物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告5測(cè)量單縫衍射的光強(qiáng)分布

實(shí)驗(yàn)名稱：丈量單縫衍射的光強(qiáng)散布實(shí)驗(yàn)?zāi)康模篴．察看單縫衍射現(xiàn)象及其特色；b．丈量單縫衍射的光強(qiáng)散布；c．應(yīng)用單縫衍射的規(guī)律計(jì)算單縫縫寬；實(shí)驗(yàn)儀器：導(dǎo)軌、激光電源、激光器、單縫二維調(diào)理架、小孔屏、一維光強(qiáng)丈量裝置、WJH型數(shù)字式檢流計(jì)。實(shí)驗(yàn)原理和方法：光在流傳過程中碰到阻礙物時(shí)將繞過阻礙物，改變光的直線流傳，稱為光的衍射。當(dāng)阻礙物的大小與光的波長(zhǎng)大得不多時(shí)，如狹縫、小孔、小圓屏、毛發(fā)、細(xì)針、金屬絲等，就能察看到顯然的光的衍射現(xiàn)象，亦即光芒偏離直線行程的現(xiàn)象。光的衍射分為夫瑯和費(fèi)衍射與費(fèi)涅耳衍射，亦稱為遠(yuǎn)場(chǎng)衍射與近場(chǎng)衍射。本實(shí)驗(yàn)只研究夫瑯和費(fèi)衍射。理想的夫瑯和費(fèi)衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。單縫的夫瑯和費(fèi)衍射光路圖以下列圖所示。理論上能夠證明只需知足以下條件，單縫衍射就處于夫瑯和費(fèi)衍射地區(qū)：a2a2或L88L式中：a為狹縫寬度；L為狹縫與屏之間的距離；為入射光的波長(zhǎng)。能夠?qū)的取值范圍進(jìn)行估量：實(shí)驗(yàn)時(shí)，若取a1104m，入射光是HeNe激光，其波長(zhǎng)為，a21.6cm2cm，因此只需取L20cm，便可知足夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。但實(shí)考證明，取L50cm，結(jié)果較為理想。依據(jù)惠更斯－費(fèi)涅耳原理，可導(dǎo)出單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)散布規(guī)律：(sinu/u)2I0式中：u(asin)/暗紋條件：由上式知，暗條紋即I0出此刻u(asin)/，2，即暗紋條件為asink，k1，k2，明紋條件：求I為極值的各處，即可得出明紋條件。令d(sin2u/u2)0duutanu推得此為超越函數(shù)，同圖解法求得：u0，1.43，2.46，3.47，即asin0，1.43，2.46，3.47，可見，用菲涅耳波帶法求出的明紋條件asin(2k1)/2，k1，2，3，不過近似正確的。單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)散布曲線以下列圖所示，圖中各級(jí)極大的地點(diǎn)和相應(yīng)的光強(qiáng)以下：sin01.43/a2.46/a3.47/aII00.047I00.017I0.0.018I0應(yīng)用單縫衍射的公式計(jì)算單縫縫寬由暗紋條件：asink并由圖有：XkLtank因?yàn)楹苄?，因此XkLkkL/a令bXk1XkL/a（b為兩相鄰暗紋間距），則aL/b（或aL/X1，X1為中央明紋半寬度）因而可知，條紋間距b正比于L和，反比于縫寬a。由實(shí)驗(yàn)曲線測(cè)出b（取均勻值），即可算出縫寬a。實(shí)考證明，若將單縫衍射的光路圖中的單縫換成金屬細(xì)絲，屏上夫瑯和費(fèi)花式和相同寬度的單縫衍射花式是相同的，故只需將單縫寬度a用金屬細(xì)絲直徑d取代，便可完整應(yīng)用以上的理論和公式。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟：實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容是察看單縫衍射現(xiàn)象，丈量單縫衍射的光強(qiáng)散布，并計(jì)算出縫寬a。實(shí)驗(yàn)頂用硅光電池作光強(qiáng)I光電池的光電流i與光照強(qiáng)度I

