Как определить длину световой волны…

Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Как определить длину световой волны...

Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

1. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Дифракция света – явление огибания светом встречающихся на его пути препятствий, сопровождающееся пространственным перераспределением энергии световой волны — интерференцией.

Расчет распределения интенсивности света в дифракционной картине может быть осуществлен с помощью принципа Гюйгенса — Френеля. Согласно этому принципу каждая точка фронта световой волны, т. е.

поверхности, до которой распространился свет, является источником вторичных когерентных световых волн (начальные фазы их и частоты одинаковы); результирующее колебание в любой точке пространства обусловлено интерференцией всех вторичных волн, приходящих в эту точку, с учетом их амплитуд и фаз.

Положение фронта световой волны в любой момент времени определяет огибающая всех вторичных волн; любая деформация фронта волны (она обусловлена взаимодействием света с препятствиями) приводит к отклонению световой волны от первоначального направления распространения – свет проникает в область геометрической тени.

2. Дифракционная решетка

Прозрачная дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку или целлулоидную пленку, на которой через строго определенные расстояния специальным резцом нарезаны узкие шероховатые бороздки (штрихи), не пропускающие света. Сумма ширины ненарушенного, прозрачного промежутка (щели) и ширины бороздки называется постоянной или периодом решетки.

Пусть на решетку падает плоская монохроматическая световая волна с длиной волны (рассмотрим самый простой случай — нормальное падение волны на решетку).

Каждая точка прозрачных промежутков решетки, до которой дойдет волна, согласно принципу Гюйгенса становится источником вторичных волн. За решеткой эти волны распространяются по всем направлениям.

Угол отклонения света от нормали к решетке называется углом дифракции.

Поместим на пути вторичных волн собирающую линзу. Она сфокусирует в соответствующем месте своей фокальной поверхности все вторичные волны, распространяющиеся под одним и тем же углом дифракции.

Для того, чтобы все эти волны при наложении максимально усиливали друг друга, необходимо, чтобы разность фаз волн, приходящих от соответствующих точек двух соседних щелей, т. е. точек, отстоящих на одинаковых расстояниях от краев этих щелей, была равна четному числу или разность хода этих волн была равна целому числу m длин волн . Из рис.1 видно, что разность хода волн 1 и 2

для точки P равна:

РИС. 1

. (1)

Следовательно, условие максимумов интенсивности результирующей световой волны при дифракции от дифракционной решетки можно записать следующим образом:

, (2)

где знак плюс соответствует положительной разности хода , минус — отрицательной.

Максимумы, удовлетворяющие условию (2), называются главными, число m называется порядком главных максимумов или порядком спектра. Значению m=0 соответствует максимум нулевого порядка (центральный максимум). Максимум нулевого порядка один, максимумов первого, второго и более высоких порядков — по два слева и справа от нулевого.

Положение главных максимумов зависит от длины световой волны. Поэтому при освещении решетки белым светом максимумы всех порядков, кроме нулевого, соответствующие разным длинам волн, смещаются друг относительно друга, т. е. разлагаются в спектр. Фиолетовая (коротковолновая) граница этого спектра обращена к центру дифракционной картины, красная (длинноволновая) — к периферии.

3. Описание установки

Работа проводится на спектрогониометре ГС-5 с установленной на нем дифракционной решеткой. Гониометр — прибор, предназначенный для точного измерения углов. Внешний вид спектрогониометра ГС-5 изображен на рис.2.

Рис.2

Коллиматор 1, снабженный регулируемой микрометрическим винтом 2 спектральной щелью, крепится на неподвижной стойке. Щель обращена к источнику света (ртутной лампе). На предметном столике 3 устанавливается прозрачная дифракционная решетка 4.

Наблюдение дифракционной картины производится через окуляр 5 зрительной трубы 6.

.

4.Порядок выполнения работы

Целью работы является изучение дифракционной решетки, нахождение ее характеристик и определение с ее помощью длины световых волн спектра излучения паров ртути.

В лаборатории физического практикума кафедры физики УГТУ-УПИ в качестве источника линейчатого спектра в лабораторной работе № 29 используется ртутная лампа, в которой при электрическом разряде генерируется линейчатый спектр излучения, которое пройдя коллиматор спектрогониометра ГС-5 падает на дифракционную решетку (фотография ГС-5 приведена на титульном файле). Экспериментатор определяет угол дифракции с точностью до нескольких секунд, наводя визирную линию окуляра на соответствующую линию спектра, затем по вышеописанной методике вычисляет длину волны выбранной линии.

В компьютерном варианте данной работы достаточно точно моделируются условия проведения опытов. На экране дисплея воспроизводится окуляр, визирную линию которого следует наводить на любую выбранную спектральную линию, точнее говоря на середину цветовой полоски, что повышает точность измерения углов до нескольких угловых секунд.

