лабораторная работа №5 - Могилёвский государственный
advertisement
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования « МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ» Кафедра физики ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЩЕЛИ, ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ И СИСТЕМЕ МОНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Методические указания к лабораторной работе № 5 по разделу "Оптика" курса общей физики для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения Могилев 2009 Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры физики Протокол № 8 от 8.05.2009 г. Составитель ст. преподаватель Забиран Т. В. Рецензент кандидат физика − математических наук, доцент УО МГУП А. C. Скапцов УДК 532.516 ©УО «Могилевский государственный университет продовольствия», 2009 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЩЕЛИ, ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ И СИСТЕМЕ МОНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Цель работы: изучение дифракции белого света и монохроматического лазерного излучения на плоской щели, дифракционной решетке и системе монодисперсных частиц ликоподия; определение длин волн различных цветов видимой области спектра и лазерного излучения; определение размеров частиц ликоподия дифракционным методом; ознакомление с устройством и принципом действия газового лазера. Приборы и принадлежности: газовый лазер ЛГН-109, осветитель, прибор для определения длины световой волны, щелевая диафрагма, дифракционная решетка, стеклянные пластинки с ликоподием, экран, оптический микроскоп. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ 1. Физические принципы работы и устройство газовых лазеров Согласно выводам квантовой механики атомы могут находиться лишь в состояниях с дискретными значениями энергии E1, E2 ... En. Для простоты будем рассматривать только два из этих состояний с энергиями Е1 и Е2. Если атому, находящемуся в основном состоянии 1, сообщить определенное количество энергии, то осуществляется вынужденный переход атома в возбужденное состояние 2. Возбужденный атом без каких-либо внешних воздействий может самопроизвольно (спонтанно) перейти в состояние с низшей энергией, испуская при этом квант света (фотон) с энергией: hν = E 2 − E1 (1) где h - постоянная Планка, ν - частота излучения. Так как кванты света испускаются атомами независимо друг от друга, то спонтанное излучение является некогерентным. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию (1), то возникает вынужденный или индуцированный переход в основное состояние 1 с излучением кванта света той же энергии hν = E2 − E1 . При подобном переходе происходит излучение атомом кванта дополнительно к тому кванту, под действием которого произошел переход. Причем, как показал А.Эйнштейн в теории излучения, вторичные кванты полностью тождественны первичным. 3 На волновом языке эффект вынужденного излучения сводится к увеличению амплитуды проходящей волны без изменения ее частоты, фазы, поляризации и направления распространения. Другими словами, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением. Такое свойство индуцированного перехода дает возможность управлять излучением атомов. Для того чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния среды принято называть инверсными (обращенными) состояниями или состояниями с инверсной населенностью. Слово инверсия означает переворачивание (от латинского inversio). Смысл термина состоит в том, что в таком неравновесном состоянии на верхнем энергетическом уровне атомов находится больше, чем на нижнем. Процесс перевода среды в инверсное состояние называется "накачкой" усиливающей среды. Наиболее естественной представляется оптическая "накачка" среды, при которой атомы переводятся с нижнего уровня на верхний возбужденный уровень путем облучения светом. Если усиливающая среда является газообразной, то перевод атомов на верхний энергетический уровень возможен при неупругих столкновениях атомов с электронами в газовом электрическом разряде (электрическая "накачка"). Однако такие методы перевода атомов в возбужденное состояние не приводят к инверсной населенности атомов по уровням. За счет спонтанного излучения атомов, находящихся на возбужденных уровнях малое