Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" icon

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " дослідження дифракції світла на вузькій щілині "




Скачати 96.01 Kb.
НазваМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " дослідження дифракції світла на вузькій щілині "
Дата27.09.2012
Розмір96.01 Kb.
ТипМетодичні вказівки

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА

“ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ ”

(РОЗДІЛ “ХВИЛЬОВА ОПТИКА”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ





КРЕМНЧУК 2011

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дифракції світла на вузькій щілині” (розділ “Хвильова оптика”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладач: асистент Журав В.В.


Рецензент:


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол №____ від «____» ____________ 2011р.


Заступник голови методичної ради ______________ доц. С.А. Сергієнко

^ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3-2

ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ

Тема роботи: Дифракція світла.

Мета роботи: Вивчення дифракції світла на вузькій щілині, визначення довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини.

Технічне обладнання

Гоніометр Г 5, ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення, екран з вузькою щілиною на штативі.

Загальні вказівки

Дифракцією називають огинання хвилями перешкод, або відхилення поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики. Розрізняють два види дифракції світла: дифракцію плоских хвиль (дифракція Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля). Обидва види дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса. Розрахунок кожної точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля. Для цього фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній точці дифракційної картини амплітуди коливань, які посилаються зонами Френеля. Одним з об'єктів, на яких відбувається дифракція світла, є вузька прямокутна щілина в непрозорому екрані.

Якщо на вузьку прямокутну щілину завширшки a падає плоска монохроматична хвиля довжиною λ, то на границях щілини відбувається дифракція світла й за певних умов на екрані, що знаходиться на відстані l від щілини, буде спостерігатися дифракційна картина, що складається із центрального максимуму й ряду вторинних слабких по освітленості максимумів, розділених мінімумами (рис. 5).

Для розрахунку дифракційної картини в напрямку, визначеному кутом дифракції φ, розділяємо щілину на зони Френеля, геометрично подібні щілині. Припускаємо, що для цих напрямків на щілині укладається ціле число n зон Френеля. Ширина кожної зони Френеля , різниця ходу хвиль, що йдуть через краї щілини, .

З рис. 5 слідує, що

, .

Припустимо, що для напрямків, визначених кутом φ, на щілині укладається парне число зон Френеля. Тоді

,

де k = 1, 2, 3, 4, ... – ціле число. Амплітуда результуючого коливання вторинних хвиль, що йдуть від двох сусідніх зон, дорівнює нулю, дія всіх зон попарно компенсується. Умова дифракційних мінімумів

, (8)

причому k відповідає порядковому номеру мінімуму. Якщо число зон Френеля непарне, то

,

дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку спостерігається вторинний максимум. Умова вторинних максимумів

, (9)

причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного максимуму.

Уточнимо умови, при яких буде спостерігатися показана на рис. 5 картина. Для цього знайдемо різницю ходу хвиль, що йдуть через краї щілини в довільно вибрану точку Р дифракційної картини (рис. 6). Із трикутника АВР

.

Нехтуючи значенням Δ2, після перетворень одержимо:

.

Виконаємо дослідження:

1) якщо , то або ;

2) якщо , то або ;

3) якщо , то або .

З'ясуємо фізичний зміст параметра дифракції . Для точки Р0, яка лежить навпроти середини щілини (на рис.6 пунктирні лінії),

, .

Отже, параметр дифракції безпосередньо пов'язаний з числом зон Френеля, що укладаються на щілині. Якщо n << 1, щілина відкриває для даного напрямку тільки частину центральної зони Френеля. У цьому випадку спостерігається дифракція Фраунгофера. При n = 1 на щілині укладається невелике число зон Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини (центральний максимум), обрамлене темними й світлими смугами (дифракція Френеля). Якщо n >> 1, на екрані спостерігається рівномірно освітлене зображення щілини, дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не спостерігається. Цей випадок відповідає геометричній оптиці.


Метод вимірювання

Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині показаний на рис. 5. Площі фігур, обмежені кривими, прямо пропорційні освітленості областей дифракційної картини. На центральний максимум припадає близько 85 % світлового потоку, що проходить через щілину. Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму. У проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору).

Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції використовується гоніометр Г 5, який зображений на рис. 7. Основні елементи його: 1 – відліковий мікроскоп; 2 – зорова труба; 3 – маховичок фокусування зорової труби; 4 – столик (для установки екрана із щілиною); 5 – коліматор з коліматорною щілиною 6; 7 – основа; 8 – мікрометричний гвинт алідади; 9 –маховичок оптичного мікрометра. Зорова труба встановлена на поворотній частині приладу (алідаді). Алідада може повертатися навколо вертикальної осі. Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з лівої його сторони.


Спрощену оптичну схему установки показано на рис. 8. Промені від ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6, лінзу коліматора 5 і зазнають дифракції на щілині Щ. Після цього промені попадають в зорову трубу 2, через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної картини Д.

У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності переважають жовтий дублет з λ1 = 579,1 нм і λ2 =577,0 нм і зелена лінія з λ = 546,1 нм. По виміряному куту дифракції можна визначити довжину хвилі жовто-зеленої області спектра (9):

, (10)

оскільки для малих кутів sinφ = φ.

