Описание лабораторной установки

У

Рис.10. Фотография лабораторной установки

становка состоит из нескольких отдельных элементов, укрепленных на оптических стойках. Все стойки располагаются на двух параллельных оптических скамьях и могут перемещаться вдоль них (рис.10). В качестве источника световых волн используется оптический квантовый генератор (ОКГ) или, иначе говоря, лазер⁵. В данной работе используется газовый лазер на смеси атомов неона и гелия – ЛГН–105. Он состоит из непосредственно самого лазера (поз.4, рис.10) и источника питания (поз.6). Направление излучения лазерного луча в горизонтальной плоскости можно менять с помощью двух поворотных призм (поз.3). После прохождения поворотных призм луч попадает на дифракционную решётку или диафрагму с узкой вертикальной щелью (поз.2). Крепление этих элементов к оптической стойке предусматривает возможность их поворота в вертикальной плоскости. Дифракционная картина наблюдается на экране (поз.1). Измерительная шкала экрана позволяет точно определять положения дифракционных максимумов.

Методика проведения работы

Цель эксперимента: определить период дифракционной решётки и ширину щели по известной длине волны оптического излучения.

Ход лучей в установке изображен на рис.11. На этом рисунке цифрами от 1 до 4 обозначены те же позиции, что и на предыдущем рис. 10.

Рис.11. Ход оптических лучей в экспериментальной установке

Другие позиции: 5 – местоположение на экране дифракционного максимума m-го порядка, 6 – местоположение центрального дифракционного максимума.

В работе применяется лазер, генерирующий свет с длиной волны:

=632,8 нм.

1. Определение периода дифракционной решетки

Для определения периода дифракционной решетки воспользуемся уравнением (4.1). При этом учтём, что синус угла дифракции φ, равный отношению противолежащего катета к гипотенузе, для данной схемы определяется выражением:

.

В результате получим рабочую формулу:

,

где d – период дифракционной решётки; m – порядок дифракционного максимума;  - длина волны света, генерируемого лазером; L_m – расстояние между центральным максимумом и максимумом m-го порядка; S – расстояние от дифракционной решётки до экрана (см. рис.11).

2. Определение ширины щели

Уравнение (3.2) связывает ширину щели и угол, определяющий направление на минимум m-го порядка в дифракционной картине на одиночной щели. Для дифракционного минимума первого порядка оно имеет вид:

.

В случае, если ширина щели более чем на порядок превышает длину волны (что предусмотрено в данной установке), угол  является малой величиной и тогда можно считать:

,

где l₁ – расстояние от центрального дифракционного максимума до первого дифракционного минимума. Таким образом, ширина щели a будет определяться выражением:

.

С практической точки зрения удобно измерить расстояние между двумя первыми дифракционными минимумами, . С учетом этой величины рабочая формула примет вид:

.

Порядок выполнения работы:

1. Включить вилку шнура блока питания лазера в розетку ∼220В (поз.7, рис.10).

2. Тумблер “Сеть-ВКЛ” на блоке питания лазера (поз.5, рис.10) перевести в верхнее положение.

3. Убедиться, что лазерный луч попадает на дифракционную решётку. В противном случае отрегулировать его положение с помощью поворотных призм (поз.3, рис.10).

4. Убедиться, что дифракционная картина лежит в горизонтальной плоскости. При необходимости повернуть дифракционную решётку в вертикальной плоскости и добиться попадания дифракционных максимумов на деления измерительной шкалы.

5. Убедиться, что экран расположен перпендикулярно оси симметрии оптической скамьи. Если потребуется, выставить его.

6. Измерить расстояние от дифракционной решётки до экрана, S. Результат записать в табл. 1.

7. Измерить расстояния между центральным дифракционным максимумом и несколькими дифракционными максимумами высших порядков L_m. Результаты измерений записать в табл. 1.

Таблица 1

m	Lm	S	Sср	D	dср
1
2
3

Оставшиеся графы заполняют позже, следуя описанной далее методике обработки результатов.

8. Выключить тумблер “Сеть-ВКЛ” на блоке питания лазера и заменить дифракционную решётку (поз.2, рис.10) в стойке на диафрагму с вертикальной щелью.

9. Включить лазер и в случае необходимости настроить установку, повторив выполнение пунктов 3 – 5.

10. Измерить расстояние между двумя первыми минимумами дифракционной картины. Измерения проводятся три раза, и результаты записываются в табл. 2.

Таблица 2

M	l	S	Sср	a	aср
1
2
3