Изучение дифракции от щели и нити
Измерение ширины щели и толщины нити с помощью дифракционной картины. Описание, специфика установки и методика измерения, рассмотрение приближенного расчета дифракционной картины по методу зон Френеля. Идентичность дифракционных картин от щели и нити.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.09.2019 |
| Размер файла | 102,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторная работа
Изучение дифракции от щели и нити
Цель работы: измерение ширины щели и толщины нити с помощью дифракционной картины.
Приборы: лазер, держатели с нитью и щелью, оптическая скамья, экран для наблюдения дифракционной картины.
Краткие теоретические сведения
Явление дифракции проявляется в том, что волны, огибая препятствие, попадают в область геометрической тени. Рассмотрим непрозрачный экран,
в котором имеется отверстие в виде узкой щели. Параллельный пучок когерентного монохроматического света (источником которого может быть лазер) попадает на щель перпендикулярно плоскости экрана. Если точка наблюдения, в которой сходятся дифрагирующие лучи, расположена достаточно далеко от щели, то можно говорить о дифракции в параллельных лучах - дифракции Фраунгофера. Критерий, позволяющий отличить дифракцию Френеля (дифракцию сферических волн) от дифракции Фраунгофера (дифракция от плоского волнового фронта), определяется так:
.
Здесь b - ширина щели; - длина световой волны; l - расстояние от щели до точки наблюдения на экране.
При параметре S намного меньше единицы, наблюдается дифракция Фраунгофера. щель толщина дифракционный нить
Если принять размер щели b порядка 0,1 мм и менее, расстояние l порядка 1 м, а длину волны = 0,6 мкм (гелий-неоновый лазер), то получим параметр S ~ 0,01.
Таким образом, условия проведения эксперимента будут соответствовать дифракции Фраунгофера.
Рассмотрим приближенный расчет дифракционной картины по методу зон Френеля.
В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля все точки, расположенные в плоскости щели, являются вторичными источниками волн, колеблющимися в одной и той же фазе, поскольку плоскость щели совпадает
с фронтом падающей волны. Фронт волны может быть разбит на зоны Френеля, имеющие вид полос, расположенных в плоскости щели.
Оптическая разность хода лучей, проведенных из краев зоны в данном направлении, считается равной /2 (рис. 1).
Рис. 1
Тогда при интерференции света от каждой пары соседних зон амплитуда результирующих колебаний равна нулю, так как эти зоны вызывают световые колебания с одинаковыми амплитудами, но протиположными фазами. Таким образом, результирующее колебание
в точке наблюдения определяется тем, сколько зон Френеля укладывается
в щели. Количество зон Френеля можно определить по рис. 1. Поскольку разность хода лучей, выходящих из точек В и С двух соседних зон Френеля, равна /2, длина отрезка ВС, равная ширине зоны, определится так:
,
где - угол между лучом и нормалью к плоскости щели - угол дифракции. Отсюда можно найти число зон Френеля, укладывающихся на ширине щели b = AB:
.
Это выражение можно записать в виде
.
Число зон Френеля может быть четным или нечетным. Если число зон Френеля четное, то выражение (1) запишется так:
; .
В этом случае наблюдается дифракционный минимум.
Если число зон нечетное:
; , (3)
то наблюдается дифракционный максимум.
Величина k называется порядком дифракционного максимума. В направлении = 0 наблюдается самый интенсивный максимум нулевого порядка, так как точка наблюдения располагается при этом напротив щели, и колебания от всех точек щели приходят сюда примерно в одинаковой фазе.
Описание установки и методика измерения
Лазер 1, держатель 2 и экран для наблюдения дифракционной картины 3 расположены на оптической скамье 4 таким образом, чтобы расстояние l между держателем и экраном было примерно 1 м (рис. 2).
Рис. 2
Лазер дает монохроматический пучок света высокой пространственной когерентности, что и обусловливает его применение в качестве источника света в данной работе. Лазерный луч должен падать в щель или нить, укрепленную в держателе, образуя на экране характерную дифракционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос.
