Изучение явления дифракции света с помощью дифракционной решетки

Цель работы: изучить явление дифракции в монохроматическом свете при помощи дифракционной решетки и щели.

Приборы и принадлежности: лазер, дифракционная решетка (или щель), измерительная линейка и экран.

П р и м е ч а н и е: теоретический материал см. в работе № 4.

Описание установки

Схема эксперимен­таль­ной установки пред­ста­влена на рис. 5.1, где: 1- оптическая скамья, 2 – ис­точник света - лазер, 3 - рейтер для установки ди­фракционной решетки (или щели) 4; 5 - рейтер для установки экрана 6.

Так как в нашем слу­чае в качестве источ­ни­ка света используется ла­зер, дающий коге­рен­т­ный строго параллельный малого сечения пучок света, то в установку нет необходимости вводить линзы, которые обычно ставят впереди и позади дифра­к­ци­он­ной решетки. Диф­ра­кци­онная картина получается четкой и при сравнительно не­боль­шом расстоянии эк­ра­на до диф­рак­ци­он­ной решетки.

На рис. 5.2 сплошными линиями по­ка­заны лучи, дающие на экране в ре­зуль­та­те интерференции максимумы, пунк­тир­ны­ми - лучи, дающие минимумы.

Выполнение работы

1. Определение длины световой волны лазерного луча

1.1. Ознакомиться с установкой.

1.2. Дифракционную решетку вставить в рамку рейтера 3.

1.3. Включить лазер в сеть.

1.4. Направить луч лазера на дифракционную решетку и, передвигая вдоль скамьи рейтер 3, установить его в таком месте, чтобы дифракционная картина была четкой и, по возможности, занимала бы большую часть шкалы.

5. По шкале произвести отсчет координат х_л и х_п одномерных максимумов всех порядков слева и справа от нулевого максимума. Результаты занести в табл. 5.1.

Таблица 5. 1.

	d = , L =
Поря-док макси- мумов	хп	хл	lk = хп -хл	tg к	к	sin к
1 . . 5

1.6. Измерить с помощью линейки расстояние L между дифракционной решеткой и плоскостью экрана. Выписать с дифракционной решетки значение постоянной решетки d.

1.7. Вычислить расстояние l_к между максимумами каждого порядка, а также tg _к. Найти _к и sin _к. Результаты занести в табл. 5.1.

1.8. По формуле (см. 4.9) вычислить длину волны  лазерного луча по данным для каждого порядка максимумов и среднее значение длины волны <>.

1.9. Вычислить угловую дисперсию и разрешающую способность дифракционной решетки для третьего порядка спектра.

2. Определение ширины щели

2.1. В рамку рейтера 3 вместо дифракционной решетки вставить металлическую щель.

2.2. Направляя луч лазера на щель, передвигая рейтер 3 и изменяя ширину щели (если это предусмотрено), добиться четкой дифракционной картины.

2.3. Измерить расстояние между крайними минимумами одного порядка и расстояние L от щели до экрана.

2.4. Вычислить sin _к. Так как угол _к в этом случае мал, то .

2.5. По формуле (см. 4.8) вычислить ширину щели. Значения  (<>) определены в упражнении 1. Результат занести в табл. 5.2.

Таблица 5. 2

Поря-док	<> L
мини-мума	хп	хл	lk = xп - хл

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дифракция света.

2. Принцип Гюйгенса - Френеля.

3. Метод зон Френеля.

4. Дифракция света на одной щели. Условия максимума и минимума.

5. Как выглядит дифракционная картина от дифракционной решетки? Условия максимума. Как меняется картина с увеличением числа щелей?

6. Сравнить дифракционную картину от решетки в монохроматическом и белом свете.

7. Какими величинами характеризуют качество дифракционной решетки?

8. Что такое угловая (линейная) дисперсия дифракционной решетки. Как ее вычислить?

9. С чем связана необходимость введения “разрешающей силы” дифракционной решетки. Что это такое?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ

РАСТВОРА САХАРА ПОЛЯРИМЕТРОМ

Цель работы: изучить естественное вращение плоскости поляризации.

Приборы и принадлежности: поляриметр, трубка для растворов, растворы.

Сведения из теории

Свет естественный и поляризованный

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромагнитные волны, которые являются поперечными, т.е. векторы напряженности электрического и магнитного полей колеблются в направлениях, перпен­ди­ку­ляр­ных направлению распространения луча (угол между направлениями колебаний и также равен /2, рис. 6.1). Так как при взаимодействии света с веществом основную роль играет вектор напряженности электрического поля , то часто его называют световым вектором, и когда говорят о световых колебаниях, то имеют в виду, прежде всего, колебания именно вектора .

У естественного света колебания вектора (а следовательно, и ) по всем направлениям (в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча) происходят с равной вероятностью, быстро и беспорядочно сменяя друг друга (рис. 6.2,а). Свет, у которого направления колебаний упорядочены каким либо образом, называется поляризованным. Различают несколько видов поляризованного света: линейно-поляризованный; частично-поляризованный; поляризованный по эллипсу; поляризованный по кругу. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, свет называется плоскополяризованным (рис.6.2.б). В случае плоскополяризованного света плоскость, в которой колеблется электрический вектор и которая проходит через луч, называют плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов - поляризаторов, которые свободно пропускают колебания только одного направления. Плоскость поляризатора, параллельная тем колебаниям, которые проходят через него, называется главной плоскостью. Если на поляризатор попадает плоскопо­ляризо­Ван­ный свет, то интенсивность прошедшего через него света I связана с интенсивностью падающего света I₀ законом Малюса:

I = I₀ сos²  ,

где  - угол между плоскостью поляризации падающего света и главной плоскостью поляризатора.

Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным (рис. 6.2, в). Такой свет можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного. Он может быть разложен на две плоскопо-ляризованные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний и разными амплитудами Е_min и Е_max (рис. 6.2,г). Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении последнего вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_max до I_min, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол  = /2 (за один полный оборот два раза будет достигаться максимальное и два раза ­ минимальное значение интенсивности). Степень поляризации частично поляризованного света определяется выражением

. (6.1)

Для плоскополяризованного света I_min = 0 и Р = 1. Для естественного света I_max = I_min и Р = 0. Свет, в котором световой вектор меняется со временем так, что конец его описывает эллипс, называется эллиптически поляризованным (рис. 6.2,д). Эллиптически поляризованный свет можно получить при сложении двух когерентных плоскополяризованных световых волн, имеющих некоторый сдвиг фаз и перпендикулярные плоскости колебаний. Частным случаем эллиптической поляризации является свет, при котором конец светового вектора описывает окружность (рис. 6.2,е). Свет, поляризованный по кругу, можно получить при наложении двух волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний, одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз, равным /2.