物理实验报告5 测量单缝衍射的光强分布.doc

物理实验报告5_测量单缝衍射的光强分布实验名称:测量单缝衍射的光强分布
实验目的:
;
;
;
实验仪器:
导轨、激光电源、激光器、单缝二维调节架、小孔屏、一维光强测量装置、WJH型数字式检流计。
实验原理和方法:
光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物,改变光的直线传播,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,就能观察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。本实验只研究夫琅和费衍射。理想的夫琅和费衍射,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:
或
式中:a为狭缝宽度;L为狭缝与屏之间的距离;为入射光的波长。
可以对L的取值范围进行估算:实验时,若取,入射光是激光,,,所以只要取,就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但实验证明,取,结果较为理想。
b. 根据惠更斯-费涅耳原理,可导出单缝衍射的相对光强分布规律:
式中:
暗纹条件:由上式知,暗条纹即出现在
,,…
即暗纹条件为
,,,…
明纹条件:求为极值的各处,即可得出明纹条件。令
推得
此为超越函数,同图解法求得:
,,,,…
即,,,,…
可见,用菲涅耳波带法求出的明纹条件
,,2,3,…
只是近似准确的。
单缝衍射的相对光强分布曲线如下图所示,图中各级极大的位置和相应的光强如下:
0
c. 应用单缝衍射的公式计算单缝缝宽
由暗纹条件:
并由图有:
由于很小,所以
令(b为两相邻暗纹间距),则
(或,为中央明纹半宽度)
由此可见,条纹间距b正比于L和,反比于缝宽a。由实验曲线测出b(取平均值),即可算出缝宽a。
d. 实验证明,若将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝,屏上夫琅和费花样和同样宽度的单缝衍射花样是一样的,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。
实验内容和步骤:
实验主要内容是观察单缝衍射现象,测量单缝衍射的光强分布,并计算出缝宽。
实验中用硅光电池作光强的测量器件。硅光电池能直接变为电能,在一定的光照范围内,光电池的光电流与光照强度成正比。本实验用的是WJH型数字式检流计,以数字显示来检测光电流。它是采用低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流进行处理,从而将光强以数字显示出来。
,先目测粗调,使各光学元件同轴等高,要注意将激光器调平;
,加上本实验采用的是方向性很好,发散角的激光作为光源,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和。;
,使激光垂直照射于单缝的刀口上,利用小孔屏调好光路,须特别注意的是:观察时不要正对电源,以免灼伤眼睛。
,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)。调节调零旋钮,使数据显示器显示“-000