物理实验报告5-测量单缝衍射的光强分布

试验名称：测量单缝衍射的光强分布试验目的：a．观看单缝衍射现象及其特点；b．测量单缝衍射的光强分布；c．应用单缝衍射的规律计算单缝缝宽；试验仪器：WJH型数字式检流计。试验原理和方法：光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物，转变光的直线传播，称为光的衍射。当障碍物的大小与光的波长大得不多时，如狭缝、小孔、小圆屏、毛发、细针、金属丝等，就能观看到明显的光的衍射现象，亦即光线偏离直线路程的现象。光的衍射分为夫琅和费衍射与费涅耳衍射，亦称为远场衍射与近场衍射。本试验只争辩夫琅和费衍射。抱负的夫琅和费衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。单缝的夫琅和费衍射光路图如以下图所示。理论上可以证明只要满足以下条件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域：a2 a2

8L或L 8式中：aL为入射光的波长。La1104mHeNe激光，632.80nm，

1.6cm2cm，所以只要取L20cm，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但试验证明，取L50cm，结果较为抱负。依据惠更斯－费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律：II (sinu/u)20式中： u(asin)/暗纹条件：由上式知，暗条纹即I0消灭在u(asin)/，2，…即暗纹条件为

asink，k1，k2，…I为极值的各处，即可得出明纹条件。令ddu(sin2u/u2)0推得 utanu此为超越函数，同图解法求得：，…即 asin0，1.43，2.46，3.47，…可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件asin(2k1)/2，k1，2，3，…只是近似准确的。单缝衍射的相对光强分布曲线如以下图所示，图中各级极大的位置和相应的光强如下：sin 0 I I 0.047I0

0.017I0

.0.018I0应用单缝衍射的公式计算单缝缝宽asink并由图有：X Ltank k由于很小，所以X L kL/ak k令bX X L/ab为两相邻暗纹间距，则k1 kaL/b〔或aL/XX为中心明纹半宽度〕1 1由此可见，条纹间距b正比于L和，反比于缝宽。由试验曲线测出b〔取平均值即可算出缝宽a。试验证明，假设将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝，屏上夫琅和费把戏和同样宽度a用金属细丝直径d代替，就可完全应用以上的理论和公式。试验内容和步骤：试验主要内容是观看单缝衍射现象，测量单缝衍射的光强分布，并计算出缝宽a。试验中用硅光电池作光强I光电池的光电流iI成正比。本试验用的是WJH测光电流。它是承受低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流a进展处理，从而I以数字显示出来。按以下图接好试验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等高，要留意将激光器调平；激光器与单缝之间的距离以及单缝与一维光强测量装置之间的距离均置为50cm左右，1103

~1105radHeNe样可满足夫琅和费衍射的远场条件，从而可省去单缝前后的透镜L1L2点亮HeNe激光器，使激光垂直照耀于单缝的刀口上，利用小孔屏调好光路，须特别留意的是：观看时不要正对电源，以免灼伤眼睛。WJH15minI〔顺时针旋到底，即灵敏度最高-00〔负号闪耀。以后在测量过程中假设数码管显示“999190，且小数点不在第一位时，可将量程削减一档，以充分利用仪器区分率。将小孔屏置于光强测量装置之前，调二维调整架，选择所需的单缝缝宽a，观看小孔屏上的衍射花纹，使它由宽变窄及由窄变宽重复几次，一方面观看在调整过程中小孔屏上的各种现象和变化规律，另一方面调整各元件，使小孔屏上的衍射图像清楚、对称、条纹间距适当，以便测量。这一步是测量效果是否抱负的关键。移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高度全都，移动方向与激光束垂直，起始位置适当。关掉激光电源，登记本底读数〔即初读数〕再翻开激光电源，开头测量。为消退空程，减小误差，应转动手轮使光电探头单方向移动，即沿衍射图像的开放方向X轴方向，从左0.200mm，单向、逐点登记衍射图像的位置坐标X在坐标格子上以横轴为距离，纵轴为光强，将记录下来的数值〔减去初读数〕描绘出来。就得单缝衍射的光强分布图。假设以光强最大值I0除各数值，也可得出单缝衍射的相对光强分布图。测出狭缝到硅光电池的距离或X1，算出狭缝缝宽a。5参数及数据记录：见附表数据处理：650nm6.50107mX1

16.200mm12.800mm20.5m6.50107m

1.700mm1.7103maL/X1

1.7103m

1.91104m思考题：当缝宽增加一倍时，衍射把戏的光强和条纹宽度将会怎样转变？如缝宽减半，又怎样转变？答：由aL/b可知，当aL、保持不变，b1/2，光强增加，条纹变细。当ab激光输出的光强如有变动，对单缝衍射图像和光强分布曲线有无影响？有何影响？答：激光输出的光强增大时，衍射图像明纹变亮，光强分布曲线变陡，当输