Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
11
Министерство образования Российской Федерации
РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им. П.А. СОЛОВЬЕВА
Кафедра физики
УТВЕРЖДЕНО
на заседании методического
семинара кафедры физики
« » 2003 г.
Заведующий кафедрой физики
Пиралишвили Ш.А.
Лаборатория
«Колебания и волны»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ СПЕКТРА БЕЛОГО СВЕТА
С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
|
Нормоконтроль: |
Разработал: |
|
_________________ Фузеева А.А. |
_________________ доц.Шувалов В.В. |
|
Рецензент: |
|
|
д.т.н., проф. _________________Пиралишвили Ш.А. |
Рыбинск 2003
Лабораторная установка имеет подключение к электрической сети напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Требуется соблюдать нормы электробезопасности согласно инструкции №4.
Специальные указания: гониометр Г-5 (прибор для измерения углов) выверен, требует аккуратного обращения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: провести измерения длины волны красного и фиолетового участков спектра белого света, оценить погрешность проведенных измерений.
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ: дифракционная решетка с периодом мм, гониометр Г-5, осветитель, понижающий трансформатор.
1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма - излучения – все эти явления, такие разные по своим внешним свойствам, имеют единую электромагнитную природу.
Условно границы длин волн видимого излучения определяются диапазоном 0,40 – 0,78 мкм. Современная оптика содержание термина «свет» трактует более широко, включая в это понятие и те области излучении, которые непосредственно примыкают к видимому диапазону электромагнитных волн. Отчасти этот факт связан с успехами прикладной оптики в сфере преобразования информации, получаемой с помощью инфракрасных и ультрафиолетовых излучений. Здесь имеется в виду, в частности, метод визуализации объектов, регистрируемых в этих диапазонах волн.
Дифракция – явление, характерное для всех волновых процессов и поэтому наблюдение дифракции световых лучей послужило наглядным основанием для утверждения волновой теории света. Заключается дифракция в отклонении пучков волн от прямолинейного распространения, а наблюдается практически при прохождении волн через отверстия в экранах или в пространстве экранирующих объектов, когда их размеры сравнимы с длиной волны. Однако, нельзя сказать, что дифракция не будет наблюдаться на объектах, значительно превышающих по своим размерам длину световой волны. В этом случае дифракционная картина будет локализоваться очень далеко и может оказаться недоступной для наблюдения. Поясним сказанное. Если размеры экранирующего свет объекта составляют сотые доли миллиметра, то дифракционная картина может быть локализована в пределах небольшого лабораторного пространства, если же в качестве экранирующего объекта взять диск диаметром 10 см, то дифракционная картина локализуется на расстоянии порядка 1 км.
На возможность геометрической интерпретации дифракции указывает принцип Гюйгенса.
Пусть на непрозрачный экран с отверстием падает параллельный пучок света, которому соответствует плоский Фронт волны , см. рис.1.
Геометрическая иллюстрация дифракции света
Открытая часть, волнового фронта может рассматриваться как совокупность огромного числа виртуальных (от латинского virtual – возможный, вероятный) источников вторичных элементарных волн. Согласно принципу Гюйгенса новый фронт волны определится как огибающая всех элементарных фронтов волн. Дальнейшее направление распространения волны определится направлениями нормалей к волновому Фронту. Из рис.1 мы видим, что свет попадает в область геометрической тени. Однако, указывая на геометрическую возможность дифракции, принцип Гюйгенса не позволяет провести аналитическое исследование дифракционной картины.
Анализ состояния светового поля за препятствием может быть выполнен на основе принципа Гюйгенса - Френеля, суть которого состоит в том, что световое колебание в точке пространства определяется как результат сложения колебаний от отдельных участков открытой части волнового Фронта с учетом их фазы и амплитуды.
Указанный принцип, таким образом, утверждает тесную взаимосвязь интерференции и дифракции. Строго говоря, последние являются двумя гранями одного явления: различие между ними может оказаться чисто условным.
Обычно под интерференцией понимается процесс стационарного перераспределения энергии в световом поле двух когерентных источников, тогда как под дифракцией понимается интерференция от бесчисленного множества когерентных источников света (в особую группу выделяется случай многолучевой интерференции).
И, наконец, последнее замечание. Почему явление дифракции необходимо изучать в техническом вузе?
Дело в том, что с дифракционными явлениями мы широко сталкиваемся в инженерной практике при расчетах антенных устройств и в задачах распространения радиоволн, при конструировании, дифракционных спектральных приборов, в задачах рентгеновского фазового и структурного анализа вещества, при оценке пределов возможностей оптических приборов.
Дифракционная решетка – спектральный дифракционный прибор, представляющий собой прозрачную или отражающую пластинку, на которую каким-либо образом наносится штриховка, так что поверхность пластинки представляется последовательностью темных и светлых промежутков.
Пусть а – ширина светлого (или прозрачного) промежутка, а b – темного промежутка, величина называется периодом решетки.
Формирование дифракционной картины
Пусть на дифракционную решетку нормально к ней падает пучок параллельных лучей. Открытая часть поверхности волнового фронта согласно принципу Гюйгенса представляет собой множество виртуальных когерентных источников.
Строгий анализ должен включать в себя рассмотрение сложения колебаний от разных участков одной и той же щели и от соседних щелей. Этот анализ имеется в учебной литературе. Мы же ограничимся рассмотрением дифракционной картины, используя приближенные подходы.