Как и реальном спектре паров ртути, в компьютерной работе также “генерируются” четыре наиболее ярких видимых линий спектра: фиолетовая, зеленая и две желтых линии. Спектры расположены зеркально симметрично относительно центрального (белого) максимума.

Внизу под окуляром для лучшей ориентации на тонкой черной полоске приведены все линии спектра ртути. Причем две желтые линии сливаются в одну. Дело в том, что эти линии расположены рядом и имеют близкие значения длин волн – так называемый дуплет, однако на хорошей дифракционной решетке они разделяются (разрешаются), что видно в окуляре.

В данной работе одной из задач и является определение разрешающей способности дифракционной решетки.

Итак, наведя курсор на «Измерения» и нажав левую клавишу мышки, можно приступать к измерениям. «Вращать» окуляр можно в четырех различных режимах как влево, так и вправо, до тех пор, пока в поле зрения окуляра не покажется цветная вертикальная линия.

Следует навести черную вертикальную визирную линию окуляра на центральную часть цветной полоски, при этом на цифровом табло высвечиваются значения угла дифракции с точностью до нескольких угловых секунд. Спектральные линии расположены примерно от 60 до 150 градусов.

При этом от тщательности проведения опытов зависит точность числовых значений углов и, как следствие, правильность полученных результатов. Экспериментатору предоставляется возможность самому выбирать последовательность выполнения измерений

Результаты измерений надо занести в соответствующие таблицы отчета и произвести необходимые вычисления.

4.1.Определение длины волны спектральных линий паров ртути.

Измерения проводятся для линий спектра первого порядка (m=1). Постоянная решетки d=833,3 нм., ее длина (ширина) равна 40 мм. Значение синуса угла можно определить по соответствующим таблицам или с помощью калькулятора, однако следует иметь в виду, что угловые секунды и минуты нужно переводить в десятичные разряды градусов, т. е. 30 минут равны 0,5 градуса и т. п.

Результаты измерений заносятся в таблицу 2 отчета (смотри Приложение). Значение длины волны получают, используя формулу (2):

. (3)

4.2.Расчет характеристик дифракционной решетки.

Максимальное значение порядка m дифракционных спектров для какой-либо дифракционной решетки может быть определено в случае нормального падения света на решетку по следующей формуле:

. (4)

Значение mmax определяется для наибольшей длины волны — в данной работе для второй желтой линии ж. Наивысший порядок спектров равен целой части (без округления!) отношения .

Разрешающая способность R дифракционной решетки характеризует ее способность разделять (разрешать) спектральные линии, мало отличающиеся по длинам волн. По определению

(5)

где — длина волны, вблизи которой производится измерение;

— минимальная разность длин волн двух спектральных линий, воспринимаемых в спектре раздельно.

Величина обычно определяется критерием Рэлея: две спектральные линии и считаются разрешенными, если максимум порядка m одной из них (с большей длиной волны), определяемый условием

,

совпадает с первым добавочным минимумом в спектре этого же порядка m для другой линии , определяемым условием:

.

Из этих уравнений следует, что

,

и разрешающая способность решетки оказывается равной

(6)

Таким образом, разрешающая способность решетки зависит от порядка m спектра и от общего числа N штрихов рабочей части решетки, т. е. той части, через которую проходит исследуемое излучение и от которой зависит результирующая дифракционная картина. По формуле (5) находится разрешающая сила R используемой дифракционной решетки для спектра первого порядка (m=1).

Из (5) следует, что две спектральные линии и разрешаются дифракционной решеткой в спектре m — го порядка, если:

. (7)

Используя найденное значение R, по формуле (5) вычисляется ( в нанометрах) линейное разрешение спектральных линий вблизи линий ф , з ,ж спектра

(8)

Угловая дисперсия D дифракционной решетки характеризует угловое расстояние между близкими спектральными линиями. По определению

(9)

где — угловое расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длинам волн на .

Формула для D получается дифференцированием соотношения(2): левой части по углу дифракции , а правой — по длине волны :

,

откуда

(10)

Таким образом, угловая дисперсия решетки зависит от порядка m спектра, постоянной d решетки и от угла дифракции .

По формуле (8) находится (в “/нм- угловых секундах на нанометр) угловая дисперсия используемой дифракционной решетки для углов дифракции, соответствующих всем измеряемым длинам волн спектра.

Полученные результаты записываются в таблицу 2 отчета (смотри Приложение).

5. Kонтрольные вопросы

1. В чем состоит явление дифракции света?

2. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

3. Что такое разрешающая способность дифракционной решетки и от чего она зависит?

