Министерство профессионального образования и занятости населения

Приморского края

краевое государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

 «Владивостокский судостроительный колледж»

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ

ВОЛНЫ ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ

РЕШЕТКИ

Методические указания к выполнению практической работы

 

             Предмет                ФИЗИКА

   

 

             для специальностей        21.02.03 Судостроение, 

09.02.06 Сетевое и системное администрирование, 

26.02.04. Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2023

 

                Рассмотрено на предметной комиссии                                 УТВЕРЖДАЮ

Естественно0научных, математических и электро-

                технических дисциплин                                                        ^{Зам. директора по УР}

                                                                                                                                                             Ю.Н. Топеха

                                                                                                                20 23 года

                     Протокол №  9 от « 11 » апреля 20 23 года                        

                                     

                Председатель ПЦК                                                                   

                                                         О.В. Яровая                                      

                                     

 

 

 

 

 

 

 

Методические указания к выполнению практической работы «Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки», выполнены в соответствии с рабочей программой предмета «Физика» для специальностей 21.02.03 Судостроение, 09.02.06 Сетевое и системное администрирование, 26.02.04. Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов, и предназначены для проведения практического занятия по предложенной теме, для обучающихся данных специальностей.

 

 

 

 

 

 

Автор: преподаватель КГА ПОУ «Владивостокский судостроительный колледж»

О.В. Яровая 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1    Определение длины световой волны при помощи ди-                        4   

фракционной решетки

1.1                    _Теория                      4

1.2                    Порядок выполнения работы                       9

                            Список использованных источников                                                   11

                  Приложения:                                                                                        

                            А) Форма отчета по практической работе                                           12  

                            Б) Контрольные тестовые вопросы (примерно)                                  13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1               Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки

 

1.1        Теория

 

Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия, то есть проникновение волны в область геометрической тени. С точки зрения современной науки определение дифракции как огибания светом препятствия признается недостаточным (слишком узким) и не вполне адекватным. Так, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн (в случае учёта их пространственного ограничения) в неоднородных средах.

Дифракция волн может проявляться:

-                 в преобразовании пространственного строения волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении;

-                 в разложении волн по их частотному спектру; - в преобразовании поляризации волн; - в изменении фазового строения волн.

Наиболее хорошо изучена дифракция электромагнитных (в частности, оптических) и звуковых волн, а также гравитационно-капиллярных волн (волны на поверхности жидкости).

Дифракция света– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий. Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Для наблюдения  дифракции можно:

-                 пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец. 

-                 или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

Опыт Юнга В 1802 г. Т. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции. В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия В и С на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют ведь только когерентные волны. 

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия Л возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции от отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаружил, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

 

 

Исследование дифракции было завершено в работах О. Френеля. Френель не только более детально исследовал различные случаи дифракции на опыте, но и разработал количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Им же было впервые объяснено прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории. Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Принцип Гюйгенса – Френеля

 Этих успехов Френель добился, объединив принцип Гюйгенса с идеей интерференции вторичных волн. Согласно идее Френеля каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все вторичные источники когерентны (принцип Гюйгенса — Френеля)

Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:

А)  вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени), когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;

Б)  вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.

Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо не располагать экран далеко от препятствий. При расстоянии между препятствием и экраном порядка метра размеры препятствия не должны превышать сотых долей миллиметра. Если же расстояние до экрана достигает сотен метров или нескольких километров, то дифракцию можно наблюдать на препятствиях размерами в несколько сантиметров и даже метров. На рисунке схематично показаны дифракционные картины от различных препятствий: а — от тонкой проволочки; б — от круглого отверстия; в — от круглого экрана. Вместо тени от проволочки видны светлые и темные полосы; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами; в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.

Изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами.

 

 

 

 

 

Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только, если размеры препятствий много больше длины световой волны.

Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:

-                      в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым

-                      в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

Дифракционная решетка - это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

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.

 

 

Максимумы света наблюдаются в точках экрана, для которых выполняется условие максимума:

 

 

Условие максимума: на разности хода волн укладывается четное число полуволн (целое число длин волн): 

Δ=k·λ,  (1)

 

где  Δ=АС - разность хода волн;  λ - длина световой волны;  k - номер максимума.

 

 

Центральный максимум (в точке О) называют нулевым; для него Δ=0.

Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков. Условие возникновения максимума можно записать иначе:

 

d·sinφ=k·λ

 

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3...

Здесь d - период дифракционной решётки в мм,

 φ - угол, под которым виден световой максимум k-го порядка в точке N на

расстоянии а от нулевого максимума,   λ - длина волны.

Так как углы дифракции малы, то для них можно принять:  sinφ ≈ tgφ, а tgφ=a/b.

