Лабораторная работа «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»

Лабораторная работа № 12

Тема: «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»

Цель работы: экспериментально определять длину световой волны при помощи дифракционной решетки известного периода

Оборудование: дифракционная решетка с периодом (10 ^-5 м), штатив, экран со щелью, линейка. («Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки» с использованием виртуальной лабораторной работы по физике ресурс - mediadidaktika.ru и https://www.youtube.com/watch?v=GebnazPD1PI ).

Ход работы:

Методические указания:

1. Краткие теоретические сведения

К дифракции (что условно означает «отклонение») принято относить все явления, связанные с распространением электромагнитных волн от когерентных источников при наличии препятствий независимо от величины их размеров. Все дифракционные явления можно разделить на три группы, связывая их с соотношением между «размерами» препятствий d и длиной волны λ.

Первая группа явлений называется дифракционным рассеянием (λ>>d) и характеризуется тем, что препятствие практически не оказывает влияния на распространение электромагнитной волны.

Вторая группа явлений (λ ~ d) называется дифракцией и характеризуется огибанием препятствий электромагнитной волной. В более широком смысле это любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики, когда она частично заходит в область геометрической «тени». В этом случае препятствие оказывает воздействие на характеристики волны, причем сохраняют силу такие понятия, как волновая поверхность и волновой фронт.

Третья группа явлений отвечает случаю (λ<<d). Она называется лучевым приближением (геометрической оптикой) и характеризуется тем, что в этих условиях интерференция себя фактически не проявляет даже для волн от когерентных источников. Законы распространения электромагнитных волн при этом сводятся к простым геометрическим законам распространения лучей.

Явление дифракции (λ ~ d), так же, как и явление интерференции, подтверждает волновую природу света. Дифракция всегда сопровождается интерференцией дифрагированных лучей. При дифракции, так же, как и при интерференции, наблюдается перераспределение интенсивности колебательного процесса в пространстве в результате суперпозиции когерентных волн.

Дифракционная решетка представляет собой систему прозрачных параллельных щелей одинаковой ширины, лежащих в одной плоскости, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками. На поверхности стекла резцом прочерчивают ряд параллельных штрихов на одинаковом расстоянии друг от друга. Прочерченные места рассеивают свет и являются практически непрозрачными. Неповрежденные места являются очень узкими дифракционными щелями.

Лучшие дифракционные решетки, изготовляемые в настоящее время, имеют 2 500 штрихов на 1 мм. Дешевые копии решеток – реплики – получают путем изготовления отпечатков на желатине или пластмассе. Дифракционные решетки с небольшим числом штрихов изготовляются фотографическим методом.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции световых волн, идущих от N щелей (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Прохождение света через дифракционную решетку

На Рисунке 1 условно обозначены: b - ширина щели, а - ширина промежутка между щелями, Л – собирающая линза, Э – экран для наблюдения дифракционной картины.

Период решетки:

d = a + b

Чем больше постоянная решетки d, тем больше число спектров можно наблюдать, но тем менее яркими и узкими становятся отдельные спектральные линии.

Дифракционная картина на решетке определяется как интерференция волн, приходящих от всех щелей, т. е. дифракция на решетке - многолучевая интерференция. Поскольку щели разделены одинаковым расстоянием, разности хода лучей, поступающих из двух соседних щелей, будут для направления φ (угол фи) идентичны по всей решетке.

Согласно формуле дифракционной решетки, максимумы для волн разной длины наблюдаются под разными углами:

d sin φ = kλ                                                       (1)

Эти максимумы расположены симметрично относительно центра (k = 0) и главного максимума.

Так как угол φ мал (расстояние между решеткой и экраном (L) много больше, чем расстояние от щели до места, где наблюдается максимум волны определенной длины (x)):

                                                    (2)

Отсюда следует, что длина волны рассчитается по формуле:

                                                               (3)

2. Oписание пpибоpа и метoда измеpений

По адресу  https://www.youtube.com/watch?v=GebnazPD1PI представлена установка, при помощи которой будет экспериментально определяется длины световой волны с помощью дифракционной решетки.  

1.                 ВНИМАТЕЛЬНО ПРОСМОТРЕТЬ ВИДЕО и Видеоинструкцию по выполнению работы!!!!!

2.              Согласно экспериментальной установке из видео записать в Таблицу 1 период решетки (он дан на дополнительном экране справа под линейкой).

3.             Записать в Таблицу 1 расстояние от решетки до экрана (L, указано в левом нижнем углу экспериментальной установки).

4.             По шкале на экране определить красную и фиолетовую границы спектров первого порядка, а также отметить положение линий зеленого спектра – записать в Таблицу1.

5.             Установить ползунок с экраном на другом расстоянии от решетки и повторить измерения.

6.             Вычислить длину световой волны для красных, зеленых и фиолетовых лучей по формуле (3) согласно измерениям занесенным в Таблицу 1.

7.             Определить среднее значение длины волны для красных, зеленых и фиолетовых лучей.

Таблица 1 – Измерения и расчеты

8. ВСЕ РАСЧЕТЫ ЗАПИСАТЬ ПОД ТАБЛИЦЕЙ !!!

9. Вывод:

10. Работу выполнить в тетради, сфотографировать, поместить в ворд и прикрепить выполненную работу к порталу

Скачано с www.znanio.ru