4. Как экспериментально определить угловую дисперсию D дифракционной решетки?

5. Какой вид имеет дифракционная картина, полученная от прозрачной решетки?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Титульный лист:

У Г Т У — У П И

О Т Ч Е Т

по лабораторной работе 29

Изучение дифракционных решеток. Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Студент______________________________

Группа ______________________________

Дата _________________________________

Преподаватель……………………….

На внутренних страницах:

1. Расчетные формулы:

; ; ; ; ,

где — длина волны;

m – порядок спектра ( m=1).

2. Источник излучения – ртутная лампа.

3. Ход лучей

4. Результаты измерений углов дифракции и длин волн

спектральных линий паров ртути. Таблица 1

Спектроальная линияПорядок максимума, mУгол дифрак — цииДлинаволны, нм
Слева от центр. макс. a 1Справа от центр. макс. a 2
ФиолетоваяЗеленаяЖелтая 1Желтая 21111

5. Расчет искомых величин.

Чтобы рассчитать число штрихов на рабочей части решетки, следует учесть, что d=833,3 нм, а длина (в нашем случае, ширина) решетки равна 40 мм.

Таблица 2 Xарактеристики дифракционной решетки

Период d Решетки,НмНаивысшийПорядок mСпектровРазрешающаяСилаRЛинейноеРазрешение,нмУгловая дисперсияD для линийртути, ”/ нм
833,3

6. Оценка погрешностей измерений длин волн рассчитывается по формуле:

нм:

Табличные значения длин волн спектральных линий паров ртути:

Фиолетовая – 436 нм,

Зеленая — 546 нм,

1 желтая – 577 нм,

2 желтая — 579 нм.

7. Выводы.

Источник: https://pandia.ru/text/77/487/2144.php

Физический практикум в 11-м классе по теме:

Как определить длину световой волны...

Оборудование:

  1. лазерная указка,
  2. дифракционная решетка с периодом d = 1/100 мм,
  3. лазерный компакт-диск (CD – диск ),
  4. демонстрационная линейка,
  5. экран (стена физического кабинета),
  6. штатив,
  7. три муфты,
  8. две лапки,
  9. стержень от штатива.

Краткая теория

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких параллельных прозрачных щелей одинаковой ширины, разделенных непрозрачными штрихами.

Расстояние, равное сумме ширины прозрачной щели и ширины непрозрачного штриха, называется периодом дифракционной решетки и обозначается буквой d. Дифракционная решетка – это оптический прибор для изучения спектра электромагнитного излучения.

С помощью дифракционной решетки можно измерить длины волн, соответствующие различным цветам спектра.

Используя формулу дифракционной решетки ,получим выражение для вычисления длины волны электромагнитного излучения , где — длина световой волны; — период дифракционной решетки; — тригонометрическая функция; — угол, под которым наблюдается максимум света; — порядок максимума света.

Ввиду того, что углы, под которыми наблюдаются максимумы света, малы, то можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.

Из рисунка видно, что

где — расстояние от максимума нулевого порядка до максимума первого порядка; — расстояние от дифракционной решетки до экрана.

Формула для расчета длины световой волны приобретает вид

, если 1, то (1 формула ),

Из этой формулы получим выражение для вычисления периода дифракционной решетки

( 2 формула ).

Последней формулой воспользуемся, выполняя работу второго уровня.

Порядок выполнения работы

Первый уровень

Опыт №1

Определение длины световой волны

1. Укрепляем лазерную указку и дифракционную решетку в лапках штатива на одинаковой высоте от поверхности стола.

Включив лазерную указку, направляем луч света на дифракционную решетку так, чтобы на экране (стене) получилась отчетливая дифракционная картина. Строго следим за тем, чтобы лучи лазерной указки (падающие, отраженные) не светили в глаза учеников.

Линейкой измеряем на экране расстояние от максимума нулевого порядка до максимума первого порядка __________.

Измеряем расстояние от дифракционной решетки до экрана _________.

5. Выключаем лазерную указку.

6. Вычисляем длину световой волны по 1-ой формуле:

7. Заполняем таблицу № 1.

Записываем вывод: длина волны излучения лазера (красного света) равна = __________ .

Второй уровень.

Опыт № 2.

Определение числа спиральных дорожек CD-диска.

(Определение периода компакт-диска).

Лазерный компакт-диск (CD-диск) со спиральными дорожками (бороздками), расположенными близко друг к другу, подобен отражательной дифракционной решетке, поэтому лазерный CD-диск может быть использован в качестве основной части установки, представленной на рисунке.

Порядок выполнения работы.

Из лапки штатива убираем дифракционную решетку № 3

Вместо нее устанавливаем лазерный компакт-диск (CD-диск).

