Дифр.решетка отчет по Л.Р.№ 2. Чф фгаоу во пнипу
![]()
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Чайковский филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ЧФ ФГАОУ ВО « ПНИПУ») Кафедра автоматизации, информационных и инженерных технологий Оптика Компьютерная лабораторная работа № 2“Дифракционная решетка” Выполнил А.А. Васильева студент группы АСУ-21-1бз Принял проф. кафедры АИИТ, доктор техн. Наук Е.А. Морозов 2022 ВВЕДЕНИЕ Область исследования: Данное исследование относится к программному и компьютерному обеспечению и моделированию физических процессов. Актуальность: Программа способна смоделировать зависимость интенсивности света от разности фаз между осцилляторами, необходимость углубленного изучения оптики и компьютерного моделирования. Углубленное изучение физики. . Цель работы: Создать компьютерную модель работы дифракционной решетки. Задачи исследования: Ознакомиться с теоретической частью. Разработать компьютерную модель. Провести компьютерный эксперимент. Достоверность и обоснованность результатов: Использование проверенных фундаментальных теорий. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Проанализируем основные моменты компьютерной модели дифракционной решетки. По идее Френеля появление максимумов и минимумов интенсивности является результатом интерференции лучей от большого числа вторичных (когерентных) источников (принципа Гюйгенса – Френеля). Для компьютерной двумерной модели, каждую щель дифракционной решетки можно рассматривать как точечный источник вторичных волн. Таким образом, нам необходимо найти суммарную интенсивность света ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Пусть имеется ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Из справочника, находим сумму ряда (1) ![]() Отношение ![]() очевидно, дает результирующую фазу амплитуду колебаний, как функцию фазового сдвига и количества источников. Поскольку непосредственно регистрируется приборами и, в частности, глазом не величина поля, а его интенсивность ![]() ![]() ПРОГРАММНАЯ МОДЕЛЬ Вид функции интенсивности исследуем, построив компьютерный график. Используя базовую программу построения графиков функций, пишем программу: tt:=0.0001; {шаг счета} k:=5; {число осцилляторов} f:=0.0001; {сдвиг фаз между соседними осцилляторами, градусы} Fori:=1 to 200000 do begin Int:=Sqr(sin(0.5*k*f))/Sqr(sin(0.5*f)); {вычислениеинтенсивности} SetPixel(X0+round(f*40*MasX),Y0-round(Int*40*MasY), clNavy); {вправо} SetPixel(X0-round(f*40*MasX),Y0-round(Int*40*MasY), clNavy); {влево} f:=f+tt; end; ![]() Рисунок 1 - Интенсивность колебаний при 5 осцилляторах На рисунке представлены траектории движения снаряда для случая ![]() Протестируем правильность работы программы, используя тот факт, что при одном осцилляторе (рисунок 2) выражение (4) составит ![]() ![]() ![]() Рисунок 2 - Интенсивность колебаний при 1 осцилляторе ![]() Рисунок 3 - Интенсивность колебаний при 2 осцилляторах ВОПРОСЫ: Как ведет себя функция интенсивности при увеличении количества осцилляторов? Как видно на рисунке 4 и 5, при увеличении количества осцилляторов интенсивность колебаний нарастает. ![]() Рисунок 4 - Интенсивность колебаний при 3 осцилляторах ![]() Рисунок 5 - Интенсивность колебаний при 5 осцилляторах От чего зависит количество дополнительных минимумов? Условие дополнительных минимумов: ![]() где: N –число щелей. Исходя из выше приведенной формулы, количество дополнительных минимумов зависит от количества осцилляторов Что будет если число осцилляторов будет стремится к бесконечности? Как изображено на рисунках 6,7 и 8, при увеличении количества осцилляторов, количество дополнительных максимумов и минимумов, а также амплитуда колебаний увеличиваются пропорционально. Исходя из этого вывода, можно предположить, что если число осцилляторов будет стремится к бесконечности, то число дополнительных максимумов и минимумов вместе с амплитудой также будут стремиться к бесконечности. ![]() Рисунок 6 - Интенсивность колебаний при 20 осцилляторах ![]() Рисунок 7 - Интенсивность колебаний при 200 осцилляторах ![]() Рисунок 8 - Интенсивность колебаний при 2000 осцилляторах При каких значениях разности фаз образуются главные максимумы? (кратно ![]() Условие главных максимумов дифракционной решетки: ![]() где d- период дифракционной решетки, φ – угол дифракции, m – соответствует порядку максимумов, начиная с центрального m=0, λ — длина волны падающего на решетку света. 5. При каких значениях разности фаз образуются добавочные минимумы? ( ![]() Условие дополнительных минимумов: ![]() где: N –число щелей. Теперь смоделируем работу дифракционной решетки. Для этого нам необходимо определить разность фаз двух точечных осцилляторов расположенных на расстоянии ![]() ![]() ![]() ![]() Подставляя разность фаз в выражение (4) получим зависимость интенсивности от угла наблюдения ![]() Доработаем имеющуюся у нас программу интенсивности. Объявляем тип переменных. tt, {шаг счета} k, {число осцилляторов или число щелей ршетки} f, {сдвиг фаз между осцилляторами} a, {угол наблюдения} d, {расстояние между щелями или период решетки} L, {длина волны света} Int {суммарная интенсивность} : real; Расширяем блок построения графика интенсивности. {Блок расчета зависимости интенсивности света от угла наблюдения после прохождения дифракционной решетки} tt:=0.00001; {шаг счета} k:=20; {число осцилляторов или щелей решетки} d:=0.001/300; {период решетки в метрах (300 трихов на миллиметр)} L:=575/1000000000; {длина волны в метрах, зеленый свет} a:=0.0001; {угол, радианы} Fori:=1 to 200000 do begin f:=(2*Pi*d/l)*sin(a); {вычисление разности фаз источников} Int:=Sqr(sin(0.5*k*f))/Sqr(sin(0.5*f)); {вычисление интенсивности} SetPixel(X0+round(f*40*MasX),Y0-round(Int*40*MasY), clGreen); {вправо} SetPixel(X0-round(f*40*MasX),Y0-round(Int*40*MasY), clGreen); {влево} a:=a+tt; {изменение угла наблюдения} end; ВОПРОСЫ: Как расположены максимумы света различных длин волн относительно друг друга? В центре все световые волны накладываются друг на друга, и по мере удаления от центра смещаются относительно друг друга все больше и больше. ![]() Рисунок 9 - Интенсивность колебаний при 5 осцилляторах различных световых спектров Пусть ![]() Условие дополнительных минимумов: ![]() где: N –число щелей. С увеличением числа щелей интенсивность основных максимумов растет. Как она растет? Пусть число щелей увеличились в 3 раза. Во сколько раз возрастет интенсивность основных максимумов. Зависимость интенсивности главных максимумов: ![]() Пускай количество осцилляторов равняется 5, тогда ![]() Следовательно, если количество осцилляторов увеличить в 3 раза, т.е. 5*3, тогда ![]() Интенсивность основных максимумов возрастет в: ![]() ![]() Рисунок 10 - Интенсивность колебаний при 5 и 15 осцилляторах ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения работы были решены такие задачи: Ознакомилась с теоретической частью. Разработала компьютерную модель. Провела компьютерный эксперимент. Вследствие чего была выполнена цель: Создана компьютерная модель дифракционной решетки. |