50231

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА ОТ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Лабораторная работа

Физика

Явление дифракции света как и интерференции интерференция волн взаимное усиление или ослабление двух или более волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве связано с перераспределением энергии волн или интенсивности светового потока пропорциональной энергии волны в пространстве. Следовательно и при дифракции перераспределение интенсивности возникает вследствие интерференции множества элементарных Большое практическое значение имеет дифракция света при падении его на дифракционную решетку....

Русский

2014-01-18

249.5 KB

35 чел.

PAGE  6

Московский государственный университет

путей сообщения РФ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

Группа_______________________ __ К работе допущен______________________________

                                                                              (Дата, подпись преподавателя)

Студен____________________________ Работа выполнена___________________________

 (ФИО студента)                                  (Дата, подпись преподавателя)

Преподаватель____________________________ Отчёт принят________________________                                              (Дата, подпись преподавателя)

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №____42_________

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА ОТ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ________________________________________________

(Название лабораторной работы)

  1.  Цель работы:

 изучение дифракционной картины от дифракционной решетки в проходящем свете; определение постоянной дифракционной решетки и длины волны монохроматического света 

2. Принципиальная схема установки (или её главных узлов):


3. Основные теоретические положения к данной работе
(основополагающие утверждения: формулы, схематические рисунки):

Встречая на своем пути препятствия, световые волны могут отклоняться от прямолинейного направления распространения в область геометрической тени. Любые отклонения при распространении волн от законов геометрической оптики называются дифракцией. К дифракции волн фактически относятся все эффекты, возникающие при взаимодействии волн с объектами любых размеров, даже малый по сравнению с длиной дифрагирующей волны .

Явление дифракции света, как и интерференции (интерференция волн - взаимное усиление или ослабление двух или более волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве), связано с перераспределением энергии волн (или интенсивности светового потока, пропорциональной энергии волны) в пространстве. Для объяснения результатов перераспределения интенсивности волн в пространстве в результате дифракции в волновой теории используется принцип Гюйгенса-Френеля. Согласно этому принципу каждый элемент волнового фронта является  источником вторичных элементарных волн, огибающая волновых фронтов  которых будет волновой поверхностью в дальнейшие моменты времени. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля волновое возмущение в любой точке пространства следует рассматривать как результат интерференции вторичных волн (вторичные волны когерентны), посылаемых в эту точку каждым элементом волнового фронта. Следовательно и при дифракции перераспределение интенсивности возникает вследствие интерференции множества элементарных Большое практическое значение имеет дифракция света при падении его на дифракционную решетку. В простейшем случае дифракционная решетка представляет собой систему параллельных друг другу щелей, разделенных непрозрачными промежутками равной ширины. Распределение интенсивности света в дифракционной картине определяется интерференцией вторичных волн, приходящих в точку наблюдения от различных щелей дифракционной решетки. Чаще всего для наблюдения дифракции на дифракционной решетке создаются условия, когда на дифракционную решетку падает плоская волна (дифракция Фраунгофера). В этом случае наблюдается дифракция в параллельных лучах. Согласно теории, такая дифракционная картина локализована на бесконечности, и для ее наблюдения необходимо использовать собирательную_линзу.  

В направлении первоначального распространения света будет располагаться центральный максимум (или максимум нулевого порядка) М. Максимумы 1-го, 2-го, 3-го и других более высоких порядков (М, М, М ... соответственно) располагаются симметрично относительно максимума нулевого порядка по обе стороны от него. Положение максимумов определяется такими значениями углов дифракции  (k = 0, 1, 2, 3 ...), для которых волны, приходящие в точку наблюдения ото всех щелей усиливают друг друга. Наибольшей интенсивностью обладает максимум нулевого порядка. С увеличением номера порядка максимума интенсивность максимума ослабевает.

В случае нормального падения света на решетку с шириной прозрачный штрихов (щелей) a и шириной непрозрачных штрихов (непрозрачных промежутков между щелями) b положение главных максимумов определяется из условия:

(a+b)sin=2k   (четное число длин полуволн)  (1)

или       dsin=2k,

где  - угол дифракции,  т.е. угол между нормалью к решетке и направлением отклонения лучей на решетке;  - длина дифрагирующей волны; k - порядок максимума (k = 0, 1, 2, 3 ...).

Условием минимума является:

Главный минимум:  (m=1,2,3)

Условие побочного минимума:

(a+b)sin=(2k+1)    (нечетное число длин полуволн).

Величина (a+b)=d называется периодом или постоянной дифракционной решетки.

