Изучение дифракции немонохроматического света

На дифракционной решетке

В ходе эксперимента исследуется дифракционный спектр немонохроматического источника света, определяется период дифракционной решетки.

1. Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 4.9. Однако вместо лазера 2 установите другой источник света (например, лампу), а вместо экрана с одной вертикальной щелью 3 – дифракционную решетку.

2. Получите на экране дифракционную картину. Добейтесь наибольшей четкости картины, изменяя расстояние между источником и коллиматором, коллиматором и решеткой.

2. Измерьте расстояние  от плоскости дифракционной решетки до экрана. Результат измерений занесите в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Цвет линии в спектре	Длина волны , нм	, мм	, мм	Период дифракционной решетки , нм

3. Измерьте по шкале расстояние  от середины дифракционной картины до главных максимумов первого порядка всех составляющих спектра. Результаты измерений занесите в табл. 4.2.

4. Рассчитайте период дифракционной решетки  для каждого цвета спектра в дифракционной картине. Период дифракционной решетки можно определить из условия

                                                                     (4.9)

где и т. д. – порядок максимума. По условию задания расчет  необходимо провести для главных максимумов первого порядка, т. е. . Тогда условие (4.9) принимает вид:

                                       

где  – номер составляющей (цвета) в спектре. Отсюда

                                        

Поскольку , то углы  малы и , тогда

                                         

или

                                                                         (4.10)

Используя рабочую формулу (4.10), рассчитайте постоянную  для каждого цвета спектра в дифракционной картине. Результаты расчета занесите в табл. 4.2. Сравните полученные значения  и сделайте вывод.

В ариант 2

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ

В данной лабораторной работе на экране компьютера моделируется дифракция Фраунгофера на одной щели. Кадр из работы приведен на рис. 4.10. Виртуальные частицы дифрагируют на щели под разными углами, строится распределение (гистограмма) фотонов по углам, причем высота соответствующей ступеньки гистограммы пропорциональна числу фотонов, рассеявшихся на щели под данным углом. Ширину щели можно менять, при этом будут наблюдаться разные дифракционные картины. В ходе эксперимента исследуются дифракционные картины, и по положению максимумов и минимумов дифракции определяется отношение ширины щели к длине волны света.

Рис. 4.10. Внешний вид окна лабораторной работы

Порядок выполнения работы

1. Включите компьютер.

2. На рабочем столе компьютера, на ярлыке папки «Физ. лаб.» щелкните дважды левой кнопкой мышки. В открывшемся окне выберите раздел «Оптика», из списка лабораторных работ запустите «Изучение дифракции Фраунгофера на щели», дважды щелкнув по названию левой кнопкой мышки. Появится экран, в котором будет присутствовать таблица с командами:

• О работе
• Ход работы

· Эксперимент.

Вызывая пункты меню в таблице, ознакомьтесь с лабораторной работой и порядком ее выполнения. После обращения к команде «Эксперимент» появится экран, на котором задаются начальные условия эксперимента (рис. 4.10). Для выполнения работы необходимы следующие действия.

3. Введите отношение ширины щели к длине волны. Отношение ширины щели к длине волны задайте введением числа в предназначенное для этого окно. Рекомендуется установить это отношение равным двум.

4. Получите распределение фотонов по углам (гистограмму). Для этого запустите установку, нажав кнопку «Пуск». В ходе эксперимента в соответствующем окне строится гистограмма распределения вылетевших фотонов по углам. Для того чтобы подробно ознакомиться с результатами опыта, нажмите левую кнопку мыши на этом окне, при этом гистограмма увеличится. Продолжите опыт до тех пор, пока пик центрального максимума не достигнет верхней границы отведенного для гистограммы окна. Затем нажмите кнопку «Стоп». Обратите внимание на дифракционную картину, изображенную в нижней части экрана.

5. Определите положение дифракционных максимумов и минимумов. Воспользуйтесь увеличенной гистограммой для того, чтобы найти углы, определяющие направление на все наблюдаемые дифракционные максимумы и минимумы. Результаты измерений занесите в табл. 4.3.

Таблица 4.3

№ п/п	Теоретические данные		Экспериментальные данные
	Отношение ширины щели к длине волны b /l	max/min	Угол j,°	Порядок n	sin j	Отношение ширины щели к длине волны b /l
1
2
3

6. Вычислите отношение ширины щели к длине волны. По полученным данным, используя формулы (4.3) и (4.4), вычислите отношение ширины щели к длине волны для максимумов и минимумов всех наблюдаемых порядков. Результаты расчетов занесите в табл. 4.3 и сравните с теоретическим значением.

7. Проделайте опыты при других значениях отношения ширины щели к длине волны. Выполните описанные выше эксперименты для 3–4 значений этого отношения в интервале от 2 до 5.

8. Выполните опыт при отношении ширины щели к длине волны, равном или меньшем 1. Убедитесь, что в этом случае дифракционные минимумы отсутствуют.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение явления дифракции света.

2. Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.

3. Что такое дифракция Френеля, Фраунгофера?

4. В чем заключается метод зон Френеля?

5. Сформулируйте и запишите условия образования максимумов и минимумов при дифракции света на одной щели.

6. Как зависит интенсивность в максимуме от его порядка.

7. Как изменится дифракционная картина при изменении ширины щели и длины волны света?

8. Сформулируйте и запишите условия образования максимумов и минимумов при дифракции света на двух щелях и дифракционной решетке.

9. Как будет изменяться дифракционная картина при увеличении числа щелей в дифракционной решетке?

10. Какое отличие имеется между дифракционной картиной, наблюдаемой в белом и монохроматическом свете?

11. При выполнении какого условия происходит поглощение света?

12. Какое излучение называется спонтанным?

13. Что называют вынужденным излучением? Какое условие необходимо для его возникновения в веществе?

14. Перечислите основные компоненты лазера.

15. Какое состояние называют состоянием с инверсией населенностей уровней?

Список рекомендуемой ЛИТЕРАТУРы

Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов.  16-е изд., стер. / Т. И. Трофимова. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 560 с.

Дополнительная литература

1. Савельев, И.В. Курс общей физики: В 3 т. / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1973. – Т. 3. – 528 с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учебное пособие для втузов: В 5 кн. / И.В. Савельев. – 4-е изд., перераб. – М.: Астрель АСТ, 2003. – Кн. 4. – 256 с.

3. Основы физики: учебник: В 2 т. / Н.П. Калашников, М.А. Смондырев. – 2-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2004. – Т. 2. – 431 с.