实验二+光的单缝衍射实验.docVIP

实验二 光的单缝衍射实验 衍射和干涉一样，也是波动的重要特征之一。波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘前进。这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。波的衍射现象可以用惠更斯原理作定性说明，但不能解释光的衍射图样中光强的分布。菲涅耳发展了惠更斯原理，为衍射理论奠定了基础。菲涅耳假定：波在传播过程中，从同一波阵面上各点发出的子波，经传播而在空间相遇时，产生相干叠加。这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯－菲涅耳原理 【实验目的】 1．研究单缝夫琅禾费衍射的光强分布; 2．测定单缝衍射光强分布，加深对衍射理论的了解; 3．学习使用光电元件进行光强相对测量的方法。 【实验仪器】 缝元件、光学实验导轨、半导体激光器、激光功率指示计、白屏、大一维位移架、十二档光探头。 【实验原理】 （一）产生夫琅禾费衍射的各种光路 夫琅禾费衍射的定义是：当光源 S 和接收屏 ( 都距离衍射屏 D 无限远（或相当于无限远）时，在接收屏处由光源及衍射屏产生的衍射为夫琅禾费衍射。但是把S和(放在无限远，实验上是办不到的。在实验中常常借助于正透镜来实现，实际接收夫琅和费衍射的装置有下列两种。 1．焦面接收装置（以单缝衍射为例来说明，下同） 把点光源 S 放在凸透镜 L1 的前焦点上，在凸透镜 L2 的后焦面上接收衍射场（图1） 2．远场接收装置 在满足远场条件下，狭缝前后也可以不用透镜，而获得夫琅禾费衍射图样。远场条件是：① 光源离狭缝很远，即，其中 R 为光源到狭缝的距离， a 为狭缝的宽度；② 接收屏离狭缝足够远，即， Z 为狭缝与接收屏的距离。（至于观察点 P ，在的条件下，只要要求 P 满足近轴条件。）图2为远场接收的光路，其中假定一束平行光垂直投射在衍射屏上。 如图1所示，从光源 S 出发经透镜 L1 形成的平行光束垂直照射到缝宽为 a 的狭缝 D 上，根据惠更斯－菲涅耳原理，狭缝上各点都可看成是发射子波的新波源，子波在 L2 的后焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹，中央条纹最亮亦最宽。 （二）夫琅禾费衍射图样的规律 1．单缝的夫琅禾费衍射 实验中以半导体激光器作光源。由于激光束具有良好的方向性，平行度很高，因而可省去准直透镜 L1 。并且，若使观察屏远离狭缝，缝的宽度远远小于缝到屏的距离（即满足远场条件），则透镜 L2 也可省略。简化后的光路如图3所示。实验证明，当Z约等于100cm，a约等于8(10-3cm时，便可以得到比较满意的衍射花样。 图3中，设屏幕上 P0 （ P0 位于光轴上）处是中央亮条纹的中心，其光强为 I0 ，屏幕上与光轴成 (角（ ( 在光轴上方为正，下方为负）的 P( 处的光强为 I( ，则理论计算得出： （1） 其中： 式中 ( 为衍射角， ( 为单色光的波长， a 为狭缝宽度，由式（1）可以得到： （1）当 即（）时，，光强最大，称为中央主极大。在其他条件不变的情况下，此光强最大值 I0 与狭缝宽度 a 的平方成正比。 （2）当时（k = (1, (2, (3），，出现暗条纹。在 ( 很小时，可以用 ( 代替sin(。因此，暗纹出现在的方向上。显然，主极大两侧两暗纹之间的角距离，为其他相邻暗纹之间角距离的两倍。 （3）除了中央主极强以外，两相邻暗纹之间都有一次极强出现在位置上，要求 ( 值为：(1.43(，(2.46(，(3.47(，…对应的sin( 值，，…，各次极强的强度依次为0.047 I0，0.017 I0，0.008 I0…。 以上是单缝夫琅禾费衍射的理论结果，其光强分布曲线如图4所示。 2．测量光强的元件－光电池 光电池是利用半导体的光电效应制成的元件，常用的光电池有硒光电池和硅光电池两种。如果把功率指示计连接到光电池的两极，同时用光照射光电池表面，电路中就会有光电流。在照度不太大时，光电流与入射光通量成正比，叫做线性响应。线性响应范围与负载电阻的阻值 Rg 有关，当 Rg ＝0时，可得到最大的线性响应范围。因此，在实际应用中，要选用低内阻的电流计。 【实验步骤】 1、将导轨平稳地放置在一个坚固的平台上。 2、将半导体激光器放置于导轨的一端，缝元件架紧靠激光器放置，将一维位移架放置在导轨的另一端，放上12档光探头并锁紧，调节光探头到一维位移架的中间区域。 3、调整激光器指向方位和光探头的高低，使激光准确进入探测光栏孔。 4、在缝元件架上放上缝元件，根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光路，在光探头端就会出现一条干涉或衍射图案。 5、旋转探头上的光栏盘使0.2mm缝光栏进入探测位置。 6、转动一维位移架上的丝杠钮，使探头从一端向另一端进行扫描探测，每隔0.5－1mm记录一次光电流的数值。 7、根据测量数据，在坐标纸上作出相对光强I( / I0（即相对