Как следует из условий (1) углы, под которыми наблюдаются световые максимумы, зависят от длины волны. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор: если на дифракционную решетку падает не монохроматический свет, а свет сложного спектрального состава, то после дифракции на решетке на экране наблюдается спектр, причем фиолетовые лучи отклоняются решеткой на меньшие углы, чем красные (ф<кр). В месте расположения нулевого максимума (k=0, =0) находятся нулевые максимумы всех длин волн дифрагирующего света, накладывающиеся друг на друга. При попадании на дифракционную решетку белого света нулевой максимум остается белым (неокрашенным), а по обе стороны от него симметрично относительно нулевого максимума располагаются максимумы более высоких порядков, причем последовательность их окраски подчиняется условиям (1). Дифракционная решетка поэтому может использоваться как диспергирующий элемент в спектральных приборах. Условия (1) позволяют рассчитать длину волны  дифрагирующего света, если измерить все другие величины, входящие в формулы (1).

Растянутость спектра зависит от порядка спектра и постоянной дифракционной решетки (растянутость увеличивается с увеличением порядка спектра и уменьшением дифракционной решетки).

При увеличении числа щелей на дифракционной решетке через нее проходит больше света, и, следовательно, увеличивается интенсивность света в направлении главных максимумов.

На рисунке 1 схематически изображена экспериментальная установка. Установка смонтирована на оптической скамье, на которой укреплены последовательно: источник света (ИС), светофильтр (СФ), диафрагма (непрозрачная пластина с узким отверстием) со шкалой (Д), дифракционная решетка (ДР). Последовательность элементов и наличие их определяется условиями эксперимента.

Если через отверстие диафрагмы направить на ДР белый (светофильтр отсутствует) или монохроматический (светофильтр есть) свет, то за ДР (на рисунке справа от ДР) можно наблюдать дифракционную картину. Дифракционную картину можно наблюдать на экране (Э) или на сетчатке глаза наблюдателя (Г). При визуальном наблюдении кажется, что лучи, приходящие в глаз под углом  к оси оптической системы, падают на ДР также под углом , т.е. данный дифракционный максимум кажется расположенным на шкале диафрагмы на некотором расстоянии l от щели (см. рис.3). Углы дифракции лучей можно определить из условия:

Рис 3.

                                   ,                                                    (2)

где l - расстояние между нулевым максимумом и максимумом порядка k; D - расстояние от плоскости дифракционной решетки ДР до плоскости диафрагмы Д.

По условиям эксперимента углы  малы (2-3), поэтому можно считать, что  и тогда . В этом случае из (1) следует, что:

                      (3)

или                   (4).

По этим формулам и определяется постоянная решетки или длина волны данного монохроматического света, дифракцию которого наблюдали в эксперименте.

Порядок выполнения работы

1. Установить на оптической скамье источник света, красный светофильтр (кр = 6,510м = 650 нм), диафрагму со щелью, дифракционную решетку.

2. Включив источник света и передвигая дифракционную решетку вдоль оптической скамьи, найти такое положение, в котором дифракционная картина наблюдается наиболее отчетливо (один студент передвигает дифракционную решетку, а другой ведет наблюдение).

3. Определить по шкале расстояние между нулевым максимумом и максимумами 1-го, 2-го и 3-го порядков (). Измерить расстояние от плоскости дифракционной решетки до плоскости диафрагмы со щелью D. Рассчитать постоянную дифракционной решетки d по формуле (3). Данные занести в таблицу 1.

4. Заменить красный светофильтр зеленым и повторить измерения. По формуле (4) рассчитать длину волны . Данные занести в таблицу 2.

5. Определить относительные погрешности измерений d и  по следующим формулам:

,

= +,

где под  и  понимают приборные ошибки этих величин.

Результаты измерений d,  и  (для второго светофильтра) представить в виде:

d = dсредн.  d,        = средн.  .  


4. Таблицы и графики
1.

Таблица 1Данные для определения постоянной дифракционной решетки

D =            мм,   =          нм

k

lклев, мм

lкпр, мм

l, мм

d, мм

d, мм

1

2

   -

3

   -

4

   -

Таблица 2Данные для определения длины волны

d =          мм

Цвет:

k

lзлев, мм

lзпр, мм

l мм

, нм

ср, нм

1

 -

2

 -

3

 -

4


5. Расчёт погрешностей измерений
 

(указать метод расчёта погрешностей).

