單縫衍射與光強分布(大物實驗)

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1、實驗單縫衍射及光強分布測試光的干涉和衍射現象揭示了光的波動特性。光的衍射是指光作為電磁波在其傳播路徑上如果遇到障礙物，它能繞過障礙物的邊緣而進入幾何陰影區(qū)內傳播的現象。光在衍射后產生的明暗相間的條紋或光環(huán)叫衍射圖樣，包括：單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑等。根據觀察方式的不同，通常把光的衍射現象分為兩種類型。一種是光源和觀察屏（或二者之一）距離衍射孔（或縫、絲）的長度有限，或者說入射波和衍射波都是球面波，這種衍射稱為菲涅耳衍射，或近場衍射。另一種是光源和觀察屏距離衍射孔（或縫、絲）均為無限遠或相當于無限遠，這時入射波和衍射波都可看作是平面波，這種衍射稱為夫瑯禾費衍射，或遠場衍射。實際

2、上，夫瑯禾費衍射是菲涅耳衍射的極限情形。觀察和研究光的衍射不僅有助于進一步加深對光的波動理論和惠更斯—菲涅耳原理的理解，同時還有助于進一步學習近代光學實驗技術，如光譜分析、晶體結構分析、全息照相、光信息處理等。衍射使光強在空間重新分布，本實驗利用硅光電池等光電器件測量光強的相對分布，是一種常用的光強分布測量方法?！緦嶒災康摹?.觀察單縫衍射現象，加深對波的衍射理論的理解。2.測量單縫衍射的相對光強分布，掌握其分布規(guī)律。3.學會利用衍射法測量微小量的思想和方法。4.加深對光的波動理論和惠更斯—菲涅耳原理的理解。【實驗原理】1.單縫衍射的光強分布光線在傳播過程中遇到7障礙物，如不透明物體的邊緣

3、、小孔、細線、狹縫等時，一部分光會傳播到幾何陰影中去，產生衍射現象。如果障礙物的尺寸與波長相近，那么，這樣的衍射現象就比較容易觀察到。散射角極小的激光器產生激光束，通過一條很細的狹縫（0.1～0.3mm寬），在狹縫后大于0.5m的地方放上觀察屏，就可看到衍射條紋。由于激光束的方向性很強，可視為平行光束，因此觀察到衍射條紋實際上就是夫瑯禾費衍射條紋，如圖1所示。圖1光照射在單縫上時，根據惠更斯—菲涅耳原理：把波陣面上的各點都看成子波波源，衍射時波場中各點的強度由各子波在該點相干疊加決定。即就是說單縫上每一點都可看成是向各個方向發(fā)射球面子波的新波源，由于子波迭加的結果，在屏上可以得到一組平行于

4、單縫的明暗相間的條紋。圖1中寬度為的單縫產生的夫瑯禾費衍射圖樣，其衍射光路圖滿足近似條件：產生暗條紋的條件是：（k=±1，±2，±3，…）(1)暗條紋的中心位置為：(2)兩相鄰暗紋之間的中心是明紋中心；由理論計算可得，垂直入射于單縫平面的平行光經單縫衍射后光強分布的規(guī)律為?。?）是狹縫寬，是波長，是單縫位置到光電池位置的距離，是從衍射條紋的中心位置到測量點之間的距離，其光強分布如圖2所示。7圖2當相同，即相同時，光強相同，所以在屏上得到的光強相同的圖樣是平行于狹縫的條紋。當時，，，在整個衍射圖樣中，此處光強最強，稱為中央主極大；中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級明紋寬度的兩倍。當，即時

5、，I=0在這些地方為暗條紋。暗條紋是以光軸為對稱軸，呈等間隔、左右對稱的分布。中央亮條紋的寬度可用的兩條暗條紋間的間距確定，Dx=2lD/d；某一級暗條紋的位置與縫寬d成反比，d大，x小，各級衍射條紋向中央收縮；當寬到一定程度，衍射現象便不再明顯，只能看到中央位置有一條亮線，這時可以認為光線是沿幾何直線傳播的。次極大明紋與中央明紋的相對光強分別為：=0.047,0.017,0.008,……(4)2.衍射障礙寬度（）的測量由以上分析，如已知光波長，可得單縫的寬度計算公式為　　　　　　　　　(5)式中K是暗條紋級數，D為單縫至屏之間的距離，x為第K級暗條紋距中央主極大中心位置距離。用光的衍射可

6、以測量細縫的寬度。同理，如已知單縫的寬度，可以測量未知的光波長。7根據互補原理，光束照射在細絲上時，其衍射效應和狹縫一樣，在接收屏上得到同樣的明暗相間的衍射條紋。于是，利用上述原理也可以測量細絲直徑及其動態(tài)變化。如圖3所示。【實驗儀器】光強分布測試儀【儀器介紹】1.硅光電池光電接收器2.一維可調移動尺3.光電流檢測主機4.衍射片5.半導體激光器6.半導體激光器電源7.光學導軌【預習思考題】1.光的干涉與衍射有什么異同？2.讓激光發(fā)出的單色光照射到狹縫上，當狹縫寬度逐漸改變時，在光屏上出現的現象怎樣變化？73.如果單縫到接收屏的距離改變，衍射圖樣和相對光強分布線有何變化？【注意事項】1.請不

7、要用眼晴直視激光束，以免損害視網膜。2.光強分布測試儀量程分為兩檔，用以測量不同的光強范圍，使用前應先預熱5分鐘。3．由于硅光電池的受光面積較大，而實際要求測出各個點位置處的光強，所以在硅光電池前裝可調細縫光欄，用以控制受光面積，并把硅光電池裝在帶有螺旋測微裝置的底座上，可沿橫向方向移動，這就相當于改變了衍射角。4．由于激光衍射所產生的散斑效應，光電流會出現一定的跳動屬正?，F象，實驗中可根據判斷選一中間值?！緦嶒瀮热菖c步