Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА

Цель работы: определение длины световой волны с использованием дифракционной решётки.

Приборы и принадлежности: лазерная указка (полупроводниковый лазер), дифракционная решётка, установка для определения длины световой волны.

Теоретические сведения

Оптика – это раздел физики, изучающий природу светового излучения,

его распространение и взаимодействие с веществом. Раздел оптики, в

котором изучается волновая природа света, называется волновой оптикой.

Волновая природа света лежит в основе таких явлений, как интерференция,

дифракция, поляризация. Раздел оптики, в котором не учитываются волновые свойства света и который основывается на понятии луча,

называется геометрической оптикой.

Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц

(фотонов). Такое свойство называется корпускулярно-волновым дуализмом

(корпускула – частица, дуализм – двойственность).

Электромагнитная волна характеризуется векторами и . Поскольку именно действие электрического поля на вещество приводит к поглощению,

излучению, поляризации и другим оптическим явлениям, то говорят о световом векторе, имея в виду вектор . Уравнение монохроматической световой волны:

(A = Em).

1

Уравнение (1)определяет изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление распространения волны.

Световой луч (или просто луч) – это линия, вдоль которой переносится световая энергия.

Еще до установления природы света были известны следующие законы геометрической оптики (вопрос о природе света не рассматривался):

1.Закон независимости световых лучей – эффект, производимый отдельным лучом, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные лучи или они устранены.

2.Закон прямолинейного распространения света – свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно.

3.Закон отражения света – отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения равен углу падения.

4.Закон преломления света – падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, проведенный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:

Дифракцией света называется огибание светом препятствий,

встречающихся на его пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения света от законов геометрической оптики. В

результате дифракции свет проникает в область геометрической тени.

Распределение интенсивности света на экране, получаемое вследствие дифракции, называется дифракционной картиной.

Дифракционные явления рассматриваются на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Согласно этому принципу световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции (сложения) когерентных вторичных волн, излучаемых вторичными (фиктивными) источниками – бесконечно малыми элементами

2

любой замкнутой волновой поверхности, охватывающей источник S. В

рамках волновой теории с помощью этого принципа описывают и объясняют механизм распространения электромагнитных волн, в частности световых.

Дифракция происходит на предметах любых размеров, а не только соизмеримых с длиной волны λ. Трудности наблюдения заключаются в том,

что вследствие малости длины световой волны интерференционные максимумы располагаются очень близко друг к другу, а их интенсивность быстро убывает.

Дифракционная решетка – система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны.

Если на решетку падает монохроматическая волна, то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Условие максимума дифракционной решетки:

– угол, под которым наблюдается максимум,

– номер максимума,

– длина волны монохроматического света,

Величина d называется постоянной (периодом) дифракционной

Ход выполнения работы

1. Уточните у преподавателя свой вариант дифракционные решетки. Соберите установку, установите дифракционную решетку в держатель (Рис.1).

Рис.1

2.Установите в держатель рамку с дифракционной решёткой и включите лазер.

На экране образуется картина максимумов и минимумов, идущих от разных щелей решётки в одном направлении. Эта картина представляет серию ярких красных точек, симметрично расходящихся от центрального пятна – нулевого максимума.

3.После наблюдения картины максимумов переместите ползунок с решёткой по пазу скамьи так, чтобы какой-либо максимум (k=1) точно совпадал с целым миллиметровым делением шкалы экрана, и измерьте расстояние a от него до центрального максимума.

Рис. 2

4

4. Определите расстояние b по линейке на скамье от экрана до решётки.

Рис.3

5.Определите длину волны по формуле (4).

6.Повторите измерения для двух других расстояний между решеткой и экраном.

7.Проведите опыт с другой дифракционной решёткой (с другим числом штрихов на миллиметр). Повторите измерения для двух других расстояний между решеткой и экраном.

8.Сравните полученные результаты между собой и приведенными в таблице

(Таблица 2).

5

9.Рассчитайте границы абсолютных погрешностей прямых измерений силы тока для каждой цепи. Абсолютная погрешность силы тока определяется по формуле i= i- ср , где ср= ( 1+ 2 + 3) / 3, i =1,2,3 ‒ номер опыта.

10.Вычислите значение средней абсолютной погрешности

∆ ср= (∆ 1+∆ 2 +∆ 3) / 3

11.Определите относительную погрешность измерений

= ∆ ср ∙ 100%

ср

Контрольные вопросы:

1.Что называется дифракцией света?

2.Что представляет собой дифракционная решетка? Что называется периодом дифракционной решетки?

3.Запишите условие главных максимумов и главных минимумов при дифракции света на дифракционной решетке?

4.Какая существует зависимость между числом штрихов дифракционной решетки и количеством дополнительных минимумов?

6