время, а также за счет столкновений атомов с электронами, при которых возбужденные атомы отдают электронам свою энергию и переходят на нижние уровни, населенность атомами верхних уровней будет меньше, чем нижних. Таким образом, использование только двух уровней 1 и 2 для получения состояния среды с инверсной населенностью не эффективно. Были предложены различные методы перевода среды в инверсное состояние. Один из таких методов заключается в использовании специальных молекулярных примесей, избирательно разрушающих некоторые нижние энергетические уровни и осуществляющих более высокую населенность атомами верхних уровней. Другим методом получения инверсной населенности является применение вспомогательного излучения, которое создает избыточную по сравнению с равновесной, концентрацию атомов на верхних энергетических уровнях. Однако наибольшее практическое распространение получила трехуровневая схема, предложенная для оптических квантовых генераторов (лазеров) Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым в 1955 году. Лазер представляет собой устройство для получения когерентного света, основными элементами которого являются: активная (усиливающая) среда, в которой создаются состояния с инверсной населенностью, система "накачки" 4 и оптический резонатор, служащий для формирования выходящего светового луча. В зависимости от типа активной среды различают твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные лазеры. В качестве активной среды в твердотельных лазерах используются, например, рубин и неодимовое стекло, а в газовых - аргон, гелий - неоновая смесь или двуокись углерода. Остановимся более подробно на принципе действия и устройстве газового гелий - неонового лазера. В таком лазере "накачка" осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах, и происходит в два этапа. На первом этапе электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3 (см.рис.1). При столкновениях возбужденных He Ne атомов гелия с атомами неона 3 Лазерное происходит их возбуждение и они излучение переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи 2 уровня гелия. Переход атомов неона с верхнего уровня на один из нижних уровней 2, сопровождается лазерным 1 излучением с длиной волны 0.6328 мкм. Рис. 1 Трехуровневая диаграмма Упрощенная трехуровневая диаграмма рассмотренных переходов представлена переходов в гелий-неоновом на рис.1. лазере Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два обращенных друг к другу параллельных плосковогнутых зеркала, расположенных на общей оптической оси (см.рис.2). Между ними помещается активная среда (кювета с газом 1). Одно из зеркал 3 делают полупрозрачным для генерируемого света, а второе 2 - почти полностью отражающим. Любой фотон, возникающий в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных накачкой атомов среды, является "затравкой" процесса генерации света. Рассмотрим фотон, который движется параллельно оси кюветы. Он рождает лавину фотонов, летящих в том же направлении (рис.2а). Часть этой лавины частично пройдет через полупрозрачное зеркало 3 наружу, а часть отразится и будет нарастать в активной среде (рис.2б). Когда лавина фотонов дойдет до сплошного зеркала 2, она частично поглотится, но после отражения от зеркала 2, усиленный поток фотонов вновь будет двигаться так же, как и первоначальный, "затравочный" фотон (рис.2в). 5 2 1 3 2 1 3 2 1 3 Таким образом, с помощью зеркал в оптическом квантовом генераторе реализуется положительная обратная связь, необходимая во всяком генераторе для обеспечения режима генерации. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало 2, создает направленный пучок лучей света огромной яркости. Усиление света в активной среде и коэффициент отражения зеркал должны быть такими, чтобы при одном проходе между зеркалами на полупрозрачное зеркало 3 вернулось световой энергии не меньше, чем в предыдущем случае. Только тогда световая энергия начнет нарастать а) б) в) Рис. 2 Схема усиления света в оптическом квантовом генераторе от прохода к проходу между зеркалами. Схема гелий-неонового лазера представлена на рис.3. Его основным 3 5 2 6 4 1 7 Рис. 3 Схема газового (гелий-неонового) лазера элементом является газоразрядная трубка 4, имеющая накаливаемый катод 5 и анод 3. Трубка наполнена смесью гелия и неона с парциальными давлениями 1 и 0.1 мм рт.