РАБОТА № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ
Цель работы : ознакомиться с явлением дифракции света, произвести измерения и вычислить длины волн основных линий излучения паров ртути в видимой части спектра.
Оборудование : осветители, блоки питания , шкала с щелью, дифракционная решетка.
Описание метода
Дифракцией называется огибание световой волной границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям.
Пользуясь явлением дифракции света, можно с помощью дифракционной решетки измерить длину световой волны. Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных друг другу щелей равной ширины, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Расстояние между серединами соседних щелей, равное ( a + b ) = d , где b – ширина щели, a – ширина непрозрачного промежутка между щелями, называется периодом дифракционной решетки (рис. 1).
При падении на решетку плоской монохроматической световой волны каждая точка щелей становиться источником вторичных сферичных когерентных волн, распространяющихся от решетки во всех направлениях. Плоской называется волна, фронт которой представляет собой плоскость, отделяющая область, вовлеченную проходящей волной в колебательный процесс, от области пространства, до которой еще не дошла волна и не начались колебания. Если на пути волн за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы, будет наблюдаться дифракционная картина: 100%">
Если складываются лучи, идущие от разных, но не от соседних щелей, и при этом возникает разность хода, равная нечетному числу полудлин волн, то возникают добавочные минимумы. Их условие имеет вид
где N – общее число щелей дифракционной решетки,
m ¢ = 1, 2, 3,…,N – 1.
Внешне появление дополнительных минимумов проявляется в том, что дифракционная картина представляет собой широкие темные полосы, разделенные светлыми узкими линиями главных максимумов. Чем больше штрихов содержит дифракционная решетка, тем уже получаются дифракционные максимумы, тем выше разрешающая способность решетки
https://pandia.ru/text/80/046/images/image006_17.gif" width="628" height="260">
Если на решетку падает не монохроматический, а белый свет, то все главные максимумы, кроме центрального, разлагаются в спектр, и картина приобретает вид, представленный на рис. 2. Из (2) видно, что в этих спектрах красные лучи более удалены от центра, чем фиолетовые, т. к. l к > l ф .
Описание установки
https://pandia.ru/text/80/046/images/image008_12.gif" width="393" height="290">
Схема установки показана на рис. 3. Свет от источника 1, пройдя узкую щель 2 в кожухе лампы 3, падает практически параллельным пучком на дифракционную решетку 5. Наблюдается дифракционная картина глазом. При этом глаз проецирует светлые линии на шкалу 4, на которой видна дифракционная картина.
Из треугольника ABC видно, что угол дифракции j для отдельных полос можно найти из равенства
где L – расстояние от щели до дифракционной решетки; l – расстояние от максимума нулевого порядка (от щели) до интересующей нас полосы спектра.
Выполнение измерений
1. Включить осветитель с ртутной лампой, имеющей линейчатый спектр.
2. Установить дифракционную решетку по возможности дальше от щели так, чтобы отчетливо были видны спектры первого и второго порядков. Измерить расстояние L от щели до решетки. Плоскость решетки необходимо располагать перпендикулярно к световым лучам.
3. Глядя через решетку на щель, измерить по шкале расстояние от середины щели до фиолетовой линии в спектрах первого и второго порядков. Следует измерить l ’ и l ” (вправо и влево от щели). Результаты измерений занесите в таблицу.
4. Используя формулы (2) и (5), определить длину волны фиолетовых лучей. Значение периода решетки d
указано на установке.
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Порядок спектра
Влево l ¢ , мм
Вправо l ¢¢ ,мм
sin j
l i , мм
<l > , мм
Фиолетовый
Оранжевый
7. Записать окончательный результат для каждого цвета:
8. Сделать вывод, считая d l для всех цветов одинаковой. Сравнить полученные длины волн с табличными.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой дифракционная решетка?
2. Чему равен период дифракционной решетки, у которой на 1 мм нанесено 1000 штрихов?
3. Каково условие получения главных максимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?
4. Каково условие получения главных минимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?
5. Что представляют собой зоны Френеля и от чего зависит число зон Френеля, укладывающихся на плоской щели?
6. Каков наибольший порядок спектра от дифракционной решетки с периодом d = 3,5 мкм, если длина волны света l = 600 нм?
7. Как изменяется интенсивность главных максимумов с увеличением числа щелей N при дифракции от многих щелей?
8. В чем заключается дифракция света?
Лабораторная работа №6
«Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки»
Белян Л.Ф.,
учитель физики
МБОУ «СОШ № 46»
город Братск
Цель работы:
Продолжить формирование представлений о явлении дифракции.
