实验33-单缝衍射2

实验名称 应用计算机测定单缝衍射的光强度分布与缝宽 实验目的实验原理及背景知识介绍实验内容实验仪器介绍实验步骤注意事项实际操作思考题 实验目的 了解单缝衍射现象及其应用 运用计算机及传感器测定单缝衍射光强度分布与单缝缝宽 培养运用计算机及科学工作室接口进行综合物理实验的能力 实验原理及背景知识介绍 光在传播过程中经过障碍物 如狭缝 小孔 不透明物体的边缘 细线等时 一部分光会传播到几何阴影中去 产生衍射现象 单缝衍射有两种 一种是菲涅耳衍射 单缝距光源和接收屏均为有限远 另一种是夫琅和费衍射 单缝距光源和接收屏均为无限远或者相当于无限远 此时入射光与衍射光均可看做平行光 本实验单缝与采光屏的距离远大于单缝宽度 所以可以看成是夫琅和费衍射现象 夫琅和费 JosephFaunhofer 1787 3 1826 6 德国人 天体物理学之父 他于1815年制成第一架分光镜 第一个用钠火焰的黄光作为单色光源 并制造出许多当时最佳的折射望远镜 于1821年研究单缝衍射 夫琅和费衍射 现象 并制成衍射光柵 1823年得出光柵方程式 1824年创制配有转仪镜的赤道式装置的望远镜 当用散射角极小的激光器产生激光束 通过一条很细的狭缝 0 1 0 3毫米宽 在狭缝后 0米左右的地方放上观察屏 就可看到衍射条纹 它实际上就是夫琅和费衍射条纹 如图 所示 图 单缝衍射光强分布曲线图 由惠更斯 菲涅耳原理可严格计算出单缝衍射光强相对分布 单缝衍射各级明纹光强分布不同 中央明纹和其它明纹的角宽度不同 暗条纹等间距 而次极大彼此不等间距 但随着级数k的增加 趋于等间距 本实验通过测量 极暗纹的间距 k 根据衍射现象中暗纹形成原理得出缝宽的计算公式 k 1 2 3 实验内容 观察不同缝宽的单缝衍射现象利用配有不同缝宽的演示单缝装置 观察不同缝宽的单缝衍射现象 并记录观察到的实验现象 单缝缝宽度的测量利用单缝装置 测量出 级以上暗纹之间的距离 k 重复读数8次以上 用光具座上米尺测量单缝位置和采光屏的位置各一次 根据公式 可算出缝宽 实验仪器介绍 光传感器 旋转移动传感器 科学工作室500型接口 光传感器 光传感器用于检测光的相对光强度 传感器的增益分为可以改变的1 10 100三个档位 其信号输出端接入科学工作室的模拟接口 传感器通光口采光屏处安装有光圈调节装置 光传感器通光口 光传感器与光圈调节装置的连接 光圈调节装置 该装置由6个宽度不同的通光缝构成 用来调节进入传感器的光强度 使用时通过灵活选择增益以及通光缝的宽度 可以使传感器的可测量范围变得较大 通光缝越宽 进入光传感器的光强度越大 反之越小 光圈装置中狭缝的调节 若光圈装置状态如右图所示 此时图中通光缝1的后方正对光传感器的通光口 即入射光只有通过图中缝1的位置后才能被光传感器所接收 若要增加进入光传感器的光强 可用两手指轻轻捏着光圈装置的两外侧a b处轻轻旋转 直至所需通光缝旋转到光传感器的通光口正前方为止 如下一张图中所示 a b 左图中光圈装置的狭缝 做为光圈装置的通光缝 此时 对相同的光源而言 进入光传感器的光强比上一张图中光经过狭缝 进入光传感器的光强更强 光圈装置中央的十字螺丝可固紧光圈装置面板 光圈装置的高度调节请参看旋转移动传感器的使用 光圈装置的高度以所有需采集的光都能入射到通光缝的中央 且光圈架能稳固 直立 底部不接触光具座 可灵活移动为宜 旋转移动传感器 旋转移动传感器测量旋转和线性运动 该传感器上的分格有一个光学编码器 每旋转一分格最大可产生1440个脉冲 旋转移动传感器的信号输出线接入科学工作室的1 2口 旋转移动传感器的使用 此实验中旋转移动传感器的a处插入光圈装置的光圈架 而b处的螺丝可松开或固紧光圈架 以调节光圈装置的高度 如下一张图所示 实验时 匀速 轻缓地转动旋转移动传感器上的大滑轮 可改变和它固定在一起的光传感器及光圈调节装置的位置 从而采集到不同位置的光强度 a b 科学工作室500型接口 A B C口可分别输入模拟信号1 