實(shí)驗(yàn)二+光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)二 光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)衍射和干涉一樣，也是波動(dòng)的重要特征之一。波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，能夠繞過(guò)障礙物的邊緣前進(jìn)。這種偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為波的衍射現(xiàn)象。波的衍射現(xiàn)象可以用惠更斯原理作定性說(shuō)明，但不能解釋光的衍射圖樣中光強(qiáng)的分布。菲涅耳發(fā)展了惠更斯原理，為衍射理論奠定了基礎(chǔ)。菲涅耳假定：波在傳播過(guò)程中，從同一波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的子波，經(jīng)傳播而在空間相遇時(shí)，產(chǎn)生相干疊加。這個(gè)發(fā)展了的惠更斯原理稱為惠更斯菲涅耳原理【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?研究單縫夫瑯禾費(fèi)衍射的光強(qiáng)分布;2測(cè)定單縫衍射光強(qiáng)分布，加深對(duì)衍射理論的了解;3學(xué)習(xí)使用光電元件進(jìn)行光強(qiáng)相對(duì)測(cè)量的方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】縫元件、光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌、半導(dǎo)體激光器、激

2、光功率指示計(jì)、白屏、大一維位移架、十二檔光探頭?！緦?shí)驗(yàn)原理】（一）產(chǎn)生夫瑯禾費(fèi)衍射的各種光路夫瑯禾費(fèi)衍射的定義是：當(dāng)光源 S 和接收屏 S 都距離衍射屏 D 無(wú)限遠(yuǎn)（或相當(dāng)于無(wú)限遠(yuǎn)）時(shí)，在接收屏處由光源及衍射屏產(chǎn)生的衍射為夫瑯禾費(fèi)衍射。但是把S和S放在無(wú)限遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)上是辦不到的。在實(shí)驗(yàn)中常常借助于正透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際接收夫瑯和費(fèi)衍射的裝置有下列兩種。1焦面接收裝置（以單縫衍射為例來(lái)說(shuō)明，下同）afsL1DL2SqP0Pq圖1把點(diǎn)光源 S 放在凸透鏡 L1 的前焦點(diǎn)上，在凸透鏡 L2 的后焦面上接收衍射場(chǎng)（圖1）2遠(yuǎn)場(chǎng)接收裝置在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，狹縫前后也可以不用透鏡，而獲得夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣。遠(yuǎn)場(chǎng)條件

3、是： 光源離狹縫很遠(yuǎn)，即，其中 R 為光源到狹縫的距離， a 為狹縫的寬度； 接收屏離狹縫足夠遠(yuǎn)，即， Z 為狹縫與接收屏的距離。（至于觀察點(diǎn) P ，在的條件下，只要要求 P 滿足近軸條件。）圖2為遠(yuǎn)場(chǎng)接收的光路，其中假定一束平行光垂直投射在衍射屏上。圖2如圖1所示，從光源 S 出發(fā)經(jīng)透鏡 L1 形成的平行光束垂直照射到縫寬為 a 的狹縫 D 上，根據(jù)惠更斯菲涅耳原理，狹縫上各點(diǎn)都可看成是發(fā)射子波的新波源，子波在 L2 的后焦面上疊加形成一組明暗相間的條紋，中央條紋最亮亦最寬。aZDSqP0Pq圖2（二）夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣的規(guī)律1單縫的夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)中以半導(dǎo)體激光器作光源。由于激光束具有良好的

4、方向性，平行度很高，因而可省去準(zhǔn)直透鏡 L1 。并且，若使觀察屏遠(yuǎn)離狹縫，縫的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縫到屏的距離（即滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件），則透鏡 L2 也可省略。簡(jiǎn)化后的光路如圖3所示。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Z約等于100cm，a約等于8´10-3cm時(shí)，便可以得到比較滿意的衍射花樣。圖3中，設(shè)屏幕上 P0 （ P0 位于光軸上）處是中央亮條紋的中心，其光強(qiáng)為 I0 ，屏幕上與光軸成 q角（ q 在光軸上方為正，下方為負(fù)）的 Pq 處的光強(qiáng)為 Iq ，則理論計(jì)算得出：zaDSqP0Pq圖3 （1）其中：式中 q 為衍射角， l 為單色光的波長(zhǎng)， a 為狹縫寬度，由式（1）可以得到：（1）當(dāng) 即（）時(shí)，光強(qiáng)最大

5、，稱為中央主極大。在其他條件不變的情況下，此光強(qiáng)最大值 I0 與狹縫寬度 a 的平方成正比。（2）當(dāng)時(shí)（k = ±1, ±2, ±3），出現(xiàn)暗條紋。在 q 很小時(shí)，可以用 q 代替sinq。因此，暗紋出現(xiàn)在的方向上。顯然，主極大兩側(cè)兩暗紋之間的角距離，為其他相鄰暗紋之間角距離的兩倍。（3）除了中央主極強(qiáng)以外，兩相鄰暗紋之間都有一次極強(qiáng)出現(xiàn)在位置上，要求 b 值為：±1.43p，±2.46p，±3.47p，對(duì)應(yīng)的sinq 值，各次極強(qiáng)的強(qiáng)度依次為0.047 I0，0.017 I0，0.008 I0。-p-2p-3pp2p3p1Iq/I0

6、b0.0470.0170.0080.0470.0170.0081.43p2.46p3.47p-1.43p-2.46p-3.47p圖4以上是單縫夫瑯禾費(fèi)衍射的理論結(jié)果，其光強(qiáng)分布曲線如圖4所示。2測(cè)量光強(qiáng)的元件光電池光電池是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的元件，常用的光電池有硒光電池和硅光電池兩種。如果把功率指示計(jì)連接到光電池的兩極，同時(shí)用光照射光電池表面，電路中就會(huì)有光電流。在照度不太大時(shí)，光電流與入射光通量成正比，叫做線性響應(yīng)。線性響應(yīng)范圍與負(fù)載電阻的阻值 Rg 有關(guān)，當(dāng) Rg 0時(shí)，可得到最大的線性響應(yīng)范圍。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要選用低內(nèi)阻的電流計(jì)?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1、將導(dǎo)軌平穩(wěn)地放置在一個(gè)堅(jiān)固的平臺(tái)上。2、將半導(dǎo)體激光器放置于導(dǎo)軌的一端，縫元件架緊靠激光器放置，將一維位移架放置在導(dǎo)軌的另一端，放上12檔光探頭并鎖緊，調(diào)節(jié)光探頭到一維位移架的中間區(qū)域。3、調(diào)整激光器指向方位和光探頭的高低，使激光準(zhǔn)確進(jìn)入探測(cè)光欄孔。4、在縫元件架上放上縫元件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將要被測(cè)的縫或光柵調(diào)入光路，在光探頭端就會(huì)出現(xiàn)一條干涉或衍射圖案。5、旋轉(zhuǎn)探頭上的光欄盤使0.2mm縫光欄進(jìn)入探測(cè)位置。6、轉(zhuǎn)動(dòng)一維位移架上的絲杠鈕，使探頭從一端向另一端進(jìn)行掃描探測(cè)，每隔0.51mm記錄一次光電流的數(shù)值。7、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出相對(duì)光強(qiáng)Iq / I0（即相對(duì)電流jq / j0）與位置 X 的關(guān)