Включаем лазерную указку. Луч лазера направляем на диск. Строго следим за тем, чтобы лучи лазерной указки (падающие, отраженные) не светили в глаза учеников.

Разворачиваем диск так, чтобы на экране сформировалась отчетливая дифракционная картина.

Линейкой измеряем:

а) расстояние на экране от максимума нулевого порядка до максимума первого порядка = _________,

б) расстояние от диска до экрана = ______________.

6. Вычисляем период диска по 2-ой формуле: , где 1

Значение длины световой волны = ____ записываем из предыдущей работы.

7. Заполняем таблицу № 2.

8. Делаем вывод:

Период компакт-диска (число спиральных дорожек CD-диска) равен: = _____.

Ученики оформляют отчеты о проделанной работе и сдают тетради учителю для проверки.

Литература

  1. Г.Я. Мякишев, Б, Б, Буховцев. Физика. Учебник для 11 класса общеобразователбных учреждений. М.: Просвещение, 2005.
  2. В.А.Касьянов. Физика.

    Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2004.

  3. Р. И. Малафеев. Творческие экспериментальные задания по физике. 9-11классы. М.: Школьная Пресса, 2003. 4. Наука и жизнь.

    № 4, 2005.

2.02.2007

Источник: https://urok.1sept.ru/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/413140/

Определение длины световой волны

Как определить длину световой волны...

ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Цель работы:изучение дифракции в сходящихся и параллельных лучах и определение длины волны света с помощью дифракционной решетки.

Теоретические положения

Рис. 3.5.1.

Дифракция света заключается в отклонении световых лучей от прямолинейного пути в случае прохождения их через малые отверстия или мимо малого непрозрачного экрана.

Дифракция обычно наблюдается, если размеры отверстия или препятствия одного порядка с длиной волны.

При расчетах дифракционных явлений пользуются особым приемом, который предложил Френель, называемый принципом Гюйгенса – Френеля и являющийся развитием принципа Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса формулируется так: каждая точка волновой поверхности световых волн является источником вторичных волн. Огибающая поверхность вторичных волн будет новым положением волновой поверхности.

Принцип Гюйгенса решает задачу о распространении волнового фронта, но не решает задачу об интенсивности волн, которые идут в различных направлениях от источника.

Принцип Гюйгенса-Френеля рассматривает интенсивность результирующей волны как результат интерференции вторичных волн, являющихся когерентными, поскольку зарождаются на одном и том же фронте волны.

Рис. 3.5.2.

Интерференция вторичных волн, по Френелю, происходит следующим образом: пусть из точки S распространяется сферическая волна радиуса R.

Выберем на этой поверхности элементарные площадки dS одинакового размера.

Все они являются когерентными источниками и нормаль к каждой из них образует различные углы a с лучом, идущим в точку B перед фронтом волны.

Рис. 3.5.3.

Для упрощения расчета интенсивности света в точке B Френель предложил метод, получивший название метода зон Френеля.

Разобьем весь фронт волны на зоны, расстояние от которых до точки B отличается на . Опишем их из точки B, как из центра, окружностями с радиусами

.

Рис. 3.5.4.

Площади зон можно считать одинаковыми, а значения амплитуд световой волны, приходящей в точку B от каждой последующей зоны, постепенно убывают. Ясно, что от двух соседних зон волны приходят в точку B в противофазе.

Метод зон Френеля позволяет объяснить различные случаи дифракции. Рассмотрим некоторые из них, а именно:

дифракцию Френеля или дифракцию в сходящихся лучах, когда на отверстие или препятствие падает сферический фронт волны, и

дифракцию Фраунгофера, или дифракцию в параллельных лучах – на отверстие падает плоский фронт волны.

Примером первого вида дифракции (дифракции Френеля) может быть дифракция на круглом отверстии.

Если в отверстии умещается четное число зон Френеля, то волны приходящие в точку B от соседних зон гасят друг друга, и в точке B будет наблюдаться минимум освещенности.

Если в отверстии умещается нечетное число зон, то одна из зон останется нескомпенсированной и в точке B наблюдается максимум интенсивности света. При смещении на экране в различных направлениях от точки B отверстие будет вырезать то четное, то нечетное число зон Френеля.

Благодаря этому на экране мы увидим дифракционную картину от круглого отверстия в виде светлых и темных колец.

Примером второго вида дифракции (дифракции Фраунгофера) является дифракция параллельных лучей на одной щели. Щелью называют длинное и узкое отверстие в непрозрачном экране со строго параллельными краями, ширина которого значительно меньше длины.

Рис. 3.5.5.

Свет падает параллельным пучком перпендикулярно ще­ли, так что колебания всех точек щели совершаются в одинаковой фазе. Лучи, дифрагирующие под углом j, будут собраны линзой в точке Bэкрана и интерферируют.

