42344

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Лабораторная работа

Физика

Приборы и оборудование: оптическая скамья осветитель дифракционная решетка держатель для дифракционной решетки экран шкала. Решетки применяемые в учебных лабораториях представляют собой обычно отпечатки таких гравированных решеток и называются репликами. Основными параметрами дифракционной решетки являются постоянная период решетки d расстояние между серединами соседних щелей и число штрихов N.

Русский

2013-10-29

148 KB

11 чел.

Лабораторная работа 7.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ
ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Библиографический список

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988.
    Т. 2.
  2.  Зисман Г.А., Тодес О.М . Курс общей физики. М.: Наука, 1982. Т.3.

Цель работы: ознакомление с методом определения длины волны света, основанным на явлении дифракции света.
Приборы и оборудование: оптическая скамья, осветитель, дифракционная решетка, держатель для дифракционной решетки, экран – шкала.

Описание метода и экспериментальной установки

Дифракционная решетка представляет собой стеклянную или металлическую пластинку, на которую с помощью делительной машины через строго одинаковые интервалы нанесены параллельные штрихи. Прочерченные места рассеивают свет и практически являются непрозрачными. Непрочерченные места являются очень узкими дифракционными щелями, пропускающими свет (прозрачная решетка). Решетки, применяемые в учебных лабораториях, представляют собой обычно отпечатки таких гравированных решеток и называются репликами. Изготовляются реплики из специальной пластмассы.

Основными параметрами дифракционной решетки являются постоянная (период) решетки d (расстояние между серединами соседних щелей) и число штрихов N. При падении света на дифракционную решетку, лучи, распространяющиеся от отдельных щелей, интерферируют между собой. В направлениях, для которых колебания от отдельных щелей взаимно усиливают друг друга, наблюдаются главные максимумы.

Пусть лучи с длиной волны λ падают на решетку нормально (рис.1).

Рассмотрим точки А и В двух соседних щелей, отстоящие друг от друга на расстояние d. Пусть лучи 1 и 2 идут из точек А и В под углом φ к первоначальному направлению. Пройдя через линзу L, они соберутся в точке Р экрана Э, расположенного в фокальной плоскости линзы. Оптическая разность хода между лучами 1 и 2 равна

Δ = ВС = (a + b) sin φ = dsin φ

Этой разности хода соответствует разность фаз . Если , то , т.е. лучи 1 и 2 приходят в точку P с разностью фаз 2, и колебания усиливают друг друга. Следовательно, условие усиления колебаний можно записать в виде:

dsinφ =  k,         (1)

где k  0, 1, 2,…. Аналогично можно рассмотреть лучи, исходящие из других щелей дифракционной решетки.

Условие (1) будет являться условием максимума не только для лучей 1 и 2, но и для всех лучей, исходящих из щелей дифракционной решетки. Из условия (1) следует, что при k = 0
sinφ = 0, и на экране получается нулевой, дифракционный максимум. При k  0, 1, 2,… по обе стороны от нулевого максимума возникают дифракционные максимумы соответственно первого, второго и т.д. порядков, разделенные темными промежутками. При освещении решетки белым светом центральный нулевой максимум имеет вид белой полоски, все остальные – радужных полосок, называемых дифракционными спектрами первого, второго и т.д. порядков (рис. 2).

В пределах каждого спектра окраска полосок изменяется от фиолетовой до красной. Число дифракционных спектров ограничено и определяется условием . Белый цвет центральной полоски обусловлен тем, что в этом месте разность хода всех лучей равна нулю, и лучи всех длин волн составляющих белый свет, усиливаются в одинаковой степени. В других точках экрана положение максимумов для различных длин волн не совпадают.


На рис. 3 показан внешний вид установки для определения длины волны света. 1 - оптическая скамья, 2 - экран-шкала со щелью, через которую свет от осветителя направляется на дифракционную решетку, 3 - держатель для дифракционной решетки.
Если смотреть на освещенную белым светом щель
экрана-шкалы через дифракционную решетку, то по обе стороны от щели расположены спектры (радужные полоски) первого, второго, третьего и т.д. порядков.

Пусть L – расстояние от дифракционной решетки до экрана (рис. 3), а l – расстояние от середины экрана до положения на шкале исследуемой линии спектра (рис. 4).


Как видно из рис.4, . Из формулы (1) следует, что . При достаточно большом расстоянии от дифракционной решетки до шкалы , поэтому . Откуда

.          (2)

По формуле (2) вычисляется длина волны света, соответствующая определенной линии дифракционного спектра.

Порядок выполнения работы

  1.  Получить дифракционную решетку у лаборанта и записать указанное на ней значение её постоянной (d).
  2.  Вставить дифракционную решетку в держатель.
  3.  Установить экран – шкалу со щелью на крайнем делении оптической скамьи.
  4.  Измерить расстояние между шкалой и решеткой (L). Результаты измерений занести в табл. 1.
  5.  Включить осветитель и расположить шкалу так, чтобы она была хорошо освещена. При этом на щель надо смотреть через дифракционную решетку.
  6.  Измерить расстояние от середины красных линий спектра I–го порядка (справа и слева от щели) до середины щели ( и ).
  7.  Проделать измерения, указанные в п.6 для красных линий спектра II – го порядка.
  8.  Проделать измерения, указанные в пунктах 6, 7 для линии дифракционного спектра, заданной преподавателем.
  9.  Изменив расстояние L на 5 см, повторить измерения, указанные в пунктах 4, 6, 7 и 8 для красной линии дифракционного спектра и линии, заданной преподавателем.
  10.  Оценить угловую  и линейную  дисперсию решетки для I–го и II–го порядков спектра.


