- •Волновая оптика
- •Омск 2004
- •Лабораторная работа 7-3 Изучение дифракции от щели с помощью лазера
- •Теоретические сведения
- •1. Изучение зависимости дифракционной картины от ширины щели и измерение линейных размеров щели
- •2. Зависимость угловой ширины дифракционного максимума от расстояния между щелью и экраном
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа 7-5 Изучение дифракции света от простейших преград
- •Лабораторная работа 7-6 Изучение фокусирующих свойств зонной пластинки
- •Теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 7-9 Определение концентрации сахара в растворе поляриметром
- •Теоретические сведения
- •Описание прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 7-11 Определение показателя преломления вещества по углу Брюстера
- •Теоретические сведения
- •Подготовка к работе
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Редактор н.Н. Пацула
Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный технический университет
Волновая оптика
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Общая физика»
Омск 2004
Составители: Ярош Эмилия Михайловна, канд. физ.-мат. наук,
Ефет Елена Евгеньевна,
Карташова Ирина Алексеевна,
Бородулина Тамара Петровна,
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета
Лабораторная работа 7-3 Изучение дифракции от щели с помощью лазера
Цель работы: изучить зависимость дифракционной картины от ширины щели, от расстояния между экраном и объектом дифракции.
Приборы и принадлежности: Лазер типа ЛГ, блок питания, объект дифракции, оптическая скамья, экран.
Теоретические сведения
1. Изучение зависимости дифракционной картины от ширины щели и измерение линейных размеров щели
Наибольший интерес среди наблюдаемых явлений дифракции представляет собой случай дифракции Фраунгофера от щели. Щелью называется прямоугольное отверстие, имеющее незначительную ширину и практически бесконечную длину. При падении плоского фронта волны (для лазерного излучения волновой фронт можно считать практически плоским) на щель происходит дифракция в обе стороны от щели. В результате изображение точки растянется в полосу (с максимумами и минимумами) перпендикулярно щели. Параллельный пучок, пройдя сквозь щель шириной а, дифрагирует под разными углами в правую и левую стороны от первоначального направления падения лучей. Можно показать, что при обычных размерах установки (см. рис. 1) дифракцию Фраунгофера можно наблюдать только на очень узких щелях. Так, при r0 = 20 см и λ = (6·10-5)м получаем а<< 0,35 мм.
Как следует из теории дифракции, при значениях угла дифракции φ, удовлетворяющих условию
(1)
где m=1,2,3, ..., освещенность на экране равна нулю. Это условие минимума дифракции.
Для углов дифракции φ, удовлетворяющих условию
(2)
где m=1,2,3, ..., получим в соответствующих точках экрана максимальную освещенность. Это условие максимума дифракции. Самый яркий (центральный) максимум наблюдается при φ = 0. В формулах (1) и (2): а - ширина щели, λ - длина волны излучения, m - порядок спектра, φ - угол дифракции. Качественная картина распределения интенсивности на экране показана на рис. 2. Расчеты показывают, что интенсивность центрального (φ = 0) и следующих максимумов относятся как 1 : 0,45 : 0,16 : 0,008, т. е. основная часть энергии сосредоточена в центральном максимуме.
Рис. 1.
Рис. 2.
Порядок выполнения работы
1. Включить лазер.
2. Поместить на оптическую скамью (см. рис. 1) держатель с раздвижной щелью на расстоянии r0 = 100 см от экрана. Направить луч лазера на щель. Для этого рукой корпус лазера легко повернуть в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси лазера. Провести несколько раз качественные наблюдения над дифракционной картиной, изменяя ширину раздвижной щели. Начать нужно с широкой щели, когда видна многолинейчатая дифракционная картина, и, уменьшая ширину щели, заканчивать, когда в поле зрения виден один широкий и слабый дифракционный максимум нулевого порядка. Описать качественно наблюдаемую зависимость дифракционной картины от ширины щели.
3. Установить такую ширину щели, чтобы на экране было четко видно 3 - 4 дифракционных максимума. Приложить к экрану кальку и отметить положения центров максимумов, начиная с максимума нулевого порядка.
4. Измерить линейкой расстояния 2l между максимумами m и -m порядков. Данные занести в табл. 1. Вычислить (см. рис. 2).
ВНИМАНИЕ! В дальнейшем ширину щели не менять.
Таблица 1
r0, мм |
m |
2l, мм |
l, мм |
sinφ |
a, мм |
<а>, мм |
Δа, мм |
ε, % |
1000
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Рассчитать ширину щели, используя формулу (2). Длину волны излучения лазера считать равной λ = 632,8 нм.
6. Вычислить погрешности измерений величины а по правилам нахождения погрешностей при прямых измерениях без учета приборной погрешности.