ст., соответственно. Газоразрядная трубка помещена между зеркалами 1 и 7, которые образуют резонатор. Зеркала резонатора обладают большими коэффициентами отражения (98-99%). Зеркало 7 является сферическим и имеет коэффициент пропускания света около 0.1%, а зеркало 1 - плоским, с коэффициентом пропускания 2%. В лазере используется световой поток, прошедший через зеркало 1. 6 Плоскопараллельные стеклянные пластинки 2 и 6 расположены под углом Брюстера к оси трубки. Поэтому вышедшее из лазера излучение является линейно поляризованным. Центр кривизны сферического зеркала 7 лежит на поверхности зеркала 1. Зеркала юстируются микрометрическими винтами. Юстировка зеркал обеспечивает направленность светового индуцированного излучения вдоль оси разрядной трубки. 2. Дифракция света на щели, дифракционной решетке и круглых частицах Дифракция волн - это явление отклонения волн от прямолинейного распространения при взаимодействии их с препятствиями. Данное явление характерно для всех волновых процессов независимо от их природы, в том числе, и световых волн, представляющих собой электромагнитные волны. В первоначальной волновой теории света, предложенная Х.Гюйгенсом (1690 г.), было сформулировано правило, объясняющее огибание волнами препятствий и получившее название принципа Гюйгенса. Согласно этому принципу каждую точку среды, которой достигает световая волна, можно рассматривать как источник вторичных сферических волн, распространяющихся по всем направлениям. Огибающая вторичных волн, т.е. поверхность касающаяся всех сферических вторичных волн в момент времени t, определяет положение волнового фронта в этот момент времени (см. рис.4). В формулировке Гюйгенса принцип имеет характер геометрического правила, согласно которому результат действия вторичных волн может быть найден построением поверхности, огибающей эти волны. Французский физик О.Френель, заимствовав из принципа Гюйгенса представление о вторичных волнах, применил к ним законы Рис. 4 Построение огибающей интерференции. Согласно Френелю вторичных волн по принципу правило построения огибающей Гюйгенса должно быть заменено расчетом взаимной интерференции вторичных волн. С учетом амплитуд и фаз вторичных волн указанный расчет позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства. При рассмотрении взаимной интерференции вторичных волн Френель предложил использовать определенный прием, получивший название "метода зон Френеля". 7 Сущность этого метода заключается в том, что волновую поверхность можно разбить на зоны таких размеров, чтобы расстояния от краев соседних зон до точки наблюдения отличались на полдлины волны (λ/2). Тогда вторичные волны от любых двух соседних зон приходят в рассматриваемую точку в противофазе и будут ослаблять, а в случае равенства амплитуд, полностью гасить друг друга. Поэтому расчет интерференции всех вторичных волн фактически сводится к определению числа зон Френеля, укладывающихся на волновой поверхности в том или ином случае. Если число зон Френеля четное, то в точке наблюдения - минимум, а если нечетное максимум. Такой подход позволяет существенно упростить решение целого класса дифракционных задач. Применим метод зон Френеля к рассмотрению задачи о дифракции плоской световой волны на узкой бесконечно длинной щели. Пусть на узкую щель шириной АВ=а падает плоская световая монохроматическая волна (рис.5). Согласно принципу Гюйгенса-Френеля в плоскости щели будут расположены источники когерентных вторичных волн. А В Вторичные волны распространяются за С’ щелью во всех направлениях. Поэтому в C фокальной плоскости собирающей линзы, помещенной перед экраном, ϕ ϕ Л наблюдается интерференция этих волн. В зависимости от соотношения между фазами вторичных волн на экране происходит усиление или ослабление результирующих колебаний, что F O Э соответствует наблюдаемым светлым Рис. 5 Схема получения или темным полосам. дифракционной картины на щели Выберем произвольно направление вторичных волн, образующее угол ϕ с нормалью к волновому фронту (этот угол называют углом дифракции). Разобьем плоский волновой фронт на зоны Френеля в виде узких полос, параллельных краям щели. Ширину полос выберем такой, чтобы разность хода вторичных