小型棱镜摄谱仪实验内容的有益拓展

屈 奎，倪致祥，顾江鸿

（阜阳师范学院 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037）

小型棱镜摄谱仪实验内容的有益拓展

屈 奎，倪致祥，顾江鸿

（阜阳师范学院 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037）

利用小型棱镜摄谱仪观测了四种白色光源的光谱，分析了它们的特点和形成原因。通过这种对传统实验内容的拓展，培养学生的创新精神以及独立探索的能力，同时也提升了实验仪器的利用价值。

小型棱镜摄谱仪；白色光源；实验内容拓展

大学物理实验室一般都配备有大量的实验器材，但大部分情况下，一套实验器材只用来完成一项教学内容[1,2]，使用范围非常单一,还有一些老旧的仪器基本处于报废状态。如果能在考虑实验器材本身特性的基础上对传统实验内容进行一些有益的拓展，则既能使资源得到充分利用，又能让学生学的更多更好。

下面以小型棱镜摄谱仪实验为例，探讨如何对传统的实验内容进行拓展，希望能够抛砖引玉，让更多的实验器材物尽其用。

1 小型棱镜摄谱仪的特点

小型棱镜摄谱仪是用来观察和测量光谱的装置，其主要部件为一块恒偏向角棱镜[3]，根据色散的原理，不同波长的光通过棱镜后会向不同的方向发散，所以可用来观测光的谱线组成。仪器结构简单明了，使用方便，易于观测，装置如图1。

小型棱镜摄谱仪实验的传统实验内容是测量氢原子和钠原子光谱。把氢灯或钠灯放在导轨上，使光线通过狭缝进入棱镜，在观测窗口对谱线进行观测，用线性内插法或曲线拟合法计算谱线波长。

小型棱镜摄谱仪对光谱的分析具有直接明了的特点，只需把光源的光引入入光狭缝就可对光源光谱进行观测，而光谱可以反映光源的内部发光机制。日常生活中有很多光源，可以利用棱镜摄谱仪对一些常见光源进行观测，从而发现它们的异同点，了解发光原理，增加对光源的认识。

图1 小型棱镜摄谱仪装置图

2 用小型棱镜摄谱仪观测四种白色光源

太阳、汞灯、日光灯、白炽灯都是白色光源，这些光源虽然发出的都是白色，但眼睛还是能分辨出这些白色有所不同。日光灯的光接近自然光，汞灯的白光则感觉偏冷色调，白炽灯的光偏暖色调。眼睛的观察毕竟是感性的，要想获得更深入的了解，就可以通过棱镜摄谱仪来进行观测。

2.1 对太阳光谱的观测

太阳是人类赖以生存的最重要的光源。牛顿用三棱镜所做的色散实验，是最早研究太阳光谱组成的实验，发现了太阳光是由各种不同颜色的光组成，使人类对光的认识进入了一个新阶段。

将实验室其它光源关掉，将所有的窗户拉上遮光窗帘，创造一个尽可能黑暗的环境。选择阳光充足的白天，在向阳的窗户上开一个孔，用数块平面镜通过反射将太阳光引入棱镜摄谱仪的入光狭缝。拍到的太阳光光谱如图2所示。由于出射光管的限制，视场内一次只可以看到可见光区域的一部分光谱，通过调节波长鼓轮可以将剩下的可见部分调至视场内。本次实验需要两次调节波长鼓轮才能看到整个可见光区域的光谱，所以图2是由两次拍摄的图片构成（后面的光谱拍摄情况与此相同）。

图2 太阳光的可见光光谱

可以看到太阳光谱连续分布，色彩之间过渡自然，而且各种色彩亮度比较均匀。正因为太阳光具有这种连续且亮度均匀的光谱，所以太阳光的白色最为自然，被称为自然光，各种色彩在阳光下都能得到还原。

太阳之所以具有这样的光谱形态，是与它内部的发光机制有关的。太阳是气态恒星，能量主要来源于内核部分氢原子的核聚变反应，核聚变产生巨大的能量使太阳具有极高的温度，太阳大气成分基本以等离子体形式存在，自由电子和离子不停进行着复合和电离的过程，所以形成了波长很宽的连续电磁波谱，可见光只占很少一部分。