6. Окончательные результаты:

Подпись студента:

1 Графики выполняются на миллиметровой бумаге или в компьютерном виде с использованием программ построения графиков. Необходимо соблюдать правила построения графиков.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22843. Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини капілярним віскозиметром 104 KB
  Якщо шари рідини або газу рухаються один відносно одного між ними діють сили внутрішнього тертя. Коефіцієнт внутрішнього тертя рідини або газу можна визначити за формулою Пуазейля 2 яка виражає величину об`єму рідини або газу що протікає за час через капіляр радіуса та довжини за умови що потік ламінарний. Справді якщо взяти дві рідини відповідні величини для однієї з них позначимо індексами ‘0 а другої 1 і визначити час і витікання однакових об`ємів цих рідин...
22844. Визначення коефіцієнта в’язкості газу 1.32 MB
  При ламінарній течії газу по капілярній трубці різні шари газу набувають різної швидкості направленого руху. Розглянемо більш детально течію вязкого газу по трубці радіуса . Припустимо що потік ламінарний що газ при невеликих тисках нестисливий що течія всановилась і що газ повністю змочує стінки трубки тобто швидкість газу біля стінок трубки дорівнює нулеві.
22845. Визначення вологості повітря 1.2 MB
  Атмосферне повітря має в своєму складі деяку кількість водяної пари що обумовлює вологість повітря. Абсолютною вологістю називається кількість водяної пари що знаходиться в одиниці об'єму повітря. З рівняння стану ідеального газу густину повітря при нормальних умовах можна представити так: пов= 1 позначення загально прийняті.
22846. Визначення коефіцієнта об’ємного розширення рідини 545 KB
  Залежність обєму рідини від температури виражається рівнянням: а при невеликій точності можна обмежитися виразом: де обєм рідини при температурі 0C температурний коефіцієнт обємного розширення рідини. Прямим способом вимірювати обєм рідини при різних температурах для визначення важко бо при цьому змінюється і обєм посудини в якій знаходиться рідина. Французькі вчені Дюлонг і Пті запропонували спосіб визначення коефіцієнта обємного розширення рідини при якому відпадає необхідність вимірювання обєму рідини.
22847. ОДЕРЖАННЯ І ВИМІРЮВАННЯ ВИСОКОГО ВАКУУМУ 5.3 MB
  Різного роду вакуумні насоси з застосуванням деяких додаткових прийомів дозволяють одержувати тиски домм. Області тисків в яких найбільш раціонально застосовуються вакуумні насоси прийнятих в даний час типів показані на рис. Вакуумні насоси що застосовуються для відкачки газу поділяють на два класи: а форвакуумні насоси які починають працювати з атмосферного тиску і викидають відкачуваний газ прямо в атмосферу. Форвакуумні насоси створюють розрідження порядку мм.
22848. ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДОГО ТІЛА 340.5 KB
  Дійсно сили що тримають атоми у вузлах ґратки малі і тому достатньо вже теплової енергії самих атомів аби змістити їх з положення рівноваги. До поняття про коливання атомів твердого тіла можна дійти шляхом аналізу природи міжатомних сил. Положення рівноваги атомів визначається з умови рівності сил притягання і відштовхування діючих на атом. Якщо змінюється відстань тільки відносно одного з атомів то енергію Wx треба...
22849. ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ВИПАРОВУВАННЯ РІДИНИ 120 KB
  ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ВИПАРОВУВАННЯ РІДИНИ. Випаровування це процес зміни агрегатного стану речовини перехід речовини із конденсованого стану в газоподібний. Кількість теплоти яку необхідно надати рідині при ізотермічному утворенні одиниці маси пари називають теплотою випаровування. Для визначення середнього значення теплоти випаровування води в даній роботі використовується метод який грунтується на використанні рівняння КлапейронаКлаузіуса.
22850. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ПОВІТРЯ 182 KB
  Через довiльну коаксiальну поверхню радiуса y за одиницю часу пройде кiлькiсть теплоти 5 де l довжина дротини.Розділивши в виразі 5 змінні одержимо 6 де внутрішній радiус трубки температура дослiджуваного газу повiтря бiля внутрішньої поверхнi трубки а радiус дротини температура дротини. Зі співвідношення 6 випливає що 7 Таким чином для визначення коефіцієнта теплопровідності треба знати кiлькiсть теплоти яка щосекунди...
22851. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ 111 KB
  Кількість теплоти Q що переноситься через поверхню площею S за час при градієнті температур визначається як: 1 де коефіцієнт теплопровідності середовища. Таким чином значення коефіцієнта теплопровідності матеріалу можна знайти безпосередньо якщо користуватись формулою 1. для визначення коефіцієнта теплопровідності твердих тіл.