Из рассмотрения условия минимума (2) следует, что минимум интенсивности в дифракционной картине будет наблюдаться при выполнении равенства
= .
Это условие можно использовать для определения ширины щели. При малых углах дифракции, что характерно для небольших значений k, достаточно точно выполняется равенство
,
где a - расстояние от центра дифракционной картины до данного минимума (рис. 3). В этом случае условие минимума:
.
Отсюда ширина щели:
.
Рис. 3
В соответствии с теоремой Бабине дифракционные картины от препятствия и от дополнительного к нему экрана одинаковы вне области прямого пучка Следовательно дифракционные картины от щели и от нити, ширина которой равна ширине щели, совершенно одинаковы, и формулу (4) можно применить для расчета толщины нити.
Порядок выполнения работы
1. Включить лазер согласно инструкции.
2. После возникновения генерации поставить на пути луча держатель со щелью 2 так, чтобы плоскость щели была перпендикулярна лучу.
3. Убедившись в наличии достаточно четкой дифракционной картины, измерить расстояние l от экрана 3 до держателя 2 (рис. 2).
4. Измерить расстояние а от центра дифракционной картины до первого минимума. Для большей точности можно измерить расстояние между двумя первыми минимумами (справа и слева от центра) и длину а найти как половину этого расстояния (рис. 3).
5. Повторить аналогичные измерения для минимумов второго и третьего порядков.
6. Вычислить ширину щели по формуле (4) для каждого случая.
7. Рассчитать среднее значение ширины щели по формуле
< b b1 b2 b3 .
8. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу. Длина волны излучения гелий-неонового лазера = 632,8 нм.
Таблица
|
k |
akм |
bk м |
bм |
lм |
м |
|
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
9. Оценить ошибки измерений.
10. Для определения толщины нити необходимо поставить на пути луча лазера держатель с нитью и повторить действия, описанные в пп. 3-9.
11. При выполнении работы обратить внимание на идентичность дифракционных картин от щели и нити при равных их размерах, подтверждающую сделанные ранее утверждения.
Контрольные вопросы
1. Объяснить явление дифракции.
2. Рассказать о дифракции на щели и нити.
3. Объяснить, что такое зона Френеля.
4. Как зависит число зон Френеля от угла дифракции? Как влияет количество зон Френеля на интенсивность света в точке наблюдения?
5. Как изменится дифракционная картина при изменении размеров препятствия, при изменении расстояния между препятствием и экраном?
Библиографический список к лабораторной работе
1. Савельев, И. В. Курс общей физики: в 3-х т. Т. 2 / И. В. Савельев. - М., 1986. - § 125-127, 129.
2. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Оптика / Д. В. Сивухин. - М., 1980. - § 41.
3. Детлаф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. М., 1989. - Гл. 32.
4. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. М., 1994. - Гл. 23.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение дифракции в волновой и геометрической оптике. Сущность принципа Гюйгенса-Френеля. Виды дифракции и определение дифракционной решетки. Дифракция Фраунгофера на одной щели. Распределение интенсивности в дифракционной картине от двух щелей.
презентация [82,6 K], добавлен 17.01.2014Понятие дифракции световых волн. Распределение интенсивности света в дифракционной картине при освещении щели параллельным пучком монохроматического света. Дифракционная решетка, принцип Гюйгенса - Френеля, метод зон. Дифракция Фраунгофера одной щели.
реферат [43,7 K], добавлен 07.09.2010Рассмотрение дифракции - отклонения световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий. Волновые свойства света. Принцип Гюйгенса–Френеля. Строение дифракционной решетки.
презентация [1,4 M], добавлен 04.08.2014Изучение особенностей распространения световой волны с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Характеристика разных видов дифракции Фраунгофера. Структура и методы изготовления дифракционных решеток. Конструкция дифракционных спектрографов и монохроматоров.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 24.03.2013Обзор дифракции в сходящихся лучах (Френеля). Правила дифракции световых волн на круглом отверстии и диске. Схема дифракции Фраунгофера. Исследование распределения интенсивности света на экране. Определение характерных параметров дифракционной картины.