волн от соседних зон составляла λ/2 (СС'=λ/2). Предположим, что на всей щели АВ укладывается k зон Френеля. Определим ширину зоны из треугольника АСС'. СС′ л АС′ = = (1) sin ϕ 2 sin ϕ Тогда общее число зон находим следующим образом: АВ 2 а sin ϕ k= = (2) АС′ л Как следует из формулы (2), число зон Френеля, укладывающихся на щели, зависит от угла дифракции ϕ. В свою очередь, результат наложения 8 всех вторичных волн определяется числом зон Френеля. Поскольку разность хода вторичных волн от соседних зон равна λ/2, то при интерференции эти волны гасят друг друга. Поэтому, если число зон Френеля, укладывающихся на щели, является четным, то в точке F наблюдается дифракционный минимум. Условие образования темной полосы на экране: 2 а sin ϕ =2m (3) л где m=0, 1, 2 ... - порядок темной полосы. Из формулы (3) находим угол дифракции соответствующий минимуму интерференции вторичных волн: mл sin ϕ = (4) a Если число зон k нечетное, то вторичные волны от соседних зон попарно компенсируют друг друга за исключением одной, которая и обеспечивает усиление светового потока. При этом на экране будет наблюдаться светлая полоса, проходящая через точку F. Условие образования такой полосы имеет вид: 2a sin ϕ 2m + 1 = (5) л где m=0, 1, 2 ... - порядок светлой полосы, считая влево или право от центральной светлой полосы. Из формулы (5) нетрудно определить угол, под которым наблюдается максимум дифракционной картины: л sin ϕ = (2m + 1) (6) 2a В прямом направлении (ϕ=0) щель действует как одна зона Френеля и в этом направлении свет распространяется с наибольшей интенсивностью. Поэтому в точке О наблюдается центральный дифракционный максимум. В результате интерференции вторичных волн от всех зон Френеля на экране наблюдается картина в виде системы чередующихся светлых и темных полос, расположенных влево и вправо от центральной светлой полосы (центрального дифракционного максимума). Переписав формулы (4) и (6) в виде a sin ϕ 2 a sin ϕ л= (7) л= (8), m 2m + 1 получим выражения для определения длины волны света по светлым и темным полосам интерференционной картины. На практике использование явления дифракции на плоских щелях ограничено ввиду того, что интенсивность максимумов дифракционной картины невелика. С этой точки зрения гораздо больший интерес представляет дифракционная решетка. Различают одномерные, двумерные (плоские) и трехмерные (пространственные) дифракционные решетки. Остановимся более подробно на рассмотрении одномерной решетки системы параллельных щелей одинаковой ширины, лежащих в одной 9 плоскости и разделенных промежутками (рис.6). равными А ϕ по величине непрозрачными В С Л Э P Рис. 6 Схема получения дифракционной картины на одномерной дифракционной решетке Простейшая дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которой с помощью делительной машины нанесен ряд параллельных штрихов. Штрихи рассеивают свет и являются практически непрозрачными промежутками. Неповрежденные части пластинки пропускают свет и являются узкими щелями. Введем следующие обозначения: a - ширина щели, b - ширина непрозрачного промежутка, d=a+b - постоянная или период дифракционной решетки. Предположим, что на решетку нормально падает плоская световая волна. В тот момент времени, когда фронт волны, т.е. плоскость перпендикулярная направлению распространения, достигнет решетки, все щели и все точки каждой щели станут источниками вторичных волн, распространяющихся за решеткой во всех направлениях. Наблюдать дифракционную картину можно глазом, адаптированным на бесконечность, либо на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы Л (рис.6). Линза или хрусталик глаза собирают вторичные волны, идущие за решеткой от всех щелей, под одним углом ϕ в одной точке Р фокальной плоскости. Так как волновая поверхность совпадает с плоскостью дифракционной решетки, то источники вторичных волн являются когерентными. Поэтому на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы Л, будет наблюдаться интерференционная картина. В зависимости от оптической разности хода волн, приходящих в ту или иную точку экрана, происходит либо усиление (светлая полоса на экране), либо ослабление (темная полоса на экране) света, т.е. наблюдается чередование максимумов и минимумов интерференционной картины. 