实验17 单缝夫琅和费衍射及单缝宽度测量.doc

实验实验 1717 夫琅和费单缝衍射及单缝宽度的测量夫琅和费单缝衍射及单缝宽度的测量 观察衍射现象的实验装置一般是由光源 衍射屏和接受屏三部分组成 按 它们相互间距离的不同情况 通常将衍射分为两类 一类是衍射屏离光源或接 受屏的距离为有限远时的衍射 称为菲涅尔衍射 另一类是衍射屏与光源和接 受屏的距离都是无穷远的衍射 也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏 的衍射光都是平行光的衍射 称为夫琅禾费衍射 若衍射屏上有一单狭缝 宽 度为 a 则在接受屏上将出现一组明暗相间的平行直条纹 一 实验目的一 实验目的 1 观察单缝衍射现象 了解单缝宽度对衍射条纹的影响 2 学习测量单缝宽度的一种方法 3 通过数据处理 加深对误差传递的理解 二 实验原理二 实验原理 让一束单色平行光通过宽度可调的缝隙 射到其后的接收屏上 若缝隙的 宽度 a 足够大 接收屏上将出现亮度均匀的光斑 随着缝隙宽度 a 变小 光斑 的宽度也相应变小 但当缝隙宽度小到一定程度时 光斑的区域将变大 并且 原来亮度均匀的光斑变成了一系列亮暗相间的条纹 根据惠更斯 菲涅耳原理 接收屏上的这些亮暗条纹 是由于从同一个波前上发出的子波产生干涉的结果 为满足夫琅禾费衍射的条件 必须将衍射屏放置在两个透镜之间 实验光路图 如图 17 1 所示 夫琅禾费单缝衍射光强分布曲线如图 17 2 所示 r r0 OO X P xk f f L1L2S2 S1 图 17 1 夫琅禾费单缝衍射光路图 a a I I0 图 17 2 夫琅禾费单缝衍射光强分布曲线 下面来推导单缝缝宽的测量公式 中央亮条纹的宽度可用其两侧暗条纹之间的 角距离来表示 由于对称性 主极大的角宽度为从点 O 到第一暗条纹中心的角 距离的两倍 所以从点 O 到第一暗条纹中心的角距离 称为主极大的半角宽度 由图 17 2 可见 主极大的半角宽度就是第一暗条纹的衍射角 近似等于 a 中央亮条纹的宽度等于各次极大的两倍 也就是说 各次极大的角宽度都等于 中央亮条纹的半角宽度 并且绝大部分光能都落在了中央亮条纹上 在远场条件下 即单缝至屏距离时 各级暗条纹衍射角很小 az k 于是第 k 级暗条纹在接收屏上距中心的距离可写为 kk sin k xfx kk 而 第 k 级暗条纹衍射角满足 k 17 a k k sin 1 所以 17 2 f x a k k 于是 单缝的宽度为 17 3 k x fk a 17 3 式中 k 是暗条纹级数 f 为单缝与接收屏之间的距离 xk为第 k 级暗 条纹距中央主极大中心位置 O 的距离 若已知波长 测出单缝至光屏距离 f 第 k 级暗纹离中央亮纹nm 0 650 中心之间的距离 xk 便可用公式 17 3 求出缝宽 三 实验仪器三 实验仪器 狭缝装置 透镜架 二维平移底座 三维平移底座 宽度可调单缝 钠光 灯 测微目镜 测微目镜架 升降调节座 透镜 焦距分别为 150mm 和 300mm 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 实验装置如图 17 3 所示 沿米尺调节共轴光路 图 17 3 弗朗禾费单缝衍射实验装置图 2 使狭缝 S1靠近钠灯 位于透镜 L1的焦平面上 通过透镜 L1形成平行光束 垂直照射狭缝 S2 用透镜 L2将穿过狭缝 S2的衍射光束汇聚到测微目镜的分划板 上 调节狭缝铅直 并使分划板的毫米刻线与衍射条纹平行 S1的缝宽小于 0 1mm 兼顾衍射条纹清晰与视场光强 3 用测微目镜测量中央明条纹线宽度 e 连同已知的值 代入公式f和 2 e af 中 即可算出缝宽 a 并将 e f a 及入射光波长的值填写到单缝缝宽的数据 记录表 17 1 中 4 用显微镜直接测量缝宽 并将填写到单缝缝宽的数据记录表 17 1 中 aa 以便与上一步的结果作比较 5 用测微目镜还可验证中央极大宽度是次极大宽度的两倍 五 数据记录与处理五 数据记录与处理 单缝缝宽的测量数据记录表 17 1 f mme mma mm mma 六 思考题六 思考题 缝宽 a 满足什么条件时 光的衍射效应明显 在什么条件下光的衍射效应 不明显 参考文献参考文献 1 中国大百科全书出版社编辑部编 中国大百科全书中国大百科全书 物理学 I 北京 上海 中国大百科全书出版社 1987 359 361 2 天津市港东科技发展有限公