Таблица 1

Постоянная решетки

d, мм

Расстояние от решетки до шкалы

L, см

Порядок спектра, k

Расстояние от красной линии до щели

Расстояние от Х линии до щели

мм

мм

,

мм

,

мм

,

мм

мм

0,01

40

1

2

35

1

2

Обработка результатов измерений

  1.  Подставить значения величин  k и L в расчётную формулу (2) и найти четыре значения  λкр и четыре значения  λx.
  2.  Рассчитать средние значения .
  3.  Найти величины погрешностей в определениях λкр и λx.
    Если считать величину
    d в расчётной формуле постоянной, то искомая величина λ есть функция двух непосредственно измеренных величин (L и l), и ошибка определяется по формуле:

,

откуда

,

где ΔL и Δl - ошибки в определении соответственно L и l.

Погрешности ΔL и Δl принять равными 0,5 мм.

  1.  Оценить относительную погрешность .
  2.  Записать окончательный результат в виде

…%;    …

    Контрольные вопросы

Что такое дифракция света?

Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.

Что такое зоны Френеля?

Как рассчитать радиусы зон Френеля для сферического волнового фронта?

Как рассчитать радиусы зон Френеля для плоского волнового фронта?

Сформулируйте условие максимума при дифракции от одной щели.

Как получить условие максимумов и минимумов методом графического сложения амплитуд?

Что такое дифракционная решетка?

Каково условие максимума и условие минимума при дифракции света на дифракционной решетке?

Как определить максимальный порядок спектра, получаемого данной дифракционной решеткой?

Что такое угловая и линейная дисперсия?

Как определить разрешающую силу дифракционной решетки?

PAGE  35


С

Рис.1

Э

Δ = dsin φ

2

1

O

P

L

B

A

d

b

а

З.

Г

Ж

С

Ф

Ф

С

Г

З.

Ж

О

К

О

К

ОБЛАСТЬ
СПЕКТРА

НУЛЕВОГО
ПОРЯДКА

ОБЛАСТИ СПЕКТРОВ 1-ГО ПОРЯДКА

Рис. 2

3

2

1

L

Рис. 3

Рис. 4

l

L

3

3

0

2

2

1

1

φφ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46778. Влияние дорожных условий на безопасность движения 29.95 KB
  Влияние дорожных условий на безопасность движения Большую роль в обеспечении безопасности движения играют основные техникоэксплуатационные показатели АД. полотна ширина и состояние обочин ровность и шероховатость покрытий видимость на кривых в плане и продольном профиле освещённость участков дороги в ночное время суток наличие разметки на проезжей части качество инженерного обустройства наличие средств регулирования в соответствии с фактической интенсивностью движения. условий на безопасность движения закладывается в процессе...
46779. Индустриализация и коллективизация 30.17 KB
  Объясняла кризис просчетами партийно-государственного руководства неверной налоговой ценовой инвестиционной политикой выступала против применения чрезвычайных мер весной 1929 года за стабилизацию положения в сельском хозяйстве на основе рыночных методов постепенное развертывание крупных коллективных зерновых хозяйств сравнительно умеренные темпы индустриализации на основе сбалансированного подъема тяжелой и легкой промышленности маневрирование и др. считали кризис неизбежным результатом ускоренной индустриализации при отсутствии...
46780. Государственное регулирование рыночной экономики 32.09 KB
  Многовековой опыт рыночного хозяйствования развитых стран мира многими интерпретируется как последовательное воплощение принципа свободы предпринимательства. И как аксиома предполагается предпочтительность экономического порядка
46781. Защита экологических прав граждан в судах общей юрисдикции 30.25 KB
  Особенности правового режима животного мира Юридическое понятие животного мира определено в Федеральном законе О животном мире. Отношения в области охраны и использования объектов животного мира содержащихся в полувольных условиях или искусственно созданной среде обитания в целях сохранения ресурса и генетического фонда объектов животного мира и в иных научных и воспитательных целях регулируются названным Федеральным законом другими федеральными законами и иными нормативными правовыми актами РФ а также законами и нормативными правовыми...
46783. Экономический рост – обобщающий результат функционирования национальной экономики 31.64 KB
  Экономическая наука выделяет два основных типа экономического роста: экстенсивный и интенсивный. Главное здесь совершенствование технологии производства повышение основных факторов производства. В экономической теории существуют два основных типа равновесных моделей экономического роста: неоклассические и неокейнсианские. В макроэкономической теории выделяются два основных типа равновесных траекторий экономического роста: устойчивые и неустойчивые.
46786. Imperative sentences 30.5 KB
  Impertive sentences express commnds which convey the desire of the speker to mke someone generlly the listener perform n ction. Besides commnds proper impertive sentences my express prohibition request n invittion wrning persusion etc. Be quick Formlly commnds re mrked by the predicte verb in the impertive mood positive or negtive the reference to the second person lck of subject nd the use of the uxiliry do in negtive in emphtic sentences with the verb to be. Commnds re generlly chrcterized by the flling tone lthough the rising...