презентация [135,3 K], добавлен 24.09.2013Волновые и квантовые аспекты теории света. Теоретические вопросы интерференции и дифракции. Оценка технических возможностей спектральных приборов, дифракционной решетки. Методика определения длины волны света по спектру от дифракционной решетки.
методичка [211,1 K], добавлен 30.04.2014Изучение дифракции света на одномерной решетке и определение ее периода. Образование вторичных лучей по принципу Гюйгенса-Френеля. Расположение главных максимумов относительно центрального. Измерение среднеарифметического значения длины световой волны.
лабораторная работа [67,1 K], добавлен 25.11.2010Решение дифракционной задачи для открытого резонатора методом последовательных приближений при многократных переходах волны через резонатор. Интеграл Френеля-Кирхгофа и определение зависимости уровня дифракционных потерь для мод зеркала от числа Френеля.
презентация [191,2 K], добавлен 19.02.2014Назначение, устройство и действие клапана. Определение площадей проходных сечений. Построение графической зависимости коэффициента расхода рабочей щели основного клапана от числа Рейнольдса и гидродинамической силы от открытия рабочей щели клапана.
курсовая работа [468,5 K], добавлен 08.05.2011Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии, на краю экрана, Фраунгофера от щели. Дифракционная решетка как спектральный прибор, принцип ее действия и сферы применения. Понятие и содержание голографии, ее значение.
презентация [1,3 M], добавлен 16.11.2012Определение коэффициента теплопроводности воздуха при атмосферном давлении и разных температурах по теплоотдаче нагреваемой током нити в цилиндрическом сосуде. Особенности оценки зависимости теплопроводности воздуха от напряжения тока, заданного в цепи.
лабораторная работа [240,1 K], добавлен 11.03.2014Сущность явления дифракции света, его виды. Принцип Гюйгенса-Френеля. Характеристика принципа интерференции. Метод зон Френеля, особенности его применения. Дифракционные картины при различном числе щелей. Интерференционный максимум - пятно Пуассона.
презентация [207,3 K], добавлен 01.05.2016Проведение измерения длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Определение расстояний между мнимыми источниками света и расчет пути светового излучения от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа. Расчет ширины интерференционных полос.
лабораторная работа [273,5 K], добавлен 14.12.2013Основы теории дифракции света. Эксперименты по дифракции света, условия ее возникновения. Особенности дифракции плоских волн. Описание распространения электромагнитных волн с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Дифракция Фраунгофера на отверстии.
презентация [1,5 M], добавлен 23.08.2013Физические принципы работы лазера. Оптические свойства инверсной среды. Конструкция газоразрядной трубки. Основные параметры оптических резонаторов. Распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка и положение щели при измерениях.
лабораторная работа [150,4 K], добавлен 18.11.2012Определение эквивалентной емкости схемы и энергии, запасенной ею. Расчет эквивалентного сопротивления и токов. Описание основных характеристик магнитного поля. Расчет тока в электрической лампочке и сопротивления ее нити накала, при подключении сеть 220В.
контрольная работа [32,4 K], добавлен 17.10.2013Технология изготовления, свойства и сферы применения квантовых ям, нитей и точек. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для выращивания кристаллических наноструктур. Использование двойной гетероструктуры полупроводниковых лазеров для генерации излучения.
дипломная работа [290,4 K], добавлен 05.04.2016Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны - задача изучения дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, увеличение интенсивности света с помощью зонной пластинки.
презентация [146,9 K], добавлен 18.04.2013Методика косвенного измерения скорости полета пули с помощью баллистического маятника. Закон сохранения полной механической энергии. Определение скорости крутильных колебаний. Формула для расчета погрешности измерений. Учет измерения момента инерции.
лабораторная работа [53,2 K], добавлен 04.03.2013Технология изготовления квантовых ям. Применение квантовых наноструктур в электронике. Квантовые нити, их изготовление. Особенности квантовых точек. Сверхрешётки: физические свойства; технология изготовления; энергетическая структура; применение.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 25.11.2010