Обратим внимание, что каждой точке левой щели (промежутка) можно поставить в соответствие точку правой щели, имеющую такое же расположение относительно краев. Разность хода лучей , идущих под углом к направлению падающего пучка для соответственных точек двух соседних щелей одна и та же, равная . Если , где , то по направлению имеем максимум интерференции, если же , то имеем минимум интерференции.
При падении на решетку монохроматического света дифракционная картина наблюдается в виде темных и светлых полосы интерференции.
При наблюдении дифракции в белом свете в центре поля обнаруживаем белый максимум, т.к. условие максимума при выполняется для всех составляющих белого света (максимум нулевого порядка). Максимумы порядка выше нуля для разных составляющих спектра пространственно распределяются под разными углами относительно направления . Наиболее яркими и удобными для наблюдений и измерений являются спектры первого () и второго () порядков.
В данной работе требуется провести определение длины волны , красного и фиолетового участков спектра и, тем самым, мы получаем возможность определить границы белого света на основании формул, полученных из условия максимума:
, где
, где
Измерения выполняются каким-либо доступным способом. Здесь рекомендуется это сделать с помощью гониометра Г-5.
Приступать к исполнению работы можно только после ознакомления с инструкцией по технике безопасности и описанием прибора.
Гониометр Г-5, на котором предстоит выполнить работу, точный оптический прибор, служащий для измерения углов с точностью до 1 секунды. Прибор настроен так, чтобы обеспечить успешное проведение измерений при минимальных затратах времени, поэтому не рекомендуется сбивать настройку прибора. Необходимо пользоваться только органами управления помеченных цифрами.
Прибор Г-5 смонтирован на массивном металлическом основании. Его оптическая система (см. рис.3) состоит из коллиматора 4, обеспечивающего получение параллельного пучка света, зрительной трубы 1, и отсчетного микрометра 6 и ряда других узлов, смонтированных внутри корпуса прибора. Установка включает в себя также источник света – осветитель 5.
На предметном столике 3, который может вращаться вокруг вертикальной оси, в специальном крепежном узле установлена дифракционная решетка. Решетка установлена перпендикулярно световому потоку, выходящему из коллиматора. Фиксация установки дифракционной решетки производится с помощью винтов, эта операция выполняется лаборантом при подготовке прибора к работе.
Непосредственно под предметным столиком расположен крупногабаритный узел 2, называемый алидадой. Внутри ее корпуса находится отсчетный лимб (круглая шкала). Показания прибора снимаются с помощью отсчетного микрометра 6.
Электрическая цепь прибора предполагает питание части узлов непосредственно от электрической сети, а части узлов – через понижающий трансформатор. Трансформатор имеет регулятор напряжения, позволяющий регулировать накал лампы осветителя. Желательно накал лампы устанавливать не предельный, а несколько ниже, чтобы не допускать перегрева корпуса. Питание измерительной оптической линии включается с помощью тумблера на левой стороне корпуса прибора (внизу), а питание осветительного блока 5 с помощью тумблера на корпусе трансформатора.
Общий вид прибора-гониометра Г-5
Рис.3
1-зрительная труба; 2-алидада; 3- предметный столик;4- коллиматор;
5-осветитель; 6-отсчётный микроскоп; 7-маховичок; 8-корпус основания.
3. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
ПРИМЕЧАНИЕ. Если запаса хода маховичка не хватает, следует немного сдвинуть зрительную трубу гониометра и сделать такое совпадение возможным.
Число градусов равно ближайшей левой цифре от вертикального индекса, находящегося несколько выше шкалы. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 1800. Вести отсчеты с большей точностью не имеет смысла, т.к. значительны погрешности других сопутствующих операций.
Пример отсчета показания прибора
Рис.4
Показание прибора 22030: ближайшая цифра от метки слева 22 и от цифры 22 по нижней шкале до цифры 22+180=202 три деления это дает нам десятки минут. Итак, имеем 22030.
Навести вертикальную нить зрительной трубы на красный участок спектра первого порядка (ближе к краю спектра) и сделать отсчет (1).
Пример отсчета показания прибора при правом положении зрительной трубы
Рис.5
Показание прибора: 357040, значение угла =3600–357040=2020.
Результаты наблюдений
|
№ п/п |
Порядок спектра, К |
, град |
, град |
Примечания |
|
1 |
1 |
|||
|
2 |
1 |
|||
|
3 |
1 |
|||
|
4 |
1 |
|||
|
5 |
2 |
|||
|
6 |
2 |
|||
|
7 |
2 |
|||
|
8 |
2 |
Обработка результатов экспериментов включает в себя получение наивероятнейших значений границ белого света и аттестацию полученных результатов. Аттестация предполагает получение значений выборочной дисперсии и значений доверительных интервалов при заданном уровне вероятности. Для выполнения этой части работы рекомендуется обратиться к учебному пособию «Вопросы математической организации физического эксперимента».
, ,
, ,
где , – результаты -го измерения.
, .
Данные наблюдений можно обработать на ЭВМ, для чего следует ввести в нее м – период решетки, п – число опытов и результаты наблюдений.
Отчет к лабораторной работе должен включать в себя формулировку цели работы, перечень приборов и оборудования и их характеристики, принципиальную схему лабораторной установки.
В содержание отчета вносятся также расчетная формула, журнал наблюдений (таблица результатов экспериментов).
В заключении отчета необходимо привести окончательные результаты и выводы по работе.
7. ЛИТЕРАТУРА
1. И.В. Савельев. Курс общей физики. т. 2. –М.: Наука, 1982, с. 381–415.