12120

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 5 ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ Цель работы: исследуя картину дифракции от круглого отверстия определить радиус этого отверстия. Оборудование: гелийнеоновый лазер телескопическая система линз насад

Русский

2013-04-24

502.5 KB

11 чел.

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА КРУГЛОМ ОТВЕРСТИИ

Цель работы: исследуя картину дифракции от круглого отверстия, определить радиус  этого отверстия.

Оборудование: гелий-неоновый лазер, телескопическая система линз, насадка на лазер, пластинка с отверстиями разного диаметра, линза.

Краткие теоретические сведения

Дифракция света представляет собой отклонение света от его прямолинейного распространения. Это явление возникает при наличии какого-либо препятствия на пути света (узкая щель, малое отверстие и т. д.).

Наблюдая дифракционную картину от круглого отверстия, можно определить радиус этого отверстия. Действительно, пусть плоская монохроматическая волна длиной падает на непрозрачную преграду с круглым отверстием радиуса r (рис. 1). 

Рис. 1

Волновую поверхность, входящую в отверстие, разобьем на кольцеобразные зоны (зоны Френеля) таким образом, чтобы расстояние от краев каждой зоны до точки  наблюдения Р отличалось на 2 (см. рис. 1). Если отверстие открывает четное число зон, то электромагнитные колебания, приходящие от соседних зон, взаимно погасят друг друга, и в точке Р будет наблюдаться минимум освещенности. Если отверстие открывает нечетное число зон, то в точке Р будет максимум освещенности. В случае дифракции Фраунгофера радиус отверстия можно определить по формуле

,  (1

где r – радиус отверстия; m – количество зон Френеля; b – расстояние от центра отверстия до точки наблюдения Р; – длина волны излучения.

Расстояние b измеряется на установке, длина волны излучения гелий-неонового лазера =632,8 нм. Для более точного определения числа пропускаемых через отверстие зон Френеля измерения проводятся для двух точекP1 и P2, находящихся на разных расстояниях от отверстия, для них количество зон Френеля в области отверстия отличается на некоторое целое число n.

Описание установки и методика измерений

Схема установки дана на рис. 2. Параллельный монохроматический пучок света от лазера 1 проходит через телескопическую систему линз 2 и падает на пластину с отверстиями 3. Телескопическая система предназначена для расширения диаметра светового пучка. Дифракционная картина, возникающая в точке Р1, отображается с помощью линзы 4 на сплошной экран 5 в точку Р1'. Если изменить положение линзы 4, то на экране получим дифракционную картину от другой точки наблюдения Р2.

Рис. 2

Пусть для точки Р1 открыто m зон, а для точки Р2 – на n зон меньше,
т. е.
m – n. Число n равно количеству переходов освещенности между максимумом и минимумом при перемещении линзы от положения "а" к положению "б" (рис. 3).

                                                           

Рис. 3

По формуле (1) определим радиус отверстия r для указанных положений линзы:

.                                 (2)

Решив совместно эти уравнения, получим

.  (3)

Из рис. 3 следует, что

.   (4)

Расстояния l1, l2 от пластины с отверстием до линзы измеряются непосредственно. Расстояния d1, d2 от дифракционной картины в точке Р1 или P2  до линзы вычисляются по известной "формуле линзы":

, (5)

где F – фокусное расстояние линзы; f1, f2 – расстояния от линзы до экрана 5 измеряются непосредственно на установке. Радиус отверстия r вычисляется по формуле (3).

Порядок выполнения работы

1. Включить лазер.

2. Собрать установку согласно рис. 2.

3. Установить линзу 4 так, чтобы на экране наблюдались одно или два кольца дифракционной картины и минимум освещенности в центре картины.

4. Определить значения l1 и f1.

5. Медленно приближая линзу 4 к экрану и наблюдая на экране изменение освещенности, отсчитать n = 5 переходов освещенности между минимумом и максимумом в центре картины.

6. Зафиксировав линзу после 5 изменений освещенности, определить расстояние l2 и f2.

7. По формулам (4) и (5) рассчитать величины d1, d2, b1, b2.

8. По формуле (3) рассчитать радиус отверстия r.

9. Повторить измерения 3 раза. Определить среднее значение <r>. Оценить погрешность измерения r.

10. Все результаты занести в таблицу.

                                                                                   Таблица

F

λ

l1

f1

d1

b1

n

l2

f2

d2

b2

r

<r>

1

2

3

Контрольные вопросы

1. Что такое зоны Френеля?

2. От чего зависит радиус зоны Френеля?

3. От чего зависит количество зон Френеля, открытых отверстием?