При j = 0 все волны придут в точку О в одинаковой фазе и усилят друг друга ; на экране появится светлая полоса – центральный максимум.

Чтобы определить результат интерференции в точке B при j ¹ 0 , разобьем открытый участок волновой поверхности (ширину щели) на ряд зон Френеля. В данном случае они представляют собой узкие полоски, параллельные краям щели.

Проведем через точку А плоскость АD, перпендикулярную пучку дифрагирующих лучей.

Оптические пути лучей от АDдо точки Bодинаковы, поэтому разность хода СD крайних лучей равна:

D = а sin j. (3.5.1)

Зоны Френеля делят D на соответствующее число участков.

Каждой точке в нечетной зоне Френеля соответствует точка в четной зоне, колебания которой приходят в точку B в противофазе.

Следовательно, в точке B, для которой в ширине щели укладывается четное число зон Френеля, волны гасят друг друга и на экране в этом месте будет темная полоса.

Т.о., условием минимума для одной щели будет:

, , (3.5.2)

В тех направлениях, для которых на ширине щели умещается нечетное число зон, будет наблюдаться наибольшая интенсивность света. Т.е., дифракционные максимумы наблюдаются в направлениях, определяемых условием :

, ,… (3.5.3)

k – порядок дифракционного максимума.

Распределение интенсивности света при дифракции на одной щели показано на рис. 3.5.5.

Итак, при освещении щели монохроматическим светом дифракционная картина представляет собой систему максимумов, симметричных относительно середины центрального максимума с быстрым убыванием интенсивности.

В случае освещения щели белым светом центральный максимум будет общим для всех длин волны, поэтому центр дифракционной картины – белая полоса .

Максимумы остальных порядков для разных длин волн уже не совпадают. Благодаря этому максимумы настолько расплывчаты, что сколько-нибудь отчетливого разделения длин волн (спектрального разложения) при помощи одной щели получить нельзя.

Рассмотрим более сложную дифракцию от двух щелей. В точке О по-прежнему будет светлая полоса (лучи от всех щелей приходят в одинаковой фазе).

В точке B на дифракционную картину от одной щели будет накладываться интерференция лучей, идущих от соответственных точек двух щелей. Минимумы будут на прежних местах, ибо те направления, по которым ни одна щель не посылает света, не получает его и при двух щелях.

Рис. 3.5.6.

Кроме этих минимумов возникают дополнительные минимумы в тех направлениях, в которых свет, посылаемый каждой из щелей, взаимно уничтожается. Из рис. 3.5.6 видно, что разность хода лучей D, идущих от соответствующих точек щелей, равна

. (3.5.4)

Дополнительные минимумы поэтому определяются условием:

; (3.5.5)

Наоборот, в направлениях, где

, (3.5.6)

наблюдаются максимумы.

Из рис. 3.5.6 видно, что между двумя главными максимумами располагается один дополнительный минимум.

Итак, рассмотрение дифракции на двух щелях показывает, что в этом случае максимумы становятся более узкими и интенсивными.

Увеличение числа щелей делает это явление еще более отчетливым; интенсивность главных максимумов растет, а интенсивность побочных – падает.

Систему большого числа параллельных щелей называют дифракционной решеткой.

Рис. 3.5.7.

Простейшая дифракционная решетка – это стеклянная пластинка, на которой с помощью делительной машины нанесены параллельные штрихи, непрозрачные для света.

Дифракционная картина от монохроматического света, прошедшего дифракционную решетку, наблюдается в фокальной плоскости линзы и представляет собой ряд светлых узких полос убывающей интенсивности, расположенных по обе стороны от центрального максимума k = 0 и разделенных широкими темными промежутками.

В случае если решетка освещена белым светом, лучи с различной длиной волны собираются в разных местах экрана. Поэтому центральный максимум имеет вид белой полосы, а остальные представляют собой окрашенные полоски, называемые дифракционными максимумами.

Рис. 3.5.8.

В пределах каждого спектра окраска меняется от фиолетовой до красной. По мере увеличения порядка спектра последний становится шире, но интенсивность его уменьшается.

Соотношение, определяющее положения главных максимумов

, (3.5.7)

где d – постоянная решетки, – порядок максимума (спектра), называется формулой дифракционной решетки.

Эта формула позволяет определить длину световой волны по известному периоду решетки d, порядку спектра и экспериментальному углу j.

Следовательно, с помощью дифракционной решетки можно разлагать свет на составные части и определять состав исследуемого излучения (определять длину волны и интенсивность всех его компонентов).

Применяемые для этого приборы называются дифракционными спектрографами.