约束条件为：0.072≤t1≤0.29 & 0≤t1≤0.7;0.1≤t2≤0.46 & 0≤t2≤0.16;0.033≤t3≤0.16 & 0≤t3≤0.4。

实际上太阳光谱并非真正连续[4]，其中包含有大量很窄的暗线，称为夫琅和费线。这是由于太阳光中的部分谱线在到达地球的过程中被太阳和地球外围的大气成分所吸收而形成的，但实验室教学用小型棱镜摄谱仪分辨率不高无法看到这些夫琅禾费线。

2.2 对汞灯光谱的观测

汞灯是实验室常用光源，在光学实验中用途广泛，由于具有较高亮度经常作为照明光源，也可和分光计配合测量光栅常数或棱镜折射率等。实验室用的高压汞灯如图3所示。

图3 实验室常用汞灯

将实验室的其他光源关掉，拉上遮光窗帘，制造一个尽可能黑暗的环境，点亮汞灯，将光引入棱镜摄谱仪狭缝。图4显示的是从测微目镜中看到的汞灯光谱。

图4 汞灯的可见光光谱

从图4中可看到，汞灯光谱是线状谱，亮度比较高的有五条，分别是黄色双线，绿色线，蓝色线和紫色线，但是红色谱线很弱，几乎观察不到。正是因为缺少了红色部分，导致汞灯所发出的光虽然显白色，但看起来呈冷色调。这一点也可以从汞灯对红色物体的色彩还原能力上来检验，如图5所示。图的左边显示的是颜色卡片在自然光下能够清晰地分辨出本来的颜色，图的右边显示的是仅在汞灯下观察时，红色部分全成了黑色。虽然汞灯很亮，但是由于其对红色的还原性很差，所以日常生活中并不用汞灯作为照明光源。

图5 颜色卡片在自然光和汞灯下的显示

汞灯内部充有汞原子，通电以后，阴极发出的高速电子碰撞汞原子，使汞原子跃迁到较高能级或者电离，处于高能级的原子是不稳定的，很快向低能级跃迁，减少的能量以发光的形式释放。由于原子的能级不连续，这些能级跃迁产生的能量差值也不连续，所以对应的光的波长是分立的，通过棱镜色散后就是一条一条的，称为线状谱[5]。电离后的汞离子和电子再复合也会发光，这一部分由于跃迁能级间隔较大，发出的主要是不可见的紫外光谱。

日光灯之所以有此名是因为它是人类最早发明的最接近自然光的光源，对色彩的还原性非常好，而且节能，是日常生活中用到的最广泛的照明光源。

一般实验室顶部都会装有日光灯，只需将实验室遮光帘拉上，防止其他光源的光进入，只保留日光灯光源，用反射镜将日光灯的光引入棱镜摄谱仪入光狭缝。图6显示的是日光灯的可见光光谱。可看出，光谱是连续分布的，但在连续的光谱背景下，出现了一些线状成分。和图4的汞灯光谱对比就会发现，这些线状成分和汞灯的线状谱是一样的。

图6 日光灯的可见光光谱

由于每种原子能级结构的唯一性，它所发出的线状谱结构也具有唯一性，既然日光灯光谱里有汞光谱的成分，就说明日光灯内一定含有汞原子。实际上，日光灯管内确实充有汞，通电后，在电压作用下，从电极发出的高速电子碰撞汞原子，使汞原子向高能级跃，其中大部分被电离，发光原理和汞灯一样，不同的是日光灯管的内壁上涂有对紫外线敏感的荧光粉。荧光粉是固体物质，固体物质的能级间隔较小，几乎是连续分布的，吸收了紫外线能量的荧光粉自身能级升高，很快向下面的能级跃迁，于是产生了波长连续变化的连续光谱[6]。也就是说，日光灯的可见光谱中，汞原子贡献了其中的线状谱，荧光粉贡献了连续谱。