10 Рассмотрим вторичные волны идущие под произвольным углом ϕ от соответствующих точек двух соседних щелей, например, от краев каждой щели. Проведем фронт волны (плоскость АС), перпендикулярный направлению распространения вторичных волн. Тогда отрезок ВС представляет собой разность хода ∆ этих волн. Если ВС будет равен целому числу длин волн, то вторичные волны будут усиливать друг друга. Следовательно, условие усиления волн: ∆ = ВС = nλ (9) где n=0, ±1, ±2 ... Из треугольника АВС имеем: ВС=АВ⋅sin ϕ=d⋅sin ϕ (10) Подстановкой (10) в (9) получаем условие главного максимума на дифракционной решетке: d⋅sin ϕ=nλ (11) Отметим, что при выполнении условия (11), усиливаются не только волны, идущие от крайних точек щелей, но и от всех других точек. Каждой точке в первой щели соответствует точка во второй щели, расположенная от первой на расстоянии d. Поэтому разность хода вторичных волн, испущенных этими точками, равна nλ. Следовательно, эти волны взаимно усиливают друг друга. Аналогичные рассуждения можно провести для второй и третьей щели и т.д. Таким образом, условие (11) определяет углы дифракции ϕ, под которыми наблюдаются максимумы интенсивности на экране. Поскольку в (11) фигурирует λ, то максимумы интенсивности для света с разными длинами волн (различной цветовой окраской) будут наблюдаться под разными углами. Поэтому при падении на дифракционную решетку белого света, имеющего сложную структуру, все максимумы на экране за исключением нулевого (n=0) будут представлять собой совокупность цветных полос, т.е. белый свет раскладывается в спектр. Каждому значению n соответствует свой спектр. Поэтому n называют порядком спектра. Дифракционная решетка является спектральным прибором и дает, в отличие от призмы, не один, а несколько спектров. Рассмотрим дифракцию света на круглых монодисперсных (одинакового размера) частицах. Поместим между источником света S и точкой наблюдения P непрозрачную сферическую частицу радиусом r (см.рис.7а). Интенсивность света в рассматриваемой точке зависит от числа k зон Френеля, укладывающихся на частице, а число зон, в свою очередь, зависит от радиуса частицы. При малых k и, соответственно, r, интенсивность в точке P будет почти такой же, как и при отсутствии преграды между источником и точкой P. При возрастании k интенсивность света в точке P уменьшается. Для точки P', смещенной относительно P в любом из радиальных направлений, частица будет перекрывать часть (k+1)-ой зоны Френеля, но при этом откроется часть k-ой зоны. Это вызовет уменьшение интенсивности в точке P'. При некотором положении точки P' интенсивность достигнет минимума. Если сместиться из 11 центра картины еще дальше, то частица перекроет дополнительно часть (k+2)-ой зоны, одновременно открывая часть (k-1)-ой зоны и т.д. В результате интенсивность возрастает. Э х P’ I P S б) a) Рис. 7 Дифракция света на непрозрачной сферической частице (а) и распределение интенсивности света в дифракционной картине (б) Таким образом, в случае сферической частицы дифракционная картина будет иметь вид чередующихся светлых и темных концентрических колец. В центре картины расположено светлое пятно. Изменение интенсивности света I c расстоянием x от точки P, изображено на рис.7б. Если рассматривать дифракционную картину только на одной частице, то интенсивность максимумов на экране будет очень малой. Если же на пути световой волны хаотично расположить N одинаковых частиц, то оказывается, что интенсивность дифракционной картины увеличивается в N раз, а ее структура не меняется. В общем случае точный расчет дифракционной картины от многих частиц очень сложен и выходит за рамки общего курса физики. Поэтому остановимся только на некоторых результатах этого расчета, в частности, на связи между углом дифракции, длиной световой волны и размером частиц. Углы, под которыми наблюдаются радиусы темных колец, определяются следующими условиями: sin ϕ1=0.61 λ/r sin ϕ3=1.11 λ/r (12) sin ϕ5=1.65 λ/r Углы наблюдения радиусов светлых колец находятся из соотношений: sin ϕ2=0.82 λ/r sin ϕ4=1.34 λ/r (13) 12 Нумерация колец в формулах начинается с первого (от центра) темного кольца. Формулы (12) и (13) могут быть использованы для определения размера частиц по экспериментально измеренным углам ϕ и известному значению λ. Они положены в основу определения размера частиц некоторыми счетчиками аэрозольных частиц. Дифракцию света на сферических частицах одинакового размера удобно наблюдать, используя монохроматическое излучение лазера. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Схема экспериментальной установки по изучению дифракции белого света представлена на рис.8. Основными элементами этой установки являются 9 8 7 6 5 2 1 3 4 Рис. 8 Схема экспериментальной установки для изучения дифракции белого света прибор для определения длины световой волны, дифракционная решетка и осветитель. Прибор для определения длины световой волны состоит из деревянного бруска 1, на верхней стороне которого нанесена шкала с миллиметровыми делениями. Брусок 1 с помощью металлической скобы 2 шарнирно соединен со стержнем 3, что позволяет менять положение бруска. К концу передней части бруска крепится рейка 4, в которую вкладывается дифракционная решетка 5. Вертикальный экран 6 с прямоугольным отверстием 7 и шкалой 8 может перемещаться по всей длине бруска. 13 При выполнении работы брусок 1 крепится горизонтально, так чтобы дифракционная решетка 5 находилась на уровне глаз наблюдателя. Свет от осветителя 9 направляют перпендикулярно экрану 6 в отверстие 7. Тогда при наблюдении со стороны решетки на экране 6 по обе стороны от отверстия 7 видны дифракционные спектры, расположенные симметрично относительно отверстия. Оптическая схема установки приведена на рис.9 L B1 ϕ S B2 5 6 Рис. 9 Оптическая схема установки по изучению дифракции белого света 3 2 5 4 1 Рис. 10 Схема экспериментальной установки по изучению дифракции лазерного излучения Вторая часть экспериментальной изучения дифракции лазерного ликоподия и дифракционной решетке. экран 2 для наблюдения на котором устанавливаются диафрагма, стеклянная пластинка с дифракционная решетка). В торцевой лазерного излучения 5 (газовый 14 установки (рис.10) предназначена для излучения на щели, частицах На оптическом рельсе 1 расположены дифракционной картины и столик 4, различные объекты 3 (щелевая частицами ликоподия, части рельса помещается источник гелио-неоновый лазер ЛГН-109). ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Упражнение 1. Определение длин волн света видимого диапазона с помощью дифракционной решетки (рис.8, 9). 1. Расположить экран 6 и дифракционную решетку 5 на противоположных концах бруска 1. Направить свет от осветителя с матовым стеклом перпендикулярно экрану 6 в отверстие 7 и наблюдать через дифракционную решетку образовавшиеся на экране 6 спектры. 2. Измерить расстояние от решетки 5 до экрана 6. 3. Измерить расстояние ОВ и ОВ1 для фиолетовой, зеленой, желтой и красной полос спектра (направо и налево относительно отверстия 7 до центра соответствующей цветной полосы). Рассчитать среднее значение <ОВ> для каждой из цветных полос. 4. Принимая во внимание то, что углы дифракции достаточно малы и sin ϕ ≈ tg ϕ = <OB>/L, а также то, что период решетки определяется числом штрихов на единицу длины d=1/N, рассчитать длины волн λ фиолетового, зеленого, желтого и красного цветов, используя условие максимума дифракционной решетки (формула 11). 5. Измерения по п.3 и расчеты по п.4 выполнить для спектров первого n=1 (цветные полосы ближние к отверстию 7) и второго n=2 порядков (второе чередование цветных полос относительно центра экрана). 6. Переместить экран ближе к решетке. Повторить измерения по п.п.2-5. Рассчитать λ. 7. Рассчитать средние значения длин волн для фиолетового, зеленого, желтого и красного цветов. Упражнение 2. Определение длины волны лазерного излучения с помощью дифракционной решетки (рис.11) 1. На столик 4 перпендикулярно лазерному лучу установить дифракционную решетку 3 с известным периодом d=0.01 мм, так чтобы отраженный от решетки луч попадал в середину выходного отверстия лазера. 2. Экран 2 установить перпендикулярно к оси лазера, чтобы дифракционные максимумы располагались симметрично относительно центрального нулевого максимума. 3. Измерить расстояние ∆x между максимумами +n-ого и -n-ого порядков, а также расстояние L от экрана до решетки. Значение n следует выбрать таким, чтобы величина ∆x могла быть измерена с наибольшей точностью. Измерения ∆x проводить не менее трех раз. 4. Рассчитать среднее значение <∆x> и по формуле sin ϕ ≈ tg ϕ = <∆x >/2L найти значение синуса угла дифракции ϕ. 5. По формуле (11) определить длину волны лазерного излучения. 