ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.45 ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ

Цель работы – Изучение распределения интенсивности на дифракционных картинах Фраунгофера от щели.

Оборудование – модульный лабораторный учебный комплекс ЛКО-1.

Методика эксперимента

Щелью называют прямоугольное отверстие, у которого размер (рис. 53).

При дифракции на щели дифракционная картина будет растянута в направлении, перпендикулярном щели (вдоль оси ), а в направлении, параллельном щели (вдоль оси ) её размер будет малым. Распределение интенсивности определяется выражением (76).

(76)

где .

Условие минимумов интенсивности света в плоскости наблюдения ( ) определяется формулой:

, (77)

где .

Порядок выполнения работы

1. Перед началом работы изучите общую теорию явления дифракции (разделы 1-7) и дифракцию Фраунгофера на щели и дифракционной решётке (разделы 9-11).

2. Изучите устройство и правила эксплуатации комплекса ЛКО-1 и используемых в работе модулей в Приложении 5.

2. Ознакомьтесь с порядком включения и выключения лазерного источника света и инструкцией по технике безопасности. Обратите особое внимание на недопустимость попадания в глаза прямого лазерного излучения.

3*. Включите лазерный источник света.

Внимание. Пункты, помеченные звёздочкой, выполняет преподаватель или лаборант.

Задание № 1

1. Соберите схему для наблюдения дифракции в сходящейся волне согласно рис 33, но без модуля 8 (экран Э3). Подберите положение объектива О (модуль 6) так, чтобы волна сфокусировалась в плоскости Э2 (модуль 3). В этом случае на экране фоторегистратора Э3 (модуль 4) получится яркая точка минимальных размеров. При этом модуль 3 должен быть в «стандартном» положении с координатой риски 650 мм.

2. Поместите модуль 8, с установленной в его кассете раздвижной щелью (объект 25), на оптической скамье как можно ближе к объективу О, и получите на экране фоторегистрации (модуль 4) дифракционную картину Фраунгофера от щели. Подберите её ширину так, чтобы размеры дифракционных максимумов на экране Э3 составляли 5-10 мм.

Рукоятками горизонтального и вертикального перемещения на модуле 8 расположите дифракционную картину симметрично щели фоторегистратора.

3. Перемещая рукояткой 5 микропроектора (см. рис.8 Приложение 5) дифракционную картину с шагом 0,05 мм. зафиксируйте показания фоторегистратора на каждом шаге и соответствующие отсчёты по шкале микропроектора. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Интенсивность	, мВ.
Координата	, мм.

4. Постройте график зависимости интенсивности света от координаты и сравните с данными, приведёнными на рис.53.

Задание № 2

1. Установите в кассету микропроектора (модуль 3) с известными размерами, например, объект 24 – щель шириной 1мм. Перемещая окуляр (модуль 6), получите увеличенное изображения щели на экране фоторегистратора. Определите увеличение микропроектора по формуле , где - размер изображения щели на экране Э3׳, - реальный размер щели мм.

2. Установите в кассету микропроектора (модуль 3) раздвижную щель, используемую в задании 1. Получите её увеличенное изображение. Измерьте ширину щели.

3. По графику, полученному в задании 1, определите координаты минимумов.

4. Используя формулу (77) рассчитайте длину излучения лазера. При расчёте экспериментального значения углов дифракции полагаем что , где - координата -го минимума.

Примечание.Лабораторные работы № 3.41, №3.44 и №3.45 могут выполняться на комплексе «Автоматизированном рабочем места студента АРМС-7». Описание комплекса приведено в Приложении 4.

Контрольные вопросы
по теме «Дифракция света»

1. Что называется дифракцией света? Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля. Объясните с его помощью явление дифракции.

2. В чём суть принципа Гюйгенса – Френеля? Запишите его математическую формулировку.

3. Опишите метод зон Френеля. Для чего используется метод зон Френеля? В чём заключается основная суть метода зон Френеля?

4. Выведите формулы (5.3). Как зависят размеры зон Френеля от расстояния и ? Как будет изменяться количество зон Френеля при приближении точки наблюдения к отверстию?

5. Как зависит радиус зоны Френеля от номера зоны? От длины световой волны?

6. Получите формулу (5.4) радиусов зон Френеля для плоской волновой поверхности ( ® ∞).

7. Какой вид имеет дифракционная картина при нечетном числе открытых зон? При четном числе открытых зон? Как будет меняться картина дифракции при увеличении числа открытыхзон?

8. Объясните получение условий максимумов и минимумов при дифракции света на щели.

9. Объясните сущность дифракции света, дифракции Френеля и Фраунгофера.

10. Чем отличается оптическая схема наблюдения дифракции Френеля от схемы наблюдения дифракции Фраунгофера. Нарисуйте их.

11. Получите условия минимумов и максимумов при дифракции на решётке.

12. Сделайте сравнительную оценку дифракционных картин, полученных на щели и на решётке. Какая из них имеет преимущества и в чем они состоят?

13. Почему изменяются положения максимумов и минимумов при повороте объектов исследования по отношению к падающему на них световому пучку?

14. Объясните картину дифракции на двухмерной решетке.

15. Попробуйте предсказать, какой вид будет иметь дифракционная картина, если скрестить три, четыре и более решёток, располагая их под разными углами друг к другу.

17. Какой вид имеет дифракционная картина при дифракции на решётке в монохроматическом и белом свете?

18. Для чего применяются дифракционные решётки в научной и технической аппаратуре.

19. Какие волны наиболее сильно отклоняются решёткой? Сравните с дисперсией в призменном монохроматоре SPM-2.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 2. Электричество и магнетизм.

Волны. Оптика: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 496 с.

2. Трофимова Т. Н. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. -6-е изд., стер - М.: Высш. шк., 1999. - 542 с: ил. ISBN 5-06-003634-0

3. Детлаф А.А., Яворский Б. М. Курс физики. - М.: Высш. шк., 1988, с. 387-399.

4. Баранов А. В.и др. Колебания и волны. Оптика. Квантовая механика. Кн. 2. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994.

5. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 926 с.

6. Иродов И. Е. Волновые процессы. Основные законы. т.4. – М.: Лаборатория базовых знаний, 1999, – 256 с.

7. Кингсеп А. С., Локшин Г. Р., Ольхов О. А. Основы физики. Курс общей физики: Учебн. В 2 т. Т. 1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика / Под ред. А.С. Кингсепа. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001, - 560 с. — ISBN 5-9221-0164-1 (Т. 1).

8. Белонучкин В. Е., Заикин Д. А., Ципенюк Ю.М., Основы физики. Курс общей физики: Учебн. В 2 т. Т. 2. Квантовая и статистическая физика / Под ред. Ю.М. Ципенюка. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 504 с. - ISBN 5-9221-0165-Х (Т. 2).

9. Стафеев С. К., Боярский К. К., Башнина Г. Л. С78 Основы оптики: Учебное пособие. - СПб.: Питер, 2006, - 336 с: ил. ISBN 5-469-00846-0.

10. Р. Дитчберн. Физическая оптика. – М.: Наука, 1965,- 632 с.

11. Годжаев Н.М. Оптика. – М.: Наука: Высшая школа, 1977, - 422 с.

12. Сивухин Д.В. Оптика. М.:, 1985

13. В. В. Светозаров. Модульный оптический практикум: Учебное пособие. М.: ВЛАДИС, 1998, - 85 с.

14. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., Наука.1970, - 855 с.

15. Бутиков Е.И. Оптика. М., 1985.

16. Дмитриева В.Ф. Основы физики: Учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2001. - 527c.:ил.

Приложение 1