2口可输入数字信号 通过传感器把被测物理量转化为模拟电压信号或数字信号输入到科学工作室接口 信号经过接口变换后送到计算机上的科学工作室软件进行数据处理 显示结果 科学工作室接口与传感器的连接 科学工作室接口中A B C口与各模拟信号传感器的连接采用梅花式插头和插座 连接或插入时 要对准确 看清楚箭头或Top标志 连接或插入的方向具有唯一性 不许错位强行插入 实际操作时 光传感器的插头可任意连接A B或C口 尽量避免拔 插梅花式插头 以免损坏接口 梅花式插座 箭头或Top标志 科学工作室500型接口的开启 500型接口的使用需特别小心 其接口开关应在所有实验仪器开关都已开启后 并准备开启500型接口配套软件scienceworkshop前开启 开启开关后 接口前端指示灯亮 如下一图所示 而在实验操作结束后 应最先关闭500型接口开关 然后再关闭其它实验仪器的开关 工作中的科学工作室接口 接口指示灯亮 半导体激光器 在激光器电源的标签上可查询该激光的波长及其它参数 激光器电源 激光发射器 磁性表座 磁性表座上方可插入二维调节架或单缝等装置 调整好所需高度后 由固紧螺丝a固紧 表座下方的磁性开关可旋转调节磁性的 开 或 关 状态 如需在光具座上移动磁性表座时 应先关闭其磁性 用手握着表座的底部缓慢移动 但不可在光具座上拖动 而一旦确定了磁性表座的位置或需调节其它仪器时 应立即开启表座磁性 使其牢固地固定在光具座上 以免在实验中打翻固定在磁性表座上方的激光发射器或单缝等装置 固紧螺丝 a 磁性开关 二维调节架 二维调节架上两个螺丝可分别微调置于其中的激光发射器的上下与左右方向 实验前或仪器粗调时 应将两螺丝调至中央位置 为后续微调激光方向留有空间 切记两螺丝起微调作用 不可将其大幅调至其中钢珠脱落 单缝装置 左图是置于磁性表座上的单缝装置 切记不可用手触摸中央刀口上的单缝位置 实验步骤 熟悉各实验仪器 调整激光器发射出的激光光线与光具座平行 并能被光传感器的接收孔准确接收 依据实验教材或手册完成科学工作室软件中的各项设置 调出符合要求的单缝衍射图案 利用科学工作室软件及各仪器采集 记录所需实验数据 注意事项 激光发射器不能正对眼睛 以免受到伤害 严禁用手触摸单缝装置 预习题 实验中光传感器的插头应连接到科学工作室的哪个口 实验中旋转移动传感器的插头应连接到科学工作室的哪个口 有哪些方法可确定激光光线已水平传播 本实验中如何操作 如何确定光传感器的通光狭缝和增益选择已处于最佳状态 实验中应如何操作旋转移动传感器 包括动作与移动范围 才能采集到最佳的单缝衍射图案 实际操作 1 熟悉完各实验仪器后 连接电路并确保正确 调整两表座处于光具座横向中央位置 并尽量远离光传感器的接收屏 表座磁性应处于开启状态 实际操作 2 调整各仪器的初状态位置至最合适 将旋转移动传感器移至光具座水平中央位置 左图 任意选择一狭缝做为光圈装置的通光缝 关闭单缝装置下方表座磁性 移开该表座及单缝装置 右图 打开激光器电源 旋松激光发射器下方磁性表座的固紧螺丝a 调节二维调节架的方向与高度 使激光尽可能地入射到光圈装置的通光缝 下一张图 实际操作 移动单缝装置及磁性表座至光具座上靠近激光发射器处 注意此时单缝装置下方的表座磁性应处于关闭状态 否则将使装置和操作者处于极危险状态 记住激光照射在单缝装置上的位置和其下方的磁性表座在光具座上的横向位置 可以米尺或光具座边缘作参照物 下一张图 实际操作 4 移动单缝装置及磁性表座至光具座上靠近接收屏 且在光具座上的横向位置应与移动前完全一致 注意在移动磁性表座时动作应轻缓 不可在光具座表面拖动 且单缝装置的高度不可在此时调整 实际操作 5 调节二维调节架上两微调螺丝 使激光照射到单缝上的位置与单缝装置移动前激光照射到单缝上的位置 左图 完全一致 可重复操作3 步骤直至该步骤要求完全符合止 说明激光已水平传播 此后不得再调整激光发射器的状态 包括二维调节架高度 其上螺丝及其下表座 否则需重新调整3 步骤 实际操作 6 