Описание оборудования

Приборы и принадлежности: осветитель, дифракционная решетка, экран с миллиметровым масштабом, измерительная линейка.

Рис. 3.5.9.

Для определения длины волны света с помощью дифракционной решетки на специальной рейке укрепляется решетка P и щель; штрихи решетки и щель располагаются параллельно. Щель освещается источником S.

Перпендикулярно к оси рейки укрепляется миллиметровая линейка AB с подвижным указателем. Щель рассматривается через решетку глазом. На линейку проектируется изображение главных максимумов. На рис.

8 L – расстояние от дифракционной решетки до экрана, храсстояние между серединами полос одного и того же цвета для спектров первого и второго порядка.

Порядок работы

1.Включить осветитель в сеть.

2.Установить экран на заданном расстоянии L от дифракционной решетки.

3. Замерить расстояние x между полосами заданного цвета в спектре первого порядка x1 и второго порядка x2. Проделать аналогичные измерения и вычисления для другого заданного цвета.

Обработка результатов

Для определения длины волны l по формуле (3.5.7)

необходимо учесть, что поскольку L >> х, то и тогда

и , (3.5.8)

где k – порядок спектра, а постоянная решетки d = 0,01 мм. Вычислить среднее значение длины волны каждого цвета из двух значений, полученных из спектров первого и второго порядков. Сравнить полученные результаты с табличными значениями.

Контрольные вопросы

1. Что такое дифракция света?

2. В чем состоит метод Гюйгенса – Френеля и что такое зоны Френеля?

3. Как происходит дифракция в сходящихся лучах?

4. Как происходит дифракция в параллельных лучах (на одной щели)?

5. Почему нулевой максимум имеет наибольшую яркость? Почему он белый (при освещении белым светом)?

6. Как происходит дифракция в параллельных лучах на двух щелях?

7. Что такое дифракционная решетка и постоянная дифракционной решетки?

8. Какова причина возникновения дисперсии (спектра) света при использовании дифракционной решетки?

9. Выведите рабочую формулу.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.Учеб. пособие для студентов втузов. – М.: КНОРУС, 2009, 576 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособ. для вузов.- 15-е изд., стереотип. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб пособие для втузов. – М: Высш. Шк., 1989. – 608 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.6

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы:экспериментальная проверка закона Малюса.

Теоретические положения

Поляризация света

Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны. Векторы напряженности электрического и магнитного поля ( и ) в каждый момент времени взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны (рис. 3.6.1).

Рис. 3.6.1.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся, за время около 10-7 – 10-8 секунд, элементарных источников (атомов и молекул), каждый из которых испускает волны с определенной ориентацией векторов и . Но элементарные источники испускают свет совершенно независимо друг от друга с разными фазами и с разной ориентацией векторов и .

Световая волна с различной ориентацией , а, следовательно, и , называетсяестественным светом.

Векторы и в каждой точке волны пропорциональны по величине друг другу, поэтому состояние световой волны можно характеризовать значением одного из этих векторов, а именно .

Последнее целесообразно, поскольку именно вектор определяет фотоэлектрическое, фотографическое, зрительное и т. д. действия света.

Рис. 3.6.2.

В естественном луче колебания вектора беспорядочно меняют направления, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 3.6.2 а).

Если какое – либо направление колебаний является преимущественным, то свет называется частично-поляризованным (рис. 3.6.2 б).

Если колебания вектора могут совершаться лишь в одном определенном направлении в пространстве, то свет называется плоскополяризованным (рис. 3.6.2 в).

Если же в плоскополяризованном луче колебания вектора совершаются так, что его конец описывает круг, то свет называется поляризованным по кругу (рис. 3.6.2 г).

В плоскополяризованном луче плоскость колебаний вектора называется плоскостью колебаний.

Плоскость, проходящая через луч и вектор , называется плоскостью поляризации.

Схематически естественный и плоско поляризованный луч можно изображать, как показано на рис. 3.6.3.

Существует несколько способов поляризации света. Приведем некоторые основные из них.

Рис. 3.6.3.

Источник: https://cyberpedia.su/9xd8a8.html

Урок по физике

Как определить длину световой волны...

Тема: « Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки».

Цели урока: экспериментально получить дифракционный спектр и определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки;

воспитывать внимательность, доброжилательность, толерантность в процессе работи в малых группах;

развивать интерес к изучению физики.

Тип урока: урок формирования умений и навыков.

Оборудование: электрическая лампочка с прямой нитью накаливания, прибор для определениядлины световой волны, инструкция по ОТ, инструкции по выполнению лабораторной работы, компьютеры.

Методы проведения: лабораторная работа, работа в группах.

Межпредметные связи: математика, информатика ИКТ.

Все познание реального мира

исходит из опыта и завершается им

А. Эйнштейн.