15 Упражнение 3. Определение ширины щели плоской диафрагмы (рис.11). 1. Установить на столик 4 плоскую щелевую диафрагму 3. Направить лазерный луч перпендикулярно плоскости щели. Размер щели подобрать таким образом, чтобы на экране отчетливо наблюдались дифракционные максимумы, расположенные симметрично по обе стороны от центрального максимума. 2. Провести аналогичные п.п.3-4, упр.2 измерения и расчеты. 3. По формуле (6) рассчитать ширину щели диафрагмы "а", учитывая, что λ известно из упражнения 2. 4. Измерить ширину щели оптическим микроскопом и сравнить полученные результаты. Упражнение 4. Определение размера частиц ликоподия (рис.11). 1. Установить на столик 4 перпендикулярно лазерному лучу стеклянную пластинку с частицами ликоподия 3. 2. Измерить диаметр D темного (или светлого) кольца, но не далее, чем пятого по счету от центрального светлого пятна, и расстояние L от пластинки до экрана. Измерения для диаметра D повторить не менее трех раз. 3. Найти среднее значение <D> и рассчитать синус угла дифракции по формуле: sin ϕ ≈ tg ϕ = <D >/2L. 4. Из соотношений (12) или (13) определить радиус частиц ликоподия. 5. Измерить размер частиц ликоподия оптическим микроскопом и сравнить результат измерения с рассчитанным по (12) или (13) значением радиуса. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы физические принципы работы лазеров? 2. Из каких основных частей состоит лазер? Каково их назначение? 3. Каковы свойства лазерного излучения? 4. Почему излучение гелий-неонового лазера поляризовано? 5. В чем заключается явление дифракции света? 6. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля. 7. В чем заключается сущность метода зон Френеля? 8. Объясните наличие максимумов и минимумов света при дифракции на щели. Запишите условия максимума и минимума при дифракции света на щели. 9. Что представляет собой дифракционная решетка? 10. Каково условие главного максимума дифракционной решетки? 11. Объясните дифракцию света на круглых частицах. 16 ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №5 "Изучение дифракции света на щели, дифракционной решетке и системе монодисперсных частиц" " Осветитель лабораторной установки и газовый лазер ЛГН-109 питаются от электрической сети переменного тока напряжением 220 В. Поэтому при выполнении работы соблюдайте следующие правила техники безопасности: 1. Осветитель и лазер можно включать в сеть только после допуска к выполнению работы преподавателем. 2. Включение вилки осветителя и лазера в сеть производится только в специальные гнезда электрического приборного щитка, закрепленного на лабораторном столе. 3. Включение электрического щитка осуществляется поворотом тумблера в положение "Вкл.", а выключение - в положение "Выкл.". 4. Если лампа осветителя или лазер не загораются, отключите их от сети и сообщите об этом преподавателю или лаборанту. Самостоятельно устранять неисправности категорически запрещается. 5. Не оставляйте установку во включенном состоянии без присмотра. После завершения лабораторной работы отключите ее от электрической сети. 6. Категорически запрещается перемещать лазер со стола и направлять лазерный луч на людей, находящихся в лаборатории. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1998. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: ВШ, 1989. 3. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. - М.: ВШ, 1995. 4. Наркевич И.И. и др. Физика для втузов. ч.2. - Мн.: ВШ, 1994. 5. Гольдин Л.Л. и др. Руководство к лабораторным занятиям по физике. М.: Наука, 1973. 17 Учебное издание ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА ЩЕЛИ, ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ И СИСТЕМЕ МОНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Методические указания Составитель: ст. преподаватель Забиран Т. В. Редактор Т. Л. Матеуш Технический редактор А. А. Щербакова Подписано в печать Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж Заказ Отпечатано на ризографе редакционно-издательского отдела Учреждение образования «Могилевский государственный университет продовольствия». 212027, Могилев, пр-т Шмидта, 3. ЛИ № 02330/0131913 от 08.02.2007. 18