移动单缝装置及其磁性表座至光具座上靠近激光发射器处 调整单缝高度及其下方磁性表座位置 使激光 能垂直穿过单缝中央位置 激光光斑应均匀分布在单缝中央 左图 此时在接收屏上可看到清晰的单缝衍射图案 右下图 实际操作 7 打开科学工作室500型接口开关 接口前端指示灯亮 实际操作 8 软件设置 双击计算机显示屏上的科学工作室500型接口配套软件scienceworkshop图标 屏幕上显示如下 实际操作 当计算机自动检测到科学工作室500型接口时 该软件会自动继续到如下画面 实际操作 设置接口1 2 用鼠标左键点住数码式插头图标拖动到接口1放开 实际操作 在弹出的选择感应器窗口中选择 旋转移动传感器 后 点 确定 实际操作 在随后弹出的如下窗口中选择 分格 旋转 为1440 点击 确定 科学工作室500型接口的1 2口设置完毕 实际操作 设置模拟信号口 明确光传感器输入的模拟信号口 A口 或B口 或C口 用鼠标左键点住模拟式插头图标 并拖至光传感器输入接口的对应通道 本例中光传感器接B口 在弹出的 选择感应器 窗口中选中 光传感器 然后点 确定 右下图 实际操作 设定取样选项 点击左下方图中红色区域 或 实验 菜单中 的 取样选项 设置取样周期为100HZ或200HZ 右下方 后 按确定 实际操作 图形显示 当科学工作室最大化后 用鼠标左键点住 图表 不松开拖至光传感器输入口 本例为 口 再松开 弹出 图形显示 框 实际操作 图表大小调整 点击左下图中红色箭头的 向下还原 钮 然后将 图形显示 框调整为右下方图形大小所示 实际操作 图表X Y轴设置 图形显示 的X轴默认为 时间 轴 修改时点击左下图中红色区域旁边的下拉菜单 然后点击右下图中 位置 X轴即修改为 位置 单位为 厘米 Y轴如需修改 可以同样方式将Y轴修改为 强度 设置完毕如下一张图所示 实际操作 9 试采集数据 移动旋转移动传感器 同时调整光圈架的高度与方向 使得所有衍射光都能垂直照到光圈上通光缝中央 然后将通光缝移至衍射光斑区域的一侧 如下图 实际操作 点击电脑屏幕上scienceworkshop软件的记录按钮 缓慢 匀速地旋转旋转移动传感器至光斑区域另一侧对称位置止 如下图 以零级亮纹即中央亮斑为中心 然后点击scienceworkshop软件的停止按钮 实际操作 10 双击 图表显示 窗左下方的第四个最优化小图标 根据采集到的数据按需调整光圈调节装置上的通光缝 或光传感器的增益 或旋转旋转移动传感器的速度或采集区域 重复操作步骤9 使得最终能采集到如下一张图所示数据 即 数据点不能太稀疏 零级亮纹的光强度 纵轴 应大于30且小于46 不削峰 横轴上显示的衍射光级数应大于3级 但不超过5级 注意 每采集完一次数据都要双击最优化图标 实际操作 点击 图表显示 窗左下方的第五个小图标 在弹出窗口的 名称 栏中输入 实验图表名称 班级 姓名 学号 实验桌号等图表完整信息后 按 确定 实际操作 11 打印图表 在确定图表信息已经输入完整 并已最优化后 点击科学工作室 编辑 菜单中的复制 如下图 然后粘贴到一个新开启的文档中 无需调整大小 如下一张图 直接打印即可 同学无需查看已打印的图表 更不可随意重复打印 而应抓紧进行数据采集 教师会将签完字后的打印图表交给实验者 实际操作 11 采集实验数据 激光波长 可由激光电源上直接获得 在已最优化的图表中 点击左下方的第二个图标 将读数工具十字叉移动到2级 以上 暗纹的正上方 点住鼠标左键并拖动到另一侧2级 以上 暗纹的正下方 读出横坐标上的读数 本例中为1 595cm 后才可松开鼠标 即此单缝衍射图 2级暗纹间距 2 1 595cm 重复测量 28次以上 读出8组以上 2的值 实际操作 用图示方法确定好单缝位置后 移开文件夹 由光具座上米尺读出并记录单缝位置x1 实际操作 直接读出并记录如下图中黑铁皮与米尺相交处米尺上的读数 即为采光屏的位置x2 由此可算出衍射光距离L x2 x1 实验完成 当实验完成 所有实验相关原始数据 包括每一测量