的丈量器件。硅光電池能直接變成電能，在必定的光照范圍內(nèi)，成正比。本實(shí)驗(yàn)用的是WJH型數(shù)字式檢流計(jì)，以數(shù)字顯示來檢測(cè)光電流。它是采納低漂移運(yùn)算放大器、模/數(shù)變換器和發(fā)光數(shù)碼管將光電流a進(jìn)行辦理，從而將光強(qiáng)I以數(shù)字顯示出來。a．按下列圖接好實(shí)驗(yàn)儀器，先目測(cè)粗調(diào)，使各光學(xué)元件同軸等高，要注意將激光器調(diào)平；b．激光器與單縫之間的距離以及單縫與一維光強(qiáng)丈量裝置之間的距離均置為50cm左右，加上本實(shí)驗(yàn)采納的是方向性很好，發(fā)散角1103~1105rad的HeNe激光作為光源，這樣可知足夫瑯和費(fèi)衍射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，進(jìn)而可省去單縫前后的透鏡L1和L2。；c．點(diǎn)亮HeNe激光器，使激光垂直照耀于單縫的刀口上，利用小孔屏調(diào)好光路，須特別注意的是：察看時(shí)不要正對(duì)電源，免得灼傷眼睛。d．將WJH接上電源開機(jī)預(yù)熱15min，將量程選擇開關(guān)置I檔，衰減旋鈕置校準(zhǔn)為止（順時(shí)針旋究竟，即敏捷度最高）。調(diào)理調(diào)零旋鈕，使數(shù)據(jù)顯示器顯示“-000”（負(fù)號(hào)閃耀）。此后在丈量過程中假如數(shù)碼管顯示“999”，此為超量程知識(shí)，可將量程調(diào)高一檔。假如數(shù)字顯示小于190，且小數(shù)點(diǎn)不在第一位時(shí)，可將量程減少一檔，以充分利用儀器分辨率。e.將小孔屏置于光強(qiáng)丈量裝置以前，調(diào)二維調(diào)理架，選擇所需的單縫縫寬

a，察看小孔屏上的衍射花紋，使它由寬變窄及由窄變寬重復(fù)幾次，一方面察看在調(diào)理過程中小孔屏上的各樣現(xiàn)象和變化規(guī)律，另一方面調(diào)理各元件，使小孔屏上的衍射圖像清楚、對(duì)稱、條紋間距適合，以便丈量。這一步是丈量成效能否理想的重點(diǎn)。移去小孔屏，調(diào)整一維光強(qiáng)丈量裝置，使光電探頭中心與激光束高度一致，挪動(dòng)方向與激光束垂直，開端地點(diǎn)適合。關(guān)掉激光電源，記下本底讀數(shù)（即初讀數(shù)）再翻開激光電源，開始丈量。為除去空程，減小偏差，應(yīng)轉(zhuǎn)著手輪使光電探頭單方向挪動(dòng)，即沿衍射圖像的睜開方向（X軸方向），從左向右或從右向左，每次挪動(dòng)0.200mm，單向、逐點(diǎn)記下衍射圖像的地點(diǎn)坐標(biāo)X和相應(yīng)的光強(qiáng)。在座標(biāo)格子上以橫軸為距離，縱軸為光強(qiáng)，將記錄下來的數(shù)值（減去初讀數(shù)）描述出來。就得單縫衍射的光強(qiáng)散布圖。若以光強(qiáng)最大值I0除各數(shù)值，也可得出單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)散布圖。i.測(cè)出狹縫到硅光電池的距離L，并從光強(qiáng)散布圖上測(cè)出b（多測(cè)幾個(gè)，取均勻值）或X1，算出狹縫縫寬a。j.用讀數(shù)顯微鏡直接測(cè)出縫寬，測(cè)5次，取均勻值，與衍射丈量結(jié)果比較，求相對(duì)偏差。參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄：見附表數(shù)據(jù)辦理：650nm6.50107m16.200mm12.800mmmm3m中央明紋半寬度為：X121.7001.710則：aL/X10.5m6.50107m1.91104m1.7103m思慮題：1．當(dāng)縫寬增添一倍時(shí)，衍射花式的光強(qiáng)和條紋寬度將會(huì)如何改變?nèi)缈p寬減半，又如何改變答：由aL/b可知，當(dāng)a增添一倍時(shí)，L、保持不變，b變成本來的1/2，光強(qiáng)增添，條紋變細(xì)。當(dāng)a減半時(shí)，b變成本來的兩倍，光強(qiáng)減弱，條紋變寬。2．激光輸出的光強(qiáng)若有改動(dòng)，對(duì)單縫衍射圖像和光強(qiáng)散布曲線有無影響有何影響答：激光輸出的光強(qiáng)增大時(shí)，衍射圖像明紋變亮，光強(qiáng)散布曲線變