Экспериментальная установка

Для получения параллельного пучка света используется коллиматор (см. рис.5), который состоит из тубуса, на одном конце которого расположена щель S, на другом конце - объектив O₁. Щель S устанавливается в фокальной плоскости O₁, поэтому на выходе из коллиматора образуется параллельный пучок света. Щель коллиматора освещается ртутной лампой (схема включения приводится в работе 2). Для наблюдения дифракции Фраунгофера используется зрительная труба, установленная на бесконечность (на рис.1 показан лишь объектив трубы O₂). С этой целью она наводится на предмет, удаленный от трубы не менее, чем на 20 м; в этом положении и фокусируется окуляр (см. работы 4 и 7). Зрительная труба, коллиматор и щель Щ или дифракционная решетка устанавливаются на оптической скамье. Смещением щели коллиматора вдоль оси тубуса добиваются четкого изображения ее в поле зрения трубы.

рис. 5	рис. 6

Для измерения углов дифракции в окуляре зрительной трубы размещается сетка (или окуляр заменяется окулярным микрометром, см. работу 2). Цена деления окулярной сетки градуируется в угловых единицах; для этого труба наводится на линейный масштаб, удаленный на расстояние более 20 м. Измеряется число делений n окулярной сетки и число делений N масштаба, с которыми совмещаются соответствующие деления сетки; измеряется расстояние d от трубы до масштаба; угловая цена деления окулярной сетки будет равна N/(nd). Для исследования дифракции на одной щели рекомендуется щель типа УФ-2. Ширину такой щели можно изменять в пределах от 0,4 до 0,001 мм с помощью микрометрического механизма. При наблюдении дифракции на двух щелях используется установка, что и при исследовании одной щели; в этом случае одинарная щель S заменяется двойной щелью.

Для определения длины волны с помощью дифракционной решетки на оптической скамье (или на специальной рейке) укрепляется решетка Р и щель Щ (рис.6); штрихи решетки и края щели должны быть параллельны друг другу. Щель освещается источником света S (например, ртутной лампой, см. работу 2). Перпендикулярно к оси оптической скамьи укрепляется миллиметровая линейка с подвижным указателем. Штрихи линейки устанавливаются параллельно штрихам дифракционной решетки. Щель рассматривается через решетку глазом. На линейку проецируются изображения главных максимумов, положение которых отмечается указателем; затем измеряется расстояние l_m между указателем и максимумом нулевого порядка (т.е. от щели) и расстояние L между щелью и решеткой. После измерений рассчитываются углы дифракции по соотношению tg =l_m/L.

По известному значению периода решетки (оно обычно указывается на ее оправе) рассчитывается длина волны.

Углы дифракции можно измерить с помощью гониометра (см. работу 7). Для освещения решетки в этом случае используется коллиматор гониометра и его зрительная труба. Дифракционная решетка устанавливается на столике гониометра таким образом, чтобы ее плоскость была перпендикулярна оптической оси гониометра. Эта установка проводится так же, как и установка грани призмы  перпендикулярно к оптической оси гониометра (см. работу 7).

Задание

1.Собрать и провести юстировку установки, схема которой представлена на рис.5; коллиматор освещается ртутной лампой через зеленый светофильтр. Изменяя ширину щели S коллиматора, определить наилучшие условия для наблюдения дифракции на одной щели; объяснить наблюдаемые явления.

2.Провести наблюдение дифракции на одной щели, определить по делениям окулярной решетки положения главных минимумов; зафиксировать ширину щели. Сделать чертеж, на котором указать положения максимума нулевого порядка и главных минимумов и ширину щели. Затем изменить ширину щели в 2-3 раза. Провести измерения в том же порядке, затем построить чертеж для другой ширины щели.

3.Провести наблюдение дифракции на двух щелях. В этом случае щель УФ-2 заменяется двойной щелью, изготовленной из лезвий безопасных бритв; ширина каждой щели a = 0,15 мм, расстояние между ними в = 1,05 мм. Сначала проводится наблюдение дифракционной картины от одной щели; при этом вторая щель перекрывается соответствующей шторой. Затем открывается вторая щель и наблюдается появление системы светлых и темных полос в пределах максимума нулевого порядка, который образуется при дифракции от одной щели. Такие полосы появляются и в максимумах других порядков. Экспериментально определить число темных полос в пределах максимума нулевого порядка от одной щели и провести сравнение с рассчитанными значениями по (15) (при N = 2).

4.Измерить углы дифракции на решетке; рассчитать длину волны. По указанию преподавателя используется или гониометр, или установка, схема которой приведена на рис.6. При малых углах дифракции можно использовать для определения углов зрительную трубу с отградуированной в угловых единицах окулярной меткой.

5.Провести наблюдение дифракционного спектра в белом свете. Щель коллиматора в этом случае освещается лампой накаливания. Провести качественное описание спектра (какие волны - по цветовой оценке - имеют большие углы дифракции, почему и т.д.).

Вопросы

1.Объяснить дифракцию на одной щели и дифракционной решетке.

2.Объяснить наличие главных максимумов, дополнительных минимумов при дифракции света на решетке.

3.Какими способами можно определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки?

4.Почему край спектра нулевого порядка при освещении щели немонохроматическим светом имеет цветную окраску?

5.Как изменяется дифракционная картина от двух щелей по сравнению с дифракционной картиной от одной щели?

6.При каком способе измерений будет меньше погрешность - при визуальном отсчете или при использовании гониометра?

7.Как изменится дифракционная картина, если закрыть половину щелей решетки? 1/4? Провести наблюдение. Как изменится дифракционная картина, если на решетку направить волны под большим углом падения? Провести наблюдение.