Ход урока

І. Организационный момент.

  1. Сообщение темы и цели урока.

ІІ.1. Актуализация опорных знаний. Опрос обучающихся (Дополнение 1).

  1. Выполнение лабораторной работы.

Обучающимся предлагается измерять длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Обучающиеся объединяются в малые группы (по 4-5 человек) и вместе выполняют лабораторную работу согласно инструкции. С помощью компьютерной программы Excel делают вычисления и результаты работы заносят в таблицу (в программе Word).

Критерии оценивания:

Команда, выполнившая задание первой, получает – оценку 5;

второй – оценку 4;

третьей – оценку 3

  1. Правила безопасности жизнедеятельности во время выполнения работы.

  2. Работа в группах под руководством преподавателя.

  3. Обобщение и систематизация обучающимися результатов работы.

Результат работы заносится в таблицу на компьютере (Дополнение 2) .

ІІІ.

  1. Подведение итогов. Сравнить полученные результаты с табличными данными. Сделать выводы.

  2. Рефлексия.

  1. Всё ли получилось так, как я задумывал?

  2. Что было сделано хорошо?

  3. Что было сделано плохо?

  4. Что было выполнить легко, а что оказалось неожиданно трудно?

  5. Работа в малой группе мне помогла или создала дополнительные трудности?

VI.Домашнее задание.

  1. Оформить работу.

  2. Повторить теоретический материал по теме «Интерференция и дифракция света».

  3. Составить кроссворд по теме «Свойства электромагнитных волн».

Дополнение 1

1. Что такое свет?

2. Из чего состоит белый свет?

3. Почему свет называется видимым излучением?

4. Как разложить белый свет в цветной спектр?

5. Что такое дифракционная решетка?

6. Что можно измерить с помощью дифракционной решетки?

7. Могут ли две разноцветные световые волны, например красного и зеленого излучений, иметь одинаковые длины волн?

8. А в одной среде?

Дополнение 2

Красный

10-7 м

Оранжевый

10-7м

Желтый

10-7м

Зеленый

10-7м

Голубой

10-7м

Синий

10-7м

Фиолетовый

10-7м

Лабораторная работа

Тема: Измерение длины световой волны.

Цель работы: измерить длину волны красного и фиолетового цветов, сравнить полученные значения с табличными.

Оборудование: электрическая лампочка с прямой нитью накаливания, прибор для определениядлины световой волны.

Теоретическая часть

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке.

Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой.

На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.

Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.

Рис. 1

Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k,где d — период решетки; k — порядок спектра; φ — угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a.Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь — по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Рис. 2

Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka

В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета. 

Работу можно выполнять используя инструкции №2 или №2

Инструкция №1

Ход работы

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

2. Соберите измерительную установку, установите экран на расстоянии 50 см от решетки.

3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.

4. Вычислите длину волны красного цвета в спектре 1-го порядка справа и слева от щели в экране, определите среднее значение результатов измерения.

5. Проделайте то же для других цветов.

6. Сравните полученные результаты с табличными длинами волн.

Инструкция № 2

Ход работы

  1. Измерьте расстояние b до соответствующего цвета в спектре первого по строке влево и вправо от центрального максимума. Измерьте от-стань а от дифракционной решетки до экрана (см.рисунок 2).

  2. Определите или рассчитайте период решетки d.

  3. Вычислите длину света для каждого из семи цветов спектра.

  4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

Цвет

b,слева,м

b ,справа,м

b,среднее,м

а

Порядок

спектра k

Период решетки

d

Измеренное λ, нм

Фиолетовый

Синий

Голубой

Зеленый

Жёлтый

Оранжевый

Красный

4. Вычислите относительную погрешность эксперимента для каждого цвета по формуле

Результаты вычислений занесите в таблицу:

Цвет

Измеренное

λ, нм

Табличное значение

λ, нм

Среднее табличное

значение

λсер,, нм

ε ,%

Фиолетовый

Синий

Голубой

Зеленый

Жёлтый

Оранжевый

Красный

5. Сделайте выводы из работы.

Примерные области, которые занимают отдельные цвета видимого спектра

Красный

7,7 — 6,2*10-7 м

Оранжевый

6,2 – 5,85*10-7м

Желтый

5,85 – 5,75*10-7м

Зеленый

5,75 – 5,1*10-7м

Голубой

5,1- 4,8*10-7м

Синий

4,8 – 4,5*10-7м

Фиолетовый

4,5 – 3,8*10-7м

Источник: https://infourok.ru/urok-po-fizike-izmerenie-dlini-svetovoy-volni-s-pomoschyu-difrakcionnoy-reshetki-2278258.html

Лабораторная работа Определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки

Как определить длину световой волны...