Изучить способ определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки с известным периодом.
k =-3 k=-2 k=-1 k=0 k=1 k=2 k=3
Оборудование:
1.Линейка
2.Дифракционная решетка
3. Экран с узкой вертикальной щелью посредине
4. Источник света – лазер (монохроматический источник света)
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
а - ширина прозрачных полос
b - ширина непрозрачных полос
d = a + b
d - период дифракционной решетки
Вывод рабочей формулы:
Максимум
света
a
Решетка
Экран
d sin φ = k λ
т.к. углы малы, то
sin φ = tg φ , тогда
Таблица измерений
Порядок спектра
в
a
м
d
м
м
10 -9 м
ср
10 -9 м
ВЫЧИСЛЕНИЯ:
1 . =
2. =
3. =
ср =
Табличные значения:
λ кр = 760 нм
В выводе сравнить измеренные значения длины волны и табличные.
Контрольные вопросы:
1. Как изменяется расстояние между максимумами дифракционной картины при удалении экрана от решетки?
2. Сколько порядков спектра можно получить от дифракционных решеток используемых в работе?
РЕСУРСЫ:
Физика. 11 класс. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.
Учебник для общеобразовательных учреждений.
Базовый и профильный уровни.
http://ege-study.ru/difrakciya-sveta/
http://kaf-fiz-1586.narod.ru/11bf/dop_uchebnik/in_dif.htm
http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph10/theory.html#.WGEjg1WLTIU
Цель работы : Определить длину световой волны, используя дифракционную решетку .
Оборудование:
1. Прибор для определения длины световой волны, состоящий из линейки, пластины с дифракционной решеткой и движка со щелью.
2. Штатив.
3. Электрическая лампочка на напряжение 42 В в патроне.
Краткая теория
Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны , которые характеризуются длиной световой волны. Дифракционная решетка служит для выделения из света с разными длинами волн света с определенной длиной волны или, как говорят, разложения света на его спектральные компоненты . Основой работы дифракционной решетки служат явления дифракции и интерференции света, и именно волновая природа света приводит к возникновению указанных выше двух явлений.
Дифракцией называется отклонение распространения света от прямолинейного в область, где при прямолинейном распространении света должна бы была быть тень.
Интерференцией называется сложение световых пучков, ведущее к образованию светлых и темных полос.
Дифракция. Дифракция наблюдается в случаях, когда свет проходит сквозь прозрачный материал, в котором есть непрозрачные небольшие препятствия, либо через небольшие отверстия в непрозрачном материале.
Различают два типа дифракции: дифракция в параллельных пучках света или дифракция Фраунгофера и дифракция в расходящемся пучке света – дифракция Френеля . В первом случае для наблюдения дифракционной картины используют либо солнечные лучи, которые являются параллельными, либо создают параллельный пучок света, используя простейшую оптическую систему – выпуклую линзу. Во втором случае используется точечный источник света, например, лампа с малыми размерами спирали.
Схема наблюдения дифракции Фраунгофера приведена на рис. 1.
Рис.1. Дифракция Фраунгофера.
В случае прямолинейного распространения света параллельный пучок лучей, сформированный линзой 1, пройдя через круглое отверстие в непрозрачном экране 1 и через фокусирующую линзу 2, должен был бы собраться в точку. Однако, из-за дифракции на экране 2 получается сложная дифракционная картина, состоящая из чередования светлых и темных колец.
Интерференция. При интерференции волны света с одинаковыми длинами волн максимально усиливают друг друга, когда приходят в точку наблюдения в одинаковой фазе , и ослабляют друг друга, когда приходят в противофазе . Суть явления интерференции поясняет рис.2.
Рис. 2. Интерференция от 2-х источников.
Точечные источники света В 1 и В 2 расположены друг от друга на расстоянии t. Колебания электромагнитного поля совершаются в этих точках в одной и той же фазе. Интерференция (т.е. сложение или вычитание колебаний) наблюдается в точках А и С на экране, находящемся на большом расстоянии L по сравнению t и l. В оптике установлено, что для максимального усиления волн разность хода (т.е. разность расстояний от источников до точки наблюдения) должно выполняться условие:
а для максимального ослабления волн:
Где n – целое число.
Из Рис. 2 можно определить разность хода . Тогда, используя предыдущие равенства, можно получить, что светлые полосы располагаются на расстоянии от точки А, расстояние между светлыми полосами , а темные полосы располагаются между светлыми. Очевидно, что в точке А разность хода равна нулю и в этой точке наблюдается сложение колебаний от источников света В 1 и В 2
Дифракционная решетка . Ряд прозрачных щелей, разделенных непрозрачными полосами, называется дифракционной решеткой . Дифракционная картина, которая имела место на одной щели при использовании дифракционной решетки, усложняется, так как кроме дифракции на каждой щели происходит еще и интерференция световых волн от щелей, которые можно рассматривать как источники света. На экране возникают максимумы и минимумы света, причем главные максимумы возникают при значении угла j , удовлетворяющих соотношению , где - период решетки равный сумме ширины щели и полосы. Положение 1-го максимума при определяется выражением
Из (1) видно, что для данной дифракционной решетки положения 1-го максимума для различных длин волн разное: чем больше длина волны света, тем больше угол отклонения наблюдаемого максимума от направления падающего пучка света.
