衍射光强的实验教案.doc

单缝衍射光强分布研究教学目的 1、观察单缝衍射现象,加深对衍射理论的理解; 2、学会使用衍射光强实验系统,并能用其测定单缝衍射的光强分布; 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。重点: SGS-3 型衍射光强实验系统的调整和使用难点: 1)激光光线与光电仪接收管共轴调节; 2)光传感器增益度的正确调整讲授、讨论、实验演示相结合 3学时一、实验简介光的衍射现象是光的波动性的一种表现。衍射现象的存在,深刻说明了光子的运动是受测不准关系制约的。因此研究光的衍射,不仅有助于加深对光的本性的理解,也是近代光学技术(如光谱分析,晶体分析,全息分析,光学信息处理等)的实验基础。衍射导致光强在空间的重新分布,利用光电传感元件探测光强的相对变化,是近代技术中常用的光强测量方法之一。二、实验目的 1、学会 SGS-3 型衍射光强实验系统的调整和使用方法; 2、观察单缝衍射现象,研究其光强分布,加深对衍射理论的理解; 3、学会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布,掌握其分布规律; 4、学会用衍射法测量狭缝的宽度。三、实验原理 1、单缝衍射的光强分布当光在传播过程中经过障碍物时,如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等, 一部分光会传播到几何阴影中去,产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近,那么这样的衍射现象就比较容易观察到。单缝衍射[ single-slit diffraction ]有两种:一种是菲涅耳衍射[ Fresnel diffraction ],单缝距离光源和接收屏[ receiving screen ]均为有限远[ near field ],或者说入射波和衍射波都是球面波;另一种是夫琅禾费衍射[ Fraunhofer diffraction ],单缝距离光源和接收屏均为无限远[ far field ]或相当于无限远,即入射波和衍射波都可看作是平面波。在用散射角[ scattering angle ]极小的激光器( < )产生激光束[ laser beam ], 通过一条很细的狭缝( ~ 宽), 在狭缝后大于 的地方放上观察屏, 就可以看到衍射条纹,它实际上就是夫琅禾费衍射条纹,如图 1所示。当激光照射在单缝上时,根据惠更斯—菲涅耳原理[ Huygens-Fresnel principle ],单缝上每一点都可看成是向各个方向发射球面子波的新波源。由于子波迭加的结果,在屏上可以得到一组平行于单缝的明暗相间的条纹。激光的方向性强,可视为平行光束。宽度为 d 的单缝产生的夫琅禾费衍射图样[ pattern ],其衍射光路图满足近似条件: D x???? sin?? dD ??产生暗条纹[ dark fringes ]的条件是: ??kd? sin???,3,2,1????k ( 1) 暗条纹的中心位置为: d Dkx ??( 2) 两相邻暗纹之间的中心是明纹次极大的中心[ center of bright fringes ]。由理论计算可得,垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布[ intensity distribution of light ]的规律为: 式中, d 是狭缝宽[ width ],?是波长[ wavelength ], D 是单缝位置到光电池[ photocelll ]位置的距离, x 是从衍射条纹的中心位置到测量点之间的距离,其光强分布如图 2所示。当?相同,即 x 相同时,光强相同,所以在屏上得到的光强相同的图样是平行于狭缝的条纹。当 0??时, 2 20 sin ??II? d?D x 屏亮暗图1???? sin d?(3)x 2x 1x 1 0 Ix ( ) 10 10 ? x图2 2 20 sin ??II??????2? 0x?, 0 I I ?,在整个衍射图样中,此处光强最强,称为中央主极大[ central main maximum ];中央明纹最亮、最宽,它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍。当???,2,1????kk??,即d Dkx ??时,0I?,在这些地方为暗条纹。暗条纹是以光轴为对称轴,呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度 x?可用 1??k 的两条暗条纹间的间距确定, 2Dxd ?? ?;某一级暗条纹的位置与缝宽 d 成反比, d 大,x 小,各级衍射条纹向中央收缩;当d 宽到一定程度,衍射现象便不再明显,只能看到中央位置有一条亮线,这时可以认为光线是沿几何直线传播的。次极大[ secondary maximum ]明纹与中央明纹的相对光强分别为: 2、衍射障碍宽度 d 的测量由以上分析,如已知光波长?,可得单缝的宽度计算公式为 x Dkd ??(5) 因此,如果测到了第 k 级暗条纹的位置 x ,用光的衍射可以测量细缝