Лабораторная работа № О-3 (ДАС)

Изучение дифракционной решетки

1 Цель работы

Целью работы является определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки.

2 Приборы и принадлежности

Дифракционная решетка, ртутная лампа, гониометр, зрительная труба.

3 Теоретическая часть

Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохождении через отверстия при условии, что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волны. Тип волн не имеет значения: дифракция наблюдается и для звука, и для света, и для любых других волновых процессов.

Согласно общепринятому определению, дифракция света - явление, наблюдающееся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие дифракции света при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос.

Теория дифракции света основана на применении принципа Гюйгенса - Френеля. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка волнового фронта может рассматриваться как источник вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, излучаемых фиктивными источниками.

Дифракция неразрывно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют, как случай интерференции ограниченных в пространстве волн (интерференция вторичных волн). Интерференцией называют явление, при котором при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности.

Различают два случая дифракции. Если преграда, на которой происходит дифракция, находится вблизи от источника света или от экрана, на котором производится наблюдение, то фронт падающих или дифрагированных волн имеет криволинейную поверхность; этот случай называется дифракцией Френеля или дифракцией в расходящихся лучах, и дифракция света в параллельных лучах, при которой отверстие много меньше одной зоны Френеля, т. е. (дифракция Фраунгофера).

При практическом использовании дифракции света большой интерес представляет дифракционная решетка. Дифракционной решеткой называют огромное множество очень узких штрихов, нанесенных на экран (решетка в проходящем свете) или на зеркало (решетка в отраженном свете). Решетка характеризуется числом штрихом на единицу длины, которое обычно колеблется от 50 до нескольких тысяч на 1 см. Под «постоянной решетки» /d/ подразумевается сумма ширины прозрачного промежутка /а/ и непрозрачного штриха /в/. Очевидно, число штрихов на единицу длины n и постоянная решетка /d/ связаны соотношением:

n = 1/d. (1)

Пусть фронт световой волны, падающий на решетку, параллелен плоскости решетки, т.к. лучи перпендикулярны плоскости решетки. Выберем на поверхности волнового фронта соответственные точки А и В, расположенные в двух соседних щелях (рис.1). От этих точек вторичные волны располагаются по разным направлениям и при наложении друг на друга дают взаимное усиление или ослабление (интерферируют).