Відносна похибка вимірювання довжини хвилі

, (11)

причому Δа = 0,005 мм, а Δφ = 0,5״ як номінальні похибки застосовуваних приладів.

Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1. Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис. 9. У лівому вікні спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й вертикальний індекс для відліку градусів, а в правому вікні – вертикальна шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку хвилин і секунд. Щоб зняти відлік з лімба, необхідно повернути маховичок 9 настільки, щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно сумістилися.

Число градусів буде дорівнювати найближчому лівому від вертикального індексу числу 61. Число десятків хвилин дорівнює числу інтервалів, що знаходиться між верхнім штрихом, який відповідає відліченому числу градусів, і нижнім оцифрованим штрихом, що відрізняється від верхнього на 180°. На рис. 9 число поділок дорівнює 2, що відповідає 20׳ . Число одиниць хвилин відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду, число секунд – у тім же вікні по правому ряду. Кут, для відліку якого показане поле зору на рис. 9, становить

φ = 61°20' (по лівій шкалі) + 1' 26" (по правій шкалі);

φ=61°21'26".

Виконання роботи

  1. Вивчити елементи гоніометра за схемою, приведеною на рис. 7. Забороняється безцільно обертати маховички приладу, тому що це може призвести до його роз’юстирування. Включити тумблер гоніометра й вивчити через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу, показану на рис. 9.

  2. Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної щілини. Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин візирних ліній. Якщо є потреба, сфокусувати зображення щілини коліматора маховичком 3 до одержання чіткого зображення.

  3. Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини.

  4. Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину, маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим дифракційним максимумом. Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1, маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині поля зору. Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис. 9.

  5. Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової труби із правим другим дифракційним максимумом. Спостерігаючи поле зору відлікового мікроскопу 1, маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє положення. По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2.

  6. Повторити описані в пп. 4,5 виміри кутів для максимумів 3-го й 4 го порядків.

  7. Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2, 3, 4) визначити кути дифракції



у кутових секундах і перевести їх у радіани;

1"= 4,85·10–6 радіан. За формулою (10) знайти три значення довжини світлової хвилі і її середнє значення. Ширина щілини а зазначена на її штативі.

  1. Для мінімального значення k обчислити відносну похибку вимірювання (11).

  2. Результати вимірювань і розрахунків занести до табл. 2.

Таблиця 2

k

Ψ1,

1°1'1"

Ψ2,

1°1'1"

φ,

1"

λ,

нм

λср,

нм

а,

мм

Е,

%









































































Зміст звіту: назва й номер лабораторної роботи, оптична схема установки, розрахункові формули, таблиця результатів роботи.

Контрольні питання

  1. Що таке дифракція світла? Як пояснюється це явище на основі принципу Гюйгенса?

  2. На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища?

  3. У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної картини?

  4. Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від вузької щілини?

  5. Виведіть залежність між числом зон Френеля, шириною щілини й кутом дифракції.

  6. Виведіть формули, що визначають дифракційні максимуми й мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини.

  7. Виведіть формулу залежності параметра дифракції від різниці ходу хвиль, що йдуть через краї щілини.

  8. Який зв'язок існує між параметром дифракції й числом зон Френеля, що укладаються на щілині?

  9. Дослідіть випадки проходження світла через щілину, якщо число зон Френеля, що укладаються на щілині, n < 1, n = 1, n > 1.

Література: [1, т.3, § 6.2-6.3; 2, т.2, § 128-129; 3, с.169-170].


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Детлаф А.А. и др. Курс физики. - М.: Высш.шк., 1972, - Т.3.

  2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1972. - Т.2.

  3. Физический энциклопедический словарь. - М.: Сов.энцикло­педия, 1983.

Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. - М.: Наука, 1962.

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дифракції світла на вузькій щілині” (розділ “Хвильова оптика”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладач: асистент Журав В.В.


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики О.І.Єлізаров


Підп. до др._____________. Формат 60×84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк. _________. Наклад________прим. Зам. №_____. Безкоштовно.


Видавничий відділ

Кременчуцького національного університету

імені Михайла Остроградського

вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39600

Схожі:

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження дисперсії світла у склі за допомогою гоніометра"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дисперсії світла у склі за допомогою...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення кута повороту площини поляризації світла"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення кута повороту площини поляризації...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження електростатичних полів методом зонда"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження електростатичних полів методом...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " визначення роботи виходу електрона"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення роботи виходу електрона” ( розділ...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення магнітних властивостей феромагнетиків"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення магнітних властивостей феромагнетиків”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення показника заломлення рідини рефрактометром"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення показника заломлення рідини рефрактометром”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення ємності конденсатора мостовою схемою"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика “ “Визначення ємності конденсатора мостовою...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення радіуса кривини лінзи за кільцями ньютона"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \" дослідження дифракції світла на вузькій щілині \" iconРоботи
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Перевірка закону Малюса й визначення ступеня...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи