23355

Изучение дифракции света

Лабораторная работа

Физика

Исследуя дифракцию излучения лазера на щели и дифракционной решетке определить длину волны излучения лазера. На экране наблюдается дифракционная картина чередующиеся светлые и темные полосы параллельные щели. Длина щели намного больше длины волны света поэтому дифракционная картина вдоль щели отсутствует. Результирующая освещенность любой точки экрана направление на которую составляет с нормалью n к поверхности щели угол определяется интерференцией всех вторичных волн.

Русский

2013-08-04

358.5 KB

3 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3/3

Изучение дифракции света.

Цель работы.  Исследуя дифракцию излучения лазера на щели и дифракционной решетке, определить длину волны излучения лазера.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Дифракцией называют совокупность явлений, заключающихся в отклонении законов распространеня волн от геометрической оптики и наблюдаемых в неоднородных средах .

На рис. 1 приведены два примера дифракционных явлений при дифракции плоских волн на непрозрачном препятствии (а) и отверстии (б).

а)                                                                                              б)

Рис 1.

Как видно из рисунка,  волны как бы огибают препятствия, отклоняясь от прямолинейного распространения и попадая в область геометрической тени.

При дифракции, так же как и при интерференции, наблюдается перераспределение интенсивности колебательного процесса в пространстве в результате суперпозиции когерентных волн. Расчет интенсивности дифракционной картины осуществляют с использованием принципа  Гюйгенса-Френеля: малые элементы волновой поверхности представляют как источники вторичных сферических  когерентных волн, амплитуды которых пропорциональны площади элемента; амплитуда колебаний в любой точке пространства за волновой поверхностью определяется суперпозицией таких вторичных волн.

Расчет интеренференционных картин, возникающих вследствие дифракции, может быть осуществлен в ряде случаев с помощью метода зон Френеля.

Дифракционные явления существенно заметны, если длина волны сопоставима с размером  b препятствия. В этом случае сохраняют силу такие понятия, как волновая поверхность и волновой фронт. При >>b или <<b дифракционные эффекты несущественны.

Явление дифракции имеет место для волн любой природы: упругих (акустических, сейсмических), электромагнитных (в том числе радиоволн  различного диапазона) и даже для волн де Бройля элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.).

Дифракция радиоволн может оказывать как  "положительное" , так и "отрицательное"  влияние на характер их распространения. В частности, длинные радиоволны ( порядка километров) хорошо огибают  земную поверхность, обеспечивая поступление радиосигналов в места, не находящиеся в прямой видимости от передатчика. С другой стороны, радиолокация воздушных объектов возможна только радиоволнами менее, чем метровой длины, поскольку радиоволны с большей  длиной будут огибать объекты, не давая отраженного сигнала. Но такие короткие волны не способны огибать неровности земной поверхности и локация низколетящих объектов (или прячущихся в горных ущельях) становится практически неосуществимой.

Пусть на пути распространения плоской монохроматической волны с длиной волны  расположена непрозрачная преграда с щелью шириной b (как на рис.2) за которой находится экран Э. На экране наблюдается дифракционная картина  чередующиеся светлые и темные полосы, параллельные щели. Длина щели намного больше  длины волны света, поэтому дифракционная картина вдоль щели отсутствует. Преграда со щелью оставляет открытой для распространения за щелью только часть волновой поверхности падающей волны шириной b. Эту часть разбивают на площадки dS, каждая из которых является по принципу Гюйгенса, источником сферических волн. Результирующая освещенность любой точки экрана, направление на которую составляет с нормалью n к поверхности щели угол  , определяется интерференцией всех вторичных волн. В зависимости от соотношения фаз, складываемых колебаний в точке A могут наблюдаться как максимум, так и минимум интенсивности I колебаний результирующего поля. На рис.2 изображена зависимость интенсивности I от синуса  угла между направлением на точку наблюдения и нормалью к поверхности щели

Рис 2..

В направлениях, определяемых условием:

bsin = (2k+1)/2,                                                              (1)

интенсивность максимальна (дифракционные максимумы) ( здесь k  1 2 3 порядок спектра).