 

Поэтому:

, 

и искомая длина световой волны равна

           (2)

 

В данной работе формулу (2) используют для вычисления длины световой волны.

Из условия максимума следует 

 

sinφ=(k·λ)/d .

 

   Пусть k=1, тогда sinφ_кр=λ_кр/d и sinφ_ф=λ_ф/d.

   Известно, что λ_кр>λ_ф , следовательно sinφ_кр>sinφ_ф. 

Т.к. y= sinφ_ф - функция возрастающая, то φ_кр>φ_ф

   Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше общее число щелей и чем ближе друг к другу они расположены, тем более широкими промежутками разделены максимумы.

 

1.2   Порядок выполнения работы

 

А) Сделать заготовку отчета, где необходимо указать:

-   тему работы;

-   цель работы;

-   перечень используемого оборудования;

-   таблицу для записи проведенных измерений

Смотря через дифракционную решётку, направить прибор на источник света. Пронаблюдать спектр.

 

 

 

Б) Используя рейсшину и дифракционную решётку провести замеры, по заданному преподавателем цвету световой волны, для первого и второго максимума одного цвета, где:

-   a  - расстояние от нулевого максимума до максимума порядка заданного цвета, мм;

-   b - расстояние от решётки до экрана, мм; - d - постоянная  решётки (период), 1:100, мм; - k – порядок максимума.

Результаты измерений занести в таблицу отчета.

В) Выполнить расчет длины световой волны заданного цвета для двух порядков максимума, используя формулу:

 

,

где k= 1 или k= 2.

Полученные результаты перевести в нм

Г) Рассчитать среднюю длину волны, используя формулу:

 

λ_ср = (λ1 +λ2)/2,

записать в таблицу.

Д) Используя таблицы справочника определить табличное значение длины световой волны заданного цвета, записать в таблицу.

Е) Рассчитать погрешность измерений, используя формулу:

 

δ=( λ _ср - λ _табл)/λ _табл ·100%,  Результат записать в таблицу.

 

Ж) Зарисовать полученный дифракционный спектр.

З) сделать вывод по проделанной работе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

Нормативные издания

1               ГОСТ 2.114-2016 Единая система конструкторской документации (ЕСКД) Общие требования к текстовым     документам. 

Учебные издания

2               Айзенцон А.Е. Физика. Учебник и практикум для СПО. - М.:Юрайт, 2018

3Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. – М., 2017.

4          Кравченко Н.Ю. Физика. Учебник и практикум для СПО. - М.:Юрайт,

2019

5          Касаткина И.Л. Мы повторяем физику.- РОСТОВ-НА-ДОНУ:  Фе-

никс, 1996

Электронные информационные ресурсы

6          nsportal.ru

7          www.school-collection.edu.ru (Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Приложение А 

 

Отчет по практической работе.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №_

 

Тема: Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки.

Цель работы: Познакомиться на опыте с явлением многолучевой интерференции световых волн. Используя решётку с известным расстоянием между штрихами измерить длину волны светового излучения.

Оборудование: 1        Штатив.

2               Дифракционная решётка 100 штрихов на мм.

3               Рейсшина..

 

 

Таблица для записи результатов измерений:

Порядок спектра, цвет k	Постоянная  решётки, d мм	Расстояние от решётки до экрана, b мм	Расстояние от нулевого мак- симума до мак- симума k-порядка а мм	Длина волны, нм	Средняя  длина волны нм	Относительная погрешность         измерения δ %
1-ый, порядок	1:100=0,001
2-ой,  порядок	1:100=0,001

 

 

 λ _табл=     нм

 

Вывод:

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Б

 

 

                                  Контрольные тестовые вопросы (примерно) 

 

 

1   Что такое дифракция света?

А)перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн      Б) отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при огибании малых препятствий или прохождении сквозь узкие отверстия    В) разложение белого света на цвета

 

2   Как выглядит дифракционный спектр?

А) по обе стороны от отверстия от фиолетового к красному    Б) по обе стороны от отверстия от красного к фиолетовому  В) все зависит от источника дифракции

 

3   Какие лучи дифракционного спектра имеют наибольший угол преломления?

А)красные   Б) зеленые    В)фиолетовые Г) желтые

 

4   Какой цвет спектра лучше воспринимается человеческим глазом?

А) Красный   Б)  желтый   В) зеленый   Г)фиолетовый

 

5   Какой цвет светового спектра имеет наименьшую длину волны? А) Красный   Б)  желтый   В) зеленый   Г)фиолетовый

 

6Что такое интерференция света?

А )перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн      Б) отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при огибании малых препятствий или прохождении сквозь узкие отверстия    В) разложение белого света на цвета