ФИЗИКА ЛБ. ЛБ_5 ДР. Лабораторная работа 5 Определение световой волны с помощью дифракционной решетки Цель работы
![]()
|
Лабораторная работа № 5 Определение световой волны с помощью дифракционной решетки Цель работы: 1) Изучение интерференции и дифракции на дифракционной решетке; 2) Измерение длины световой волны. Теоретическое введение Явление интерференции и дифракции света Свет – электромагнитная волна форма материи, проявляющая как волновые, так и корпускулярные свойства. Волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией называется явление, сопровождающееся пространственным перераспределением интенсивности в области наложения только когерентных световых волн. Поэтому в этом случае наблюдаются устойчивые положения максимумов и минимумов световых волн. Интенсивностью световой волны называется величина, численно равная средней энергии, переносимой световой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к падающему лучу. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды падающей волны. Когерентные волны – это волны с одинаковыми частотами колебаний, с постоянной во времени разностью фаз в точке наложения или с постоянной оптической разностью хода ![]() Максимум интенсивности при интерференции когерентных волн наблюдается, если оптическая разность хода равна: ![]() ![]() Минимум интенсивности наблюдается, если ![]() ![]() ![]() Явление дифракции возникает при нарушении целостности волновой поверхности и проявляется, в частности, в нарушении закона прямолинейного распространения света (проникновении света в область геометрической тени), то есть огибание волнами препятствий, соизмеримых с длиной падающей волны на это препятствие. Задача дифракции заключается в нахождении распределения освещенности на экране в зависимости от размеров и формы препятствий. В большинстве случаев явление дифракции можно объяснить используя принцип Гюйгенса – Френеля. Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку, в которую пришла волна от источника, можно принять за центр вторичных волн. Френель дополнил и развил эту идею следующими положениями: вторичные волны когерентны и интерферируют при наложении. Дифракция света в параллельных лучах называется дифракцией Фраунгофера (источник удален от экрана на большое расстояние). В данной работе изучается дифракция Фраунгофера. В этом случае дифракционная картина наблюдается в виде темных и светлых полос, если падает монохроматический свет, то есть свет с длиной волны ![]() Дифракционная решетка Рассмотрим систему N одинаковых щелей (рисунок 61.1) шириной а, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками b, такая система называется дифракционной решеткой ![]() ![]() Рисунок 61.1 Пусть свет падает на решетку нормально. За щелями в результате дифракции лучи будут распространяться под различными углами к лучам, падающими на решетку. Если на пути этих лучей поместить собирающую линзу, то в фокальной плоскости этой линзы в одной точке соберутся лучи, отклоненные под одинаковыми углами. Оптическая разность хода между соответствующими лучами от соседних щелей равна: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Если ![]() ![]() Условие образования максимумов в этом случае имеет вид: d sin ![]() ![]() ![]() Из условия максимума следует, что при m=0, ![]() ![]() При освещении дифракционной решетки белым светом, полоса нулевого порядка белого цвета, так как для ![]() ![]() Интенсивность максимумов постепенно убывает, число дифракционных спектров ограничено и определяется условием ![]() ![]() Дифракционная решетка является хорошим спектральным прибором, широко используется в спектроскопии, в частности, для измерения длин волн света. Описание экспериментальной установки и метода измерений Используемый в работе прибор состоит из линейки (1) с делениями, на одном конце которой закреплена дифракционная решетка (2), вдоль которой свободно может перемещаться экран со щелью и миллиметровой шкалой (3). (Рисунок 61.2). ![]() Рисунок 61.2 Если на щель (4) направить пучок сета от источника, то посмотрев на нее через дифракционную решетку (2), по обе стороны от нее на шкале подвижного экрана (3) можно увидеть дифракционную картину - максимумы нескольких порядков, разделенные минимумами. Если свет белый, то максимумы будут представлять собой спектры белого света. Явление это объясняется следующим образом: на сетчатке глаза в фокальной плоскости хрусталика глаза собираются параллельные пучки лучей, отклоненные решеткой. Если угол отклонения ( ![]() ![]() ![]() Из формулы d sin ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 61.3 Для спектров малых порядков отклонения лучей угол мал, так как ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Тогда sin ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() N – число щелей на единицу длины для данной дифракционной решетки. Порядок выполнения работы 1 Перед началом работы устанавливают осветитель и, глядя на щель через дифракционную решетку, измеряют расстояние от щели до красных спектров первого и второго порядков ( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 2 Измерить расстояние l1 от щели до дифракционной решетки. 3 Для еще двух значений l1 измерить соответствующее значение l2 для тех же красных лучей, то есть для m= ![]() ![]() 4 Найти значение ![]() ![]() где ![]() 5 Вычислить абсолютную ![]() ![]() ![]() где t(n) – коэффициент Стьюдента для n, n – число измерений. 6 Результаты измерений и вычислений занести в таблицу. Таблица измерений и вычислений
Записать результат измерений в виде доверительного интервала ![]() ![]() Контрольные вопросы 1. Что такое свет? 2. Какое явление называется интерференцией? 3. Перечислите признаки когерентных волн. 4. Укажите условия наблюдения максимума и минимума при интерференции. 5. Какое оптическое явление называется дифракцией света? Когда оно наблюдается? 6. В чем заключается принцип Гюйгенса, Гюйгенса-Френеля? 7. Как происходит дифракция света на дифракционной решетке? 8. Покажите ход лучей после решетки? 9. Опишите дифракционную картину от решетки. Запишите условия появления максимумов и минимумов. 10. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах? Почему? |