实验五单缝衍射的相对光强分布.ppt

实验五 单缝衍射的相对光强分布 实验目的 1．观察单缝衍射现象，了解其特点。 2．测量单缝衍射时的相对光强分布。 仪器和用具 激光器座、氦氖激光器、导轨、二维调节架、可调狭缝、光电探头 、小孔屏、 数字式检流计、专用测量线等。 实验原理 光的衍射现象是光的波动性的重要表现。根据光源及观察衍射图象的屏幕（衍射屏）到产生衍射的障碍物的距离不同，分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种，前者是光源和衍射屏到衍射物的距离为有限远时的衍射，即所谓近场衍射；后者则为无限远时的衍射，即所谓远场衍射。 产生夫琅和费衍射的条件，是光源和显示衍射图像的屏离衍射物(如单缝)的距离都视为无限远，即入射光和衍射光都是平行光。其光路见图。其中，S是波长为λ的单色光源，被置于透镜L1的焦面上；单色光经过透镜L1后形成一束平行光投射于缝宽为a的单缝AB上；通过单缝后的衍射 光经透镜L2会聚在其焦 面(屏P)上，于是屏上呈 现出亮、暗条纹相间分 布的衍射图像。 由惠更斯一菲涅耳原理可推得，单缝衍射图像的光强分布规律为 (1) 其中，a为单缝的宽度， 为衍射光与光轴OP0　的夹角——衍射角。当 =0时，I=I0 (2) 这是与光轴平行的光线会聚点(中央亮条纹的中心点)的光强，是衍射图像中光强的极大值，称为中央主极大。 当 asin =Kλ(K=±1，±2，±3，…) (3a) 时，则“ ，即为暗条纹。与此衍射对应的位置为暗条纹的中心。实际上 角很小，因此上式可改写成 又由图看出，K级暗条纹对应的衍射角为 比较得到 由以上的讨论可知： 1．中央亮条纹的宽度被K=±1的两个暗条纹的衍射角所确定，即中央亮条纹的角宽度为 。 2．衍射角 与缝宽a成反比关系，缝加宽时，衍射角减小，各级条纹向中央收缩；当缝宽a足够大(aλ)时，衍射现象不明显，从而可以忽略不计，将光看成是沿直线传播的。 3．对于任意两条相邻暗条纹，其衍射角的差值为 ，即暗条纹是以P0为中心，等间隔地、左右对称地分布的。 4．位于两相邻暗条纹之间的是各级亮条纹，它们的宽度是中央亮条纹宽度的二分之一。这些亮条纹的的光强最大值称为次极大。用衍射角表示这些次极大的位置为 它们的相对光强分别为 实验内容 按夫琅和费衍射的要求，布置和调整各光学元件.如用激光作光源，投射于宽度可调的单缝上。当显示衍射图像的屏离单缝甚远( La)时，透镜L2可以省略。 (一)观察单缝衍射现象 以某单色光为光源(如He-Ne激光，其波长λ=632.8 nm)，观察平行激光束通过单缝后，在带有标尺或毫米方格纸的屏上的衍射图像。 调节单缝的宽度，使它由宽变窄，再由窄到宽，重复数次，观察和描述在调节过程中出现的各种现象和变化情况：如屏上呈现的光斑如何变化?当屏上出现可分辨的衍射条纹时，单缝的宽度约为多少?继续减小缝宽时，衍射图像如何变化(是收缩还是扩展)?调节缝宽，使呈现出清晰的衍射图像，比较各级亮条纹的宽度以及它们的亮度分布情况。 (二)测量单缝衍射图像的相对光强分布 1．调节缝宽，使在屏上呈现出清晰的衍射图象。用安装在测微螺旋装置上的光电探头代替观察屏接收衍射光。衍射光的强度由与光电池相联的检流计(或微安表)的偏转值，表示。将光电池沿衍射图像展开方向(X轴)从左到右(或相反)，以一定间隔(如0.1～0.2 mm)单向地对衍射图像的光强逐点测量(由于光电池受光面积较大，需在它前面加一宽度可调的狭缝作光栏，以满足逐点测量的要求)。 2．保持单缝和光电池的距离不变，改变缝宽(如减半或增加一倍)，按照步骤1再测一组数据。 3．将所测光电流数据归一化，即将所测数据对其中的最大值，I0(即中央主极大)取相对 比值 (称为相对光强)，作 ～X曲线，即得 到单缝衍射的相对光强分布曲线。 4．从分布曲线可得各光强极小值(即衍射暗 条纹)的位置 ，测量单缝到光电池的距离 L。将 和L值代入式 中，就得到曲线上 各级暗条纹对应的衍射角 。取第一级暗条 纹的衍射角代入式 ，计算相应的单缝 宽度a。 5．由光强分布曲线确定各级亮条纹光强次极大值的位置及相对光强，分别与式 和 所列的理论值比较。 6．对比和分析测得的两条相对光强分布曲线，归纳单缝衍射图像的分布规律和特点。 (三)观察细丝、圆孔、矩形孔的衍射图象 以细丝、圆孔、矩形孔代替单缝，观察它们的衍射图像，描述这