Лабораторная работа № 43

Раздел 5. Оптика

Тема 5.2. Волновые свойства света

Название лабораторной работы: определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки

Учебная цель: получить дифракционный спектр, определить длины световых волн разного цвета

Учебные задачи: наблюдать интерференционную картину, получить спектры первого и второго порядков, определить видимые границы спектра фиолетового света и красного света, вычислить их длины волн.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: измерять длину световой волны, делать выводы на основе экспериментальных данных

знать: устройство дифракционной решётки, период решётки, условия образования максимумов

Обеспеченность занятия

— методические указания по выполнению лабораторного занятия

— лабораторная тетрадь, карандаш, линейка, прибор для определения длины световой волны, подставка для прибора, дифракционная решётка, источник света.

Порядок проведения занятия: работа индивидуальная

Теоретическое обоснование 

Параллельный пучок света, проходя через дифракционную решётку, вследствие дифракции за решёткой, распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На экране, установленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать интерференционную картину. Максимумы света наблюдаются в точках экрана. Для которых выполняется условие: = n (1)

 — разность хода волн;  — длина световой волны, n – номер максимума. Центральный максимум называют нулевым: для него  = 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков.

Условие возникновения максимума (1) можно записать иначе: n = dSin

Рисунок 1

Здесь d – период дифракционной решётки,  — угол, под которым виден

световой максимум (угол дифракции). Так как углы дифракции малы, то для них можно принять Sin  = tg , а tg  = a/b рисунок 1, поэтому n = dа/ b (2)

Эту формулу используют для определения длины световой волны.

В результате измерений было установлено, что для красного света λкр = 8 • 10-7 м, а для фиолетового — λф = 4 • 10-7 м.

В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн

Анализ формулы (1) показывает, сто положение световых максимумов зависит от длины волны монохроматического света: чем больше длина волны. Тем дальше максимум от нулевого.

Белый свет по составу – сложный. Нулевой максимум для него — белая полоса, а максимумы высших порядков представляют собой набор цветных

полос, совокупность которых называют спектром  и  рисунок 2

Рисунок 2

Прибор состоит из бруска со шкалой 1, стержнем 2, винта 3 (можно регулировать брусок под разными углами). Вдоль бруска в боковых пазах можно перемещать ползунок 4 с экраном 5. К концу бруска прикреплена рамка 6, в которую вставляют дифракционную решётку, рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 3 дифракционная решётка

Дифракционная решётка разлагает свет в спектр и позволяет точно определить длины световых волн

Рисунок 5

Порядок выполнения работы

  1. Собрать установку, рисунок 6

  2. Установить источник света, включить его.

  3. Смотря через дифракционную решётку, направить прибор на лампу так, чтобы через окно экрана прибора была видна нить лампы

  4. Экран установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решётки.

  5. Измерить по шкале бруска расстояние «b от экрана прибора до дифракционной решётки.

  6. Определить расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана до середины фиолетовой полосы как слева «ал», так и справа «ап» для спектров  порядка, рисунок 4 и вычислить среднее значение, а ср

  7. Опыт повторить со спектром  порядка.

  8. Такие же измерения выполнить для красных полос дифракционного спектра.

  9. Вычислить по формуле (2) длину волны фиолетового света для спектров  и  порядков, длину волны красного света  и  порядков.

  10. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1

  11. Рассчитать погрешности определения длин волн

  12. Сделать вывод

Таблица №1

№ опытаПериод дифракционнойрешётки d ммПорядок спектраnРасстояние отдифракционнойрешётки до экранаb ммВидимыеГраницы спектра фиолетовогосветаВидимыеГраницы спектра красногосветаДлина световойволны
Слеваал, ммСправаап, ммСреднееа ср, ммСлеваал, ммСправаап, ммСреднееа ср, ммКрасногоИзлучения к, ммФиолетовогоИзлучения ф, мм

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторному занятию

  1. Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а максимум высших порядков – набор цветных полос?

  2. Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?

  3. В каких точках экрана получаются , ,  максимумы?

  4. Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?

  5. В каких точках экрана получается световой минимум?

  6. Чему равна разность хода светового излучения (= 0,49 мкм), дающего 2-й максимум в дифракционном спектре? Определите частоту этого излучения

  7. Дифракционная решётка и её параметры.

  8. Определения интерференции и дифракции света.

  9. Условия максимумов света от дифракционной решётки.

  1. По окончанию практической работы студент должен представить: — Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.
    Список литературы: 

  2. В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2016

  3. Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000

  4. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями

О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2015

Источник: https://multiurok.ru/files/laboratornaia-rabota-opredelenie-dliny-svetovoi-vo.html

Biz-books
Добавить комментарий