Программа работы
Схема прибора приведена на рис.3.
Рис.3. Прибор для определения длины волны.
1. Включить электрическую лампочку.
2. Глядя через дифракционную решетку, направить прибор на лампочку так, чтобы через щель в движке была видна нить накала лампы. На черном фоне движка по обе стороны от нуля должны быть видны дифракционные спектры, состоящие из полос разного цвета. Если полосы располагаются не параллельно шкале, то это означает, что нить накала не параллельна штрихам на решетке. В этом случае надо повернуть немного либо дифракционную решетку, либо лампочку. Закрепить прибор.
3. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до красной полосы слева на шкале.
4. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до красной полосы справа на шкале. Записать это значение в таблицу.
5. Определить среднее значение расстояния до красной полосы по формуле:
Записать это значение в таблицу.
6. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до фиолетовой полосы слева на шкале. Записать это значение в таблицу.
7. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до фиолетовой полосы справа на шкале. Записать это значение в таблицу.
8. Определить среднее значение расстояния до фиолетовой полосы по формуле:
Записать это значение в таблицу.
9. Определить расстояние от дифракционной решетки до движка. Записать это значение в таблицу.
Лабораторная работа №2 (решеба, ответы) по физике 11 класс - Определение световой волны с помощью дифракционной решётки
2. Установите экран на расстоянии L ~ 45-50 см от дифракционной решётки. ИзмерьтеL не менее 5 раз, рассчитайте среднее значение
5. Рассчитайте средние значения. Данные занесите в таблицу.
6. Рассчитайте период d решётки, запишите его значение в таблицу.
7. По измеренному расстоянию
8. Вычислите длину волны, соответствующую красной границе воспринимаемого глазом спектра.
9. Определите длину волны для фиолетового края спектра.
10. Рассчитайте абсолютные погрешности измерений расстояний L и l.
L = 0.0005 м + 0.0005 м = 0.001 м
l = 0.0005 м + 0.0005 м = 0.001 м
11. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерения длин волн.
Ответы на контрольные вопросы
1. Объясните принцип действия дифракционной решётки.
Принцип действия такой же, как и призмы - отклонение проходящего света на определённый угол. Угол зависит от длины волны падающего света. Чем больше длина волны, тем больше угол. Представляет собой систему из одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране.
Нажмите, чтобы увеличить
2. Укажите порядок следования основных цветов в дифракционном спектре?
В дифракционном спектре: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный.
3. Как изменится дифракционный спектр, если использовать решётку с периодом, в 2 раза большим, чем в вашем опыте? В 2 раза меньшим?
Спектр в общем случае есть частотное распределение. Пространственная частота - величина, обратная периоду. Отсюда очевидно, что увеличение периода вдвое приводит к сжатию спектра, а уменьшение спектра приведёт к растяжению спектра вдвое.
Выводы: дифракционная решётка позволяет очень точно измерить 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 = d Sin
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 = d а/ 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
Собрать установку, рисунок 6
Установить источник света, включить его.
Смотря через дифракционную решётку, направить прибор на лампу так, чтобы через окно экрана прибора была видна нить лампы
Экран установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решётки.
Измерить по шкале бруска расстояние «b от экрана прибора до дифракционной решётки.
Определить расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана до середины фиолетовой полосы как слева «а л », так и справа «а п » для спектров порядка, рисунок 4 и вычислить среднее значение, а ср
Опыт повторить со спектром порядка.
Такие же измерения выполнить для красных полос дифракционного спектра.
Вычислить по формуле (2) длину волны фиолетового света для спектров и порядков, длину волны красного света и порядков.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1
Сделать вывод
Таблица №1
| Период дифракционной решётки d мм | Порядок спектра | Расстояние от дифракционной решётки до экрана | Границы спектра фиолетового | Границы спектра красного | Длина световой |
||||||||
| Красного Излучения | Фиолетового Излучения |
||||||||||||
Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторному занятию
Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а максимум высших порядков – набор цветных полос?
Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?
В каких точках экрана получаются , , максимумы?
Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?
В каких точках экрана получается световой минимум?
Чему равна разность хода светового излучения (= 0,49 мкм), дающего 2-й максимум в дифракционном спектре? Определите частоту этого излучения
Дифракционная решётка и её параметры.
Определения интерференции и дифракции света.
Условия максимумов света от дифракционной решётки.
По окончанию практической работы студент должен представить:
- Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.
Список литературы:
В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2016
Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000
Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями
О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2015