В направлениях, удовлетворяющих условиям:

bsin = k                                                        (2)

интенсивность колебаний результирующего поля равна нулю (дифракционные минимумы).

В центре системы возникает всегда центральный дифракционный максимум, как показано на рис.2. Центральный максимум в два раза шире и значительно интенсивней побочных максимумов.

Если плоская монохроматическая волна встречает непрозрачную преграду, содержащую N параллельных щелей шириной b на одинаковом расстоянии с друг от друга (плоскую дифракционную решетку), на экране за решеткой наблюдается более четкая по сравнению с одиночной щелью дифракционная картина  чередующиеся темные и светлые полосы (рис.3).

Рис. 3.

     В направлениях, удовлетворяющих условию:

dsin  ,                                                             (3)  

где d  (с+b)  постоянная решетки, k    , наблюдаются главные дифракционные максимумы. Между двумя соседними главными максимумами порядков  k и k наблюдается N побочных максимума. Интенсивности главного и ближайших к нему побочных максимумов находятся в отношениях 100:5:2,25:1,6 . Побочные максимумы обусловливают при низком разрешении слабый фон освещенности, на котором  проявляются узкие и резкие главные максимумы. На рис.3 представлена зависимость интенсивности колебаний электромагнитного поля от синуса угла  при дифракции монохроматического света на решетке с N  . Штриховой линией, огибающей главные максимумы,  показана картина дифракции на одной щели шириной b).


Описание экспериментальной установки и метода измерений.                                     

Экспериментальная установка состоит из (рис.4): оптической скамьи 1, с закрепленной на ней линейкой, источника  света (газового лазера) 2 с блоком питания 7, экрана 3, дифракционной щели 4 и дифракционной решетки 5.

Рис. 4..

При прохождении света через щель или дифракционную решетку происходит явление дифракции света и на экране образуется дифракционная картина. Для юстировки лазера (изменения направления луча) в его штативе предусмотрены  винты 6, позволяющие в небольших пределах поворачивать луч лазера. Ширина щели регулируется винтом 9, снабженным микрометрической шкалой  (рис.5).

Для определения установленной ширины  щели необходимо к числу установленных десятых долей мм (задаются горизонтальной шкалой) прибавить число установленных сотых долей мм (задается показанием вертикальной шкалы). В примере, на рис.5 ширина щели составляет 0,025 мм.

В данной работе используются дифракционная решетка с постоянной d  0,01 mm.

    Для измерения углов, под которыми наблюдаются дифракционные максимумы можно воспользоваться приближенной формулой (в виду малости углов ):

sin   tg = (xk +x-k)/2a                                         (6)

где  k  порядковый номер максимума, xk - расстояние от центра экрана до дифракционного максимума k, a  расстояние от щели (решетки) до экрана.

Положение максимумов и минимумов дифракции определяются формулами (1), (2), (3). Из комбинации уравнений (2), (3), (6) можно получить формулы для определения длины волны света по положениям максимумов дифракции:  

щель                                         (7)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Ознакомиться с экспериментальной установкой, включить тумблер "ВКЛ" блока питания 7 и дать ему прогреться 3-5 мин.

Снять с оптической скамьи щель и дифракционную решетку, ослабив винты 8 (подставки оставить на скамье).

Включить кнопку "ЗАПУСК" блока питания лазера 7.

Перемещая в вертикальной плоскости экран 3 и юстируя в горизонтальной плоскости винтом 6 лазер, добиться попадения луча лазера в центр экрана.

Часть1. Дифракция от щели.

Установить щель в подставку и расположить ее на расстоянии а = 0,5 м от экрана. Установить ширину щели b = 0,040мм.

Измерить по экрану положения центров первых трех дифракционных максимумов. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1.

k

xk

k

ср

k

w

a=0,5 м

b=0,04 мм

       1

      -1

       2

      -2

       3

      -3

a'=0,4 м

b'=0,05мм

        1

       -1

        2

       -2

        3

       -3

Установить щель шириной b' = 0,03 мм и расположить ее на расстоянии a' = 40 см от экрана. Провести измерения в соответствии с пунктом 6.

