的校准为什么要用汞灯? 吸收曲线的测量为什么要用溴 钨灯? (２)试讨论狭缝宽度对测量的影响. (３)吸收光谱和发射光谱的关系是什么? (４)如何测量吸光度? 【参考文献】 [１] 邓勃,李玉珍,刘明钟．实用原子光谱分析[M]．北京:化学工业出版社,２０１３． [２] 杨春晟,李国华,徐秋心．原子光谱分析[M]．北京:化学工业出版社,２０１０． [３] 王秉超．大学物理实验(下册)[M]．北京:高等教育出版社,２００３． [４] 娄毅,陈士伟,牛法富,等．利用光栅光谱仪研究乙醇汽油溶液的吸收特性[J]． 物理实验,２０１０,３０(１):４３Ｇ４５． [５] 王泓鹏,万雄．基于植物油可见吸收光谱的相关系数鉴别特级初榨橄榄油[J]． 光谱学与光谱分析,２０１８,３８(９):２８１４Ｇ２８１９． [６] 王越,陈才茂,刘洪昌,等．机车变压器油老化的光谱特征分析[J]．变压器, ２０２２,５９(５):３４Ｇ３９． [７] 袁丽,王立彬,焦慧慧．基于荧光光谱的轻质油乳化物油水比估测研究[J]．光谱 学与光谱分析,２０２１,４１(６):１８５２Ｇ１８５７． 实验１Ｇ３ 超声光栅测量液体中的声速 １９３２年,美国德拜(P．J．W．Debye)和席尔斯(F．W．Sears)以及法国卢卡斯(R．LuＧ cas)和比卡尔(P．Biquand)分别独立地观察到光在超声波传播的液体中的衍射现象,后来 人们在超声波传播的透明固体中也发现了光衍射现象,这种现象称为声光效应(acoustoＧ