物理实验报告5_测量单缝衍射的光强分布.docx

试验名称：测量单缝衍射的光强分布试验目的：a观看单缝衍射现象及其特点； b测量单缝衍射的光强分布； c应用单缝衍射的规律计算单缝缝宽；试验仪器：导轨、激光电源、激光器、单缝二维调整架、小孔屏、一维光强测量装置、WJH 型数字式检流计。试验原理和方法：光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物，转变光的直线传播，称为光的衍射。当障碍物的大小与光的波长大得不多时，如狭缝、小孔、小圆屏、毛发、细针、金属丝等，就能观看到明显的光的衍射现象，亦即光线偏离直线路程的现象。光的衍射分为夫琅和费衍射与费涅耳衍射，亦称为远场衍射与近场衍射。本试验只争辩夫琅和费衍射。抱负的夫琅和费衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。单缝的夫琅和费衍射光路图如以下图所示。a. 理论上可以证明只要满足以下条件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域：a 2a 2l >>8L 或 Ll >>8式中：a 为狭缝宽度；L 为狭缝与屏之间的距离；l 为入射光的波长。可以对 L 的取值范围进展估算：试验时，假设取a £ 1´10-4 m ，入射光是 He - Ne 激光，a 2其波长为 632.80nm，l= 1.6cm » 2cm ，所以只要取L ³ 20cm ，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但试验证明，取L » 50cm ，结果较为抱负。b. 依据惠更斯费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律：II= (sin u / u) 20式中：u = (pa sinj) / l暗纹条件：由上式知，暗条纹即I = 0 消灭在u = (pa sinj) / l = ±p ， = ±2p ，即暗纹条件为a sinj = kl ， k = ±1， k = ±2 ，明纹条件：求 I 为极值的各处，即可得出明纹条件。令ddu (sin 2 u / u 2 ) = 0推得u = tan u此为超越函数，同图解法求得：u = 0 ， ± 1.43p ， ± 2.46p ， ± 3.47p ，即a sinj = 0 ， ± 1.43p ， ± 2.46p ， ± 3.47p ，可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件a sinj ± (2k + 1)l / 2 ， k = 1 ，2，3，只是近似准确的。单缝衍射的相对光强分布曲线如以下图所示，图中各级极大的位置和相应的光强如下：sinj0± 1.43p / a± 2.46p / a± 3.47p / aII0.047I000.017I0.0.018I0c. 应用单缝衍射的公式计算单缝缝宽由暗纹条件： a sinj = kl并由图有： X= L tanjkk由于F 很小，所以X= LF= kLl / akk令b = X- X= Ll / a b 为两相邻暗纹间距，则k +1ka = Ll / b 或a = Ll / X ， X 为中心明纹半宽度11由此可见，条纹间距 b 正比于 L 和l ，反比于缝宽 a。由试验曲线测出 b取平均值，即可算出缝宽a。d. 试验证明，假设将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝，屏上夫琅和费把戏和同样宽度的单缝衍射把戏是一样的，故只需将单缝宽度 a 用金属细丝直径 d 代替，就可完全应用以上的理论和公式。试验内容和步骤：试验主要内容是观看单缝衍射现象，测量单缝衍射的光强分布，并计算出缝宽a 。试验中用硅光电池作光强I 的测量器件。硅光电池能直接变为电能，在肯定的光照范围内， 光电池的光电流i 与光照强度 I 成正比。本试验用的是WJH 型数字式检流计，以数字显示来检测光电流。它是承受低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流a 进展处理，从而将光强 I 以数字显示出来。a. 按以下图接好试验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等高，要留意将激光器调平；b. 激光器与单缝之间的距离以及单缝与一维光强测量装置之间的距离均置为50cm 左右，加上本试验承受的是方向性很好，发散角1´10-3 1´10-5 rad 的 He - Ne 激光作为光源，这样可满足夫琅和费衍射的远场条件，从而可省去单缝前后的透镜L1 和 L2 。；c. 点亮He - Ne 激光器，使激光垂直照耀于单缝的刀口上，利用小孔屏调好光路，须特别留意的是：观看时不要正对电源，以免灼伤眼睛。d. 将 WJH 接上电源开机预热 15min，将量程选择开关置 I 档，衰减旋钮置校准为止顺时针旋到底，即灵敏度最高。调整调零旋钮，使数据显示器显示“-000”负号闪耀。以后在测量过程中假设数码管显示“ 999”，此为超量程学问，可将量程调高一档。假设数字显示小于 190，且小数点不在第一位时，可将量程削减一档，以充分利用仪器区分率。e. 将小孔屏置于光强测量装置之前，调二维调整架，选择所需的单缝缝宽a ，观看小孔屏上的衍射花纹，使它由宽变窄及由窄变宽重复几次，一方面观看在调整过程中小孔屏上的各种现象和变化规律，另一方面调整各元件，使小孔屏上的衍射图像清楚、对称、条纹间距适当，以便测量。这一步是测量效果是否抱负的关键。f. 移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高度全都，移动方向与激光束垂直，起始位置适当。g. 关掉激光电源，登记本底读数即初读数再翻开激光电源，开头测量。为消退空程， 减小误差，应转动手轮使光电探头单方向移动，即沿衍射图像的开放方向X 轴方向，从左 向右或从右向左，每次移动 0.200mm，单向、逐点登记衍射图像的位置坐标X 和相应的光强。h. 在坐标格子上以横轴为距离，纵轴为光强，将记录下来的数值减去初读数描绘出来。就得单缝衍射的光强分布图。假设以光强最大值 I 0除各数值，也可得出单缝衍射的相对光强分布图。i. 测出狭缝到硅光电池的距离L，并从光强分布图上测出 b多测几个，取平均值或 X 1， 算出狭缝缝宽a 。j. 用读数显微镜直接测出缝宽，测 5 次，取平均值，与衍射测量结果比较，求相对误差。参数及数据记录：见附表数据处理：L = 50cm ± 0.05cm = 0.5ml = 650nm = 6.50 ´10-7 m中心明纹半宽度为： X1= 16.200mm - 12.800mm20.5m ´ 6.50 ´10-7 m= 1.700mm = 1.7 ´10-3 m则： a = Ll / X1=1.7 ´10-3 m= 1.91´10-4 m思考题：1. 当缝宽增加一倍时，衍射把戏的光强和条纹宽度将会怎样转变？如缝宽减半，又怎样转变？答：由a = Ll / b 可知，当a 增加一倍时，L、l 保持不变，b 变为原来的 1/2，光强增加，条纹变细。当a 减半时，b 变为原来的两倍，光强减弱，条纹变宽。2. 激光输出的光强如有变动，对单缝衍射图像和光强分布曲线有无影响？有何影响？ 答：激光输出的光强增大时，衍射图像明纹变亮，光强分布曲线变陡，当输出光强减弱时，衍射图像明纹变暗，光强分布曲线变平缓。4用试验中所应用的方法是否可测量细丝直径？其原理和方法？答：可以，把单缝换成要测量的金属丝，屏上夫琅和费衍射把戏和同样宽度的单缝衍射把戏的一样，故只需将单缝宽度a 换成细丝直径d，则可计算出d。