По формуле (7) рассчитать длины волн . Результаты занести в таблицу 1.

Рассчитать среднее значение длины волны излучения лазера по формуле:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80652. МЕЖДУНАРОДНАЯ ТОРГОВЛЯ И ВНЕШНЕТОРГОВАЯ ПОЛИТИКА 43 KB
  Международная торговля это обмен товарами и услугами между различными странами связанный с всеобщей интернационализацией хозяйственной жизни и интенсификацией международного разделения труда в условиях НТР. Необходимость развития международной торговли: Образование мирового рынка. Экономическому росту международной торговли способствовали: НТР стимулирующая расширение основного капитала создание новых отраслей реконструкцию старых производств; государственное...
80653. Организационные формы управления предприятием в международном менеджменте 129.5 KB
  Понятие организационной структуры управления ее элементы. Принципы проектирования организационных структур управления. Требования к структуре управления.
80654. Кросс – культурные проблемы международного менеджмента 29 KB
  Некоторые результативные критерии культуры: длина иерархической лестницы восприятие равенства между людьми в обществе в организации изображение состояния неопределенности отношение людей к своему будущему к попыткам взять судьбу в свои руки индивидуализм желание людей действовать независимо маскулинизм манера поведения и предпочтение мужских и женских ценностей в обществе. Отношение к собеседнику. В международном менеджменте имеют непосредственное значение 3 элемента: Отношение ко времени ; Отношение к достижениям;...
80655. Формирование команды в международной корпорации 31.5 KB
  Хорошо проявляется в критических ситуациях в которых не теряется а быстро ориентируется и принимает грамотные здравые решения. Доводчик решения Это человек у которого внутренняя тревога за дело занимает все его мысли; и его беспокоит все что может получиться не правильно. Оформитель решения Это лидер в выполнении конкретных задач. Он дает много оригинальных мыслей идей и постоянно ищет нестандартные решения для возникающих проблем но при этом детали решения его не интересуют.
80656. Проблемы и эффективность международного менеджмента 27 KB
  По мере роста уровня деловой активности компания открывает торговые представительства в стране где ведется большая часть операций или в том регионе мирав который экспортирует продукцию. Факт производства своей прдукции в целевой стране США не имеет производственных мощностей по производству автомобилей в Японии а Япония создала в США производственные мощности по производствупродажеи ремонту своих автомобилей. Политические условия в стране диктатура демократия. Если страна слишком националистическая она может не желать закупки...
80657. Конкурентоспособность глобальных предприятий в международном менеджменте 31 KB
  Послепродажное обслуживание Снижение сложности предлагаемых услуг Единые нормы качества Эффективность учебного процесса Пути достижения глобальной конкурентоспособности базируются на следующих четырех компонентах : Компоненты глобальной конкурентоспособности предприятия...
80658. Время как фактор стратегии конкуренции 41.5 KB
  Соблюдение этого принципа позволяет предвидеть такие явления как: Быстрые изменения на рынках сбыта Уменьшение жизненного цикла товара Общее увеличение сроков разработки новой продукции Расширение ассортимента Сокращение сроков поставки Повышение требований к договорам Ужесточение конкуренции Перенасыщение рынков Решение этих вопросов зависит от фактора времени что означает: В отношении внешней среды точное соблюдение сроков договоров более быстрое удовлетворение традиционных потребностей клиентов их специальных запросов ...
80659. Существует только один способ ничего не делать и множество способов сделать что-нибудь 697.5 KB
  Приоритет экономических методов в рыночных условиях объясняется тем, что отношения управления определяются в первую очередь экономическими отношениями и в конечном итоге сводятся к управлению интересами через интересы и посредством интересов. Отличительная черта современного этапа развития экономических методов менеджмента — их направленность на поощрение деятельности предприятия в зависимости от его эффективности, экономии ресурсов.
80660. Организационные формы управления предприятием в рыночной экономике 130 KB
  Понятие организационной структуры управления ее элементы. Принципы проектирования организационных структур управления. Требования к структуре управления.