4. Как изменяется дифракционная картина при изменении положения линзы?

5. Вывести формулы (1) и (2).

6. Каковы особенности излучения лазера?

Библиографический список

к лабораторной работе № 5

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 2. – гл. XVIII § 128.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 4. – гл. 5 § 5.4.

3. Кингсеп, А. С. Основы физики / А.С. Кингсеп, Локшин, Г. Р., Ольхов, О. А.. – М., 2001. – ч. 3 гл. 8.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64447. МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АКТИВНОЇ ВІДМОВОСТІЙКОЇ КУТОВОЇ СТАБІЛІЗАЦІЇ ДИСКОПОДІБНОГО ЛІТАЮЧОГО ВИРОБУ 1.05 MB
  Крім зазначених складностей має місце необхідність моделювання та розробки методів відбивання аварійних ситуацій системи стабілізації ДПЛВ в режимі реального часу шляхом забезпечення працездатності в умовах невизначеності функціонування...
64448. СТВОРЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ЗАХИСТУ ЦІННИХ ПАПЕРІВ НА ОСНОВІ КОДУЮЧИХ СТРУКТУР АДАМАРА 704.5 KB
  Незважаючи на його ефективність метод не вдається зреалізувати поліграфічним способом оскільки для розпізнавання зображення необхідно виконувати двовимірне перетворення Адамара.
64449. ЗАПОБІГАННЯ СХОДУ З РЕЙОК СПЕЦІАЛЬНОГО РУХОМОГО СКЛАДУ ШЛЯХОМ СТВОРЕННЯ КОМПЛЕКСНОЇ СИСТЕМИ ПРОТИДІЇ 262 KB
  Досягнення поставленої мети вимагає вирішення таких завдань: аналіз наукових публікацій у галузі динаміки залізничних екіпажів і моделювання взаємодії колеса з рейкою; математичне моделювання взаємодії колеса та рейки за умови рівноваги візка...
64450. Діагностика та ендоскопічне лікування туберкульозу трахеї та бронхів 186.5 KB
  Підвищення ефективності лікування хворих на туберкульоз у тому числі з із туберкульозним ураженням ураженням трахеї та бронхів залишається актуальним питанням фтизіатрії і пульмонології.
64451. Підвищення ефективності робочих процесів екскаваторів поздовжнього копання в складних ґрунтових умовах 305.5 KB
  Причиною цього є складність розробки в’язких липких суглинистих та глинистих ґрунтів в літній час а також ґрунтів що частково промерзли в зимовий неможливість очищення робочих органів екскаваторів від налиплого та намерзлого ґрунту повторне перенесення його в розроблені виїмки.
64452. Підвищення ефективності експлуатації відцентрових насосів у системі водопостачання житлово-комунального господарства 2.55 MB
  Частка енергії що споживається приводом насоса за різними джерелами оцінюється від 18 до 22 усієї електроенергії що використовується в господарстві країни. Зменшення енергоспоживання окремого насоса при забезпеченні ним певних значень напору і витрати досягається за рахунок підвищення ККД.
64453. АНТИКРИЗОВА ПОЛІТИКА БАНКІВСЬКОГО СЕКТОРУ КРАЇН ЦЕНТРАЛЬНОЇ ТА СХІДНОЇ ЄВРОПИ 292 KB
  Слабка фінансова система значна зовнішня заборгованість виражена в іноземній валюті недосконалий нагляд та втручання держави в розподіл та оцінку кредитів підсилюють ризики банківських систем таких країн зіштовхнутися з кризами.
64454. МЕТОДИЧНІ ЗАСАДИ МОНІТОРИНГУ ЯКОСТІ ФАХОВОЇ ПІДГОТОВКИ МАЙБУТНІХ УЧИТЕЛІВ ТРУДОВОГО НАВЧАННЯ 219 KB
  Одним із завдань України щодо інтеграції у європейський освітній простір є потреба у суспільно визнаній оцінці якості освіти. Аналіз науковометодичної літератури показав що з огляду на започатковані процеси реформування активізувалися...
64455. МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ТА ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МЕТОДИ РІШЕННЯ ОДНОГО КЛАСУ ЗАДАЧ ДИФРАКЦІЇ ПЛОСКИХ ЛІНІЙНО ПОЛЯРИЗОВАНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ 1.71 MB
  Явище дифракції плоских лінійно поляризованих електромагнітних хвиль на періодичних гратках широко використовується в техніці зокрема для створення частотних і поляризаційних фільтрів антен діаграмообразуючих пристроїв генераторів дифракційного...