2.4 对白炽灯光谱的观测

在日光灯没有普及之前，白炽灯曾经作为最主要的照明光源而被人们熟悉。由于其发光效率低，使用寿命短等缺点已基本被淘汰，但它价格低廉，有些场合偶尔还能够见到它的身影[7]。

将实验室遮光帘拉上，关掉实验室其他光源，将白炽灯固定在棱镜狭缝前端，给白炽灯通电，灯丝电阻在电流通过时具有热效应，温度会达到2 000℃左右，在如此高温下灯丝发出明亮的白炽光。将光引入棱镜摄谱仪狭缝。图7显示的是白炽灯的可见光光谱。可以看出白炽灯的光谱是连续光谱，不含线状成分。并且连续光谱中的红色部分亮度最高，越向蓝色方向亮度越弱。

图7 白炽灯的可见光光谱

白炽灯从外界吸收的光可以忽略不计，近似把白炽灯看成是一个黑体，根据普朗克的黑体辐射公式[8]

辐射出的波长λ是连续变化的，当温度T为2 000℃时，由(1)式绘出单色辐出度ελ,T与波长λ的变化关系，如图8所示。可见，白炽灯辐射的能量大部分在红外波段，这是白炽灯能效不高的原因。在辐射的可见光区域内，辐射能量随着波长的减小而减小，红色区域占据了可见光总能量的大部分，所以白炽灯的光看起来呈暖色调。

3 结语

通过对四种常见白色光源的观测，把知识和日常生活中的现象结合了起来，知识变得生动和亲近，不仅加深了学生对对知识的理解，也培养了学习兴趣，这种拓展是有趣和有益的。而且通过拓展使原来仅仅完成一项单一内容的实验仪器增加了使用价值，实现资源的最大化利用。

图8 黑体单色辐出度与波长的关系(T=2 000℃)

很多实验可以进行拓展，比如拉伸法测杨氏模量所用到的光杠杆[1]，利用其可以测量微小形变的特点，稍微改造就可以测量一些日常生活中肉眼很难看到的物体形变，比如轻压桌面引起的变化，甚至高层大楼在风中的微小抖动等。对传统实验内容进行拓展要从实验器材的特点出发去思考，与学生熟悉的内容或现象结合起来，在不断的摸索中找到合适的拓展内容。

[1]袁广宇，朱德权，丁智勇，等.大学物理实验[M].3版.合肥：中科科学技术大学出版社，2014：92-115.

[2]吴泳华，霍剑青，刘鸿图，等.大学物理实验[M].2版.北京：高等教育出版社，2005：64-104.

[3]林木欣，熊予莹，高长连，等.近代物理实验教程[M].北京：科学出版社，2001：39-48.

[4]杨铭珍，关文祥，王玉成.太阳光譜分析[J].辽宁师院学报：自然科学版，1981（04）：11-15.

[5]杨福家.原子物理学[M].4版.北京：高等教育出版社，2011：86-164.

[6]常清英，林一青.日光灯气体放电是辉光放电还是弧光放电[J].大学物理，2005，24（6）：24-28.

[7]刘 钰.道路照明常用电光源光谱及检测方法[C]//海峡两岸第二十二届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集，2015：87-91.

[8]姚启钧.光学教程[M].5版.北京：高等教育出版社，2014：438-449.

The useful expansion of small prism spectrograph experiment

QU Kui，NI Zhi-xiang，GU Jiang-hong
(School of Physics and Electronic Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236037,China)

The spectrum of four kinds of white light was observed by using small prism spectrograph,whose characteristics and causes were analyzed.Through the expansion of traditional experiment content,the students'creative spirit and the independent exploration ability are developed,what’s more,the value of the experimental instrument is also improved.

prism spectrograph;white light source;expansion of traditional experiment

O433.1

：A

：1004-4329（2016）04-110-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-110-04

2016-05-20

安徽省教学团队(20100636)；国培计划校本研修课题(FYGP1502)；安徽省质量工程在线开放课程(MOOC)示范项目(2014mooc032)资助。

屈 奎（1982- ），硕士，讲师，研究方向：分子与原子物理。