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

29807. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЗВУКОВОГО РЕШЕНИЯ 19.65 KB
  ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЗВУКОВОГО РЕШЕНИЯ Условно звуковое решение можно представить в виде трех блоков: блок выбора параметров и характеристик звука физические энергетические психофизические блок выбора художественных приемов блок выбора конкретного звукового материала. Выбор параметров и характеристик звука: 1. Громкость звука. Выбор громкости звука любого материала в мероприятии должен быть во всех случаях мотивирован.
29808. Фонограммы и их сценарно-режиссерские функции в КДД 15.96 KB
  Все театральные шумы музыкальный материал и литературно-музыкальные разработки общего характера. В качестве средства художественной выразительности наиболее часто используются музыкальные и шумовые фонограммы в самых разнообразных комбинациях как между собой так и с другими звуковыми и зрелищными элементами. Музыкальные фонограммы Музыкальные фонограммы используются как отдельные музыкальные выступления завершающие части целых музыкальных программ музыкальные заставки музыка сопровождающая действие. Для создателей театрализованных...
29809. ЗВУКИ И ШУМЫ 15.02 KB
  ЗВУКИ И ШУМЫ Все звуки делятся на тоны звуки и шумы. Музыкальный звук беспредметен тогда как все остальные шумы и звуки связаны либо с явлениями природы либо с действиями человека или какихто предметов то есть они конкретны. В зрелищных программах все шумы и звуки в зависимости от метода включения в действие делятся на три группы: 1. В связи с тем что подобные шумы в настоящее время воспроизводятся преимущественно с помощью фонограммы следует особенно внимательно следить за расположением динамиков на игровой площадке.
29810. ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ВЫРАЗИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В КДД 15.38 KB
  ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ВЫРАЗИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В КДД Звуковые эффекты весьма разнообразны: здесь и перемещение звуковых образов в пространстве движение поездов самолетов демонстраций и т. Эффект панорамирования звука. Суть эффекта заключается в создании иллюзии перемещения звука или звуковой картины в пространстве. Технология получения эффекта панорамирования звука: акустические колонки устанавливают в задействованном пространстве в определенном порядке по планам сцены и зала фойе или другого помещения и вместе с соответствующими...
29811. Методика разработки звуковой партитуры досуговых мероприятий 16.84 KB
  Указывается также дата проведения мероприятия. Здесь же указывается схема коммутации источников звуковой программы магнитофоны микрофоны и пр. При использовании на спектакле ревербератора и панорамного микшера указывается режим их работы и схема подсоединения к каналам звукоусиления. Вначале указывается порядковый номер включения.
29812. Общие понятия о светотехническом обеспечении 15.57 KB
  Техническое обеспечение состоит из пяти условно выделенных групп: световые приборы светорегулирующая аппаратура силовое установочное электрооборудование цветомузыкальные установки приспособления. Световые приборы предназначены для освещения и получения световой проекции или световых эффектов в постановочном освещении КДУ. Здесь же отметим что в группе прожекторов можно выделить подгруппы: прожекторные приборы проекторные приборы и приборы для световых эффектов. На щите установлены аппараты защиты и управления линиями нерегулируемого...
29814. Световое решение мероприятия, световая среда и понятие о технологии их получения 17.47 KB
  Световое решение мероприятия световая среда и понятие о технологии их получения. Задачу создания постановочного света решает светотехническое обеспечение СТО которое представляет собой совокупность технических средств методов и способов их эксплуатации и использование в клубном мероприятии. Разработанное в результате поисков и проб световое решение в клубном мероприятии составляет его световую среду. Световая среда характеризуется интенсивностью контрастностью цветностью динамикой.
29815. Принцип теневого театра: технология получения и использования в КДД 34.51 KB
  Источник тени т. При использовании двух прожекторов получают две тени от одного объекта при трех три и т. А если во все три используемые прожектора поставить разного цвета светосфильтры то получим от одного объекта три тени разного цвета. Более того если два прожектора с разными цветами света установить на легкие тележки и начать их развозить друг от друга то на экране тень от одного объекта начнет раздваиваться на две разного цвета тени.