Дифракция Фраунгофера на одной щели.

УДК 531.19

M-79

Морев А.В., Тимерзянова И.И. Изучение дифракции света: методические указания к лабораторной работе по курсу «Физика» для студентов специальности 280102 “Безопасность технологических процессов и производств” очной формы обучения. - Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2010. – 12 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по курсу общей физики, раздел «Оптика».

Методические указания содержат краткую теоретическую часть и контрольные вопросы. В пособии даны методические рекомендации по порядку выполнения работы, математической обработке результатов измерений и оформлению таблиц.

Рецензент: Третьяков П.Ю.

Тираж 50 экз.

© ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »

© Морев А.В., Тимерзянова И.И.

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет »

Содержание

Введение................................... 4

1 Теоретическая часть........................... 5

2 Экспериментальная часть........................ 8

3 Порядок выполнения работы...................... 10

4 Контрольные вопросы.......................... 11

Библиографический список........................ 12

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальности 280102 “Безопасность технологических процессов и производств” очной формы обучения, соответствуют действующей программе курса физики.

В указаниях кратко излагаются теоретические основы изучаемых явлений, даются описания лабораторных установок, методик выполнения упражнений и способов обработки результатов измерений. В конце работы предлагаются контрольные вопросы, акцентирующие внимание студентов на самые важные части теории и проведенного эксперимента.

Работа посвящена изучению дифракции света.

Цель работы – определение ширины щели и постоянной дифракционной решетки методом дифракции Фраунгофера.

Оборудованием служит установка ФПВ-05-3.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Дифракцией света называется отклонение световых волн от прямолинейного распространения, когда на пути распространения света находятся препятствия или когда свет проходит сквозь отверстия в экранах. Практически дифракция наблюдается, если размеры отверстий или препятствия одного порядка с длиной волны или место наблюдения дифракции находится на большом расстоянии от преграды.

Для объяснения дифракции Гюйгенс предложил рассматривать фронт световой волны, проходящей через отверстие, как совокупность неких вторичных точечных источников излучения. Каждый такой источник излучает сферическую волну. Совокупность сферических волн от всех вторичных источников образует в следующий момент времени новый фронт, который находят как огибающую всех вторичных волн.

Принцип Гюйгенса позволяет качественно объяснить факты огибания световыми лучами препятствий, но не затрагивает вопроса об интенсивности волн, идущих по разным направлениям.

Для точного количественного описания явления дифракции Френель предложил дополнить принцип Гюйгенса положением об интерференции вторичных волн. Согласно представлениям Френеля, вторичные источники волн когерентны, так как происходят от общей первичной волны. Вследствие этого вторичные волны при наложении их друг на друга должны интерферировать.

Для того чтобы определить результат дифракции в некоторой точке пространства, Френель предложил разбить волновую поверхность на отдельные участки − зоны Френеля (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зоны Френеля.

Рассмотрим распространение монохроматической световой волны из точки S (источник) в произвольную точку наблюдения М. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, действия источника S можно заменить действием воображаемых источников, расположенных на вспомогательной поверхности, являющейся сферической поверхностью фронта Ф волны.

Поверхность разбивают на кольцевые зоны так, чтобы расстояние от краев зоны до точки наблюдения отличалось на l/2 (рисунок 1). Амплитуда результирующего светового колебания в точке М можно рассматривать как результат интерференции волн, приходящих в точку наблюдения от зоны Френеля.

Интенсивность света в точке наблюдения М будет зависеть от числа зон Френеля. При четном числе зон Френеля в результате интерференции волн от смежных зон погасят друг друга, поэтому в точке наблюдения М интенсивность света будет минимальна. При нечетном числе зон Френеля в точке наблюдения М будет наблюдаться максимальная интенсивность.

Различают два случая дифракции.

1. Дифракция Френеля – дифракция сферической световой волны на преграде, размер которой сравним с диаметром первой зоны Френеля:

, (1)

где l – расстояние от преграды до точки наблюдения, d – диаметр отверстия, l – длина волны.

2. Дифракция Фраунгофера – дифракция плоской световой волны (дифракция в параллельных лучах) на преграде, размер которой много меньше диаметра первой зоны Френеля:

. (2)

Дифракция Фраунгофера на одной щели.

Дифракция Фраунгофера наблюдается при падении параллельного луча (плоский фронт волны) на щель шириной а (рисунок 2).

Оптическая разность хода между крайними лучами АB и CO, идущими от щели в произвольном направлении j, определяется выражением

, (3)

где D - основание перпендикуляра, опущенного из точки B на луч CO.

Разобьем щель ВС на зоны Френеля, имеющие вид полос, параллельных ребру B щели (рисунок 2). Ширина каждой зоны выбирается так, чтобы раз­ность хода от краев этих зон была равна l/2. Следовательно, на ширине щели а уместится зон.

Тогда при четном числе зон Френеля

(m = 1, 2, 3 …) (4)

в точке F наблюдается дифракционный минимум.

Рисунок 2 – Дифракция Фраунгофера на одной щели.

Если число зон Френеля нечетное, то

(m = 1, 2, 3 …) (5)

в точке F наблюдается дифракционный максимум, соответствующий действию одной нескомпенсированной зоны Френеля.

Отметим, что в прямом направлении, когда j = 0, щель действует как одна зона Френеля и в этом направлении наблюдается центральный дифракционный максимум.

Поиск по сайту: