Описание лабораторной установки
Установка состоит
из источника света
,
щели
,
собирающей линзы
,
дифракционной решетки проходящего
света
,
светофильтра
и экрана
(рисунок 3).
Рисунок 3. Оптическая схема лабораторной установки.
Источником света является галогенная лампа накаливания, установленная в специальном корпусе совместно с устройствами электропитания и охлаждения.
Для формирования узкого светового пучка служит щель, установленная на рейтере оптической скамьи непосредственно после источника света.
Линза предназначена для преобразования расходящегося светового пучка, выходящего из щели, в параллельный пучок, и получения резкого изображения спектра на экране.
Дифракционная решетка проходящего света является основным элементом оптической схемы и предназначена для получения дифракционного спектра.
Светофильтр используется для выделения монохроматического излучения из пучка белого света. Светофильтр состоит из двух частей, выполненных из оптического стекла разного цвета, и предназначен для выделения видимого излучения красного и фиолетового цвета из спектра белого света.
Экран с измерительной шкалой используется для наблюдения дифракционных спектров и измерения расстояний между спектральными полосами (минимумами или максимумами).
Задание на эксперимент
Задание 1. Наблюдение дифракционного спектра в белом свете с использованием дифракционной решётки проходящего света.
Уберите светофильтр на запасный штатив (за экраном).
Включите источник света.
Перемещая дифракционную решётку (вместе с линзой) и экран относительно друг друга и относительно щели, получите на экране чёткий дифракционный спектр в белом свете. Спектр должен содержать возможно большее число порядков.
Зарисуйте в цвете полученный дифракционный спектр, обращая внимание на порядок следования цветов и периодичность их чередования. Размеры и расстояния соблюдать не нужно, масштаб рисунка – произвольный.
Выключите источник света.
Задание 2. Измерение длины монохроматической электромагнитной волны с использованием дифракционной решётки проходящего света.
Заготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
Период дифракционной решётки d, м |
Порядок дифракционного спектра m |
Расстояние текущего максимума от центра спектра l, м |
Расстояние от дифракционной решётки до экрана L, м |
Угол дифракции φ, рад |
Длина световой волны λ, м |
Угловая дисперсия решётки Dy, рад/м |
Максимальный порядок разрешённого спектра mmax |
|
Дифракционная картина при использовании красного светофильтра |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Дифракционная картина при использовании фиолетового светофильтра |
|||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Запишите в таблицу значение периода используемой дифракционной решётки.
Установите светофильтры на рабочий штатив (между дифракционной решёткой и экраном).
Перемещая светофильтры перпендикулярно оптической оси установки, выберите нужный цвет (красный или фиолетовый).
Перемещая дифракционную решётку (вместе с линзой и светофильтром) и экран относительно друг друга и относительно щели, получите на экране чёткий дифракционный спектр в монохроматическом свете. Спектр должен содержать возможно большее число порядков.
Измерьте расстояние от дифракционной решётки до экрана, запишите результат в таблицу.
Измерьте по шкале экрана расстояние между соответствующими краями максимумов нулевого и первого порядков, результат запишите в таблицу.
Повторите измерения по пункту 7 для каждого из наблюдаемых порядков спектра.
Выполните аналогичные измерения (по пунктам 4..8) для другого цвета, заполните соответствующие поля таблицы.
Выключите источник света, приведите лабораторную установку в исходное состояние.
Используя рисунок 3 и необходимые геометрические формулы, рассчитайте углы дифракции для каждого цвета и порядка спектра.
Согласно формуле (5), рассчитайте длины волн монохроматического света для каждого цвета и порядка спектра.
По формуле (10) рассчитайте значения угловой дисперсии для каждого цвета и порядка спектра.
При помощи формулы (7) рассчитайте максимальное значение порядка спектра, который можно получить с использованием имеющейся дифракционной решётки для красного и фиолетового цветов спектра. Результаты расчётов запишите в таблицу. Сравните максимальное значение порядка спектра с наблюдаемым на экране.
Сделайте основные выводы по выполненной лабораторной работе.