Лабораторная работа № 43

Раздел 5. Оптика

Тема 5.2. Волновые свойства света

Название лабораторной работы: определение длины световой волны с помощью дифракционной решётки

Учебная цель: получить дифракционный спектр, определить длины световых волн разного цвета

Учебные задачи: наблюдать интерференционную картину, получить спектры первого и второго порядков, определить видимые границы спектра фиолетового света и красного света, вычислить их длины волн.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: измерять длину световой волны, делать выводы на основе экспериментальных данных

знать: устройство дифракционной решётки, период решётки, условия образования максимумов

Обеспеченность занятия

Методические указания по выполнению лабораторного занятия

Лабораторная тетрадь, карандаш, линейка, прибор для определения длины световой волны, подставка для прибора, дифракционная решётка, источник света.

Порядок проведения занятия: работа индивидуальная

Теоретическое обоснование

Параллельный пучок света, проходя через дифракционную решётку, вследствие дифракции за решёткой, распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На экране, установленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать интерференционную картину. Максимумы света наблюдаются в точках экрана. Для которых выполняется условие:  = n  (1)

 - разность хода волн;  - длина световой волны, n – номер максимума. Центральный максимум называют нулевым: для него  = 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков.

Условие возникновения максимума (1) можно записать иначе: n  = d Sin 

Рисунок 1

Здесь d – период дифракционной решётки,  - угол, под которым виден

световой максимум (угол дифракции). Так как углы дифракции малы, то для них можно принять Sin  = tg , а tg  = a/b рисунок 1, поэтому n  = d а/ b (2)

Эту формулу используют для определения длины световой волны.

В результате измерений было установлено, что для красного света λкр = 8 10-7 м, а для фиолетового - λф = 4 10-7 м.

В природе нет никаких красок, есть лишь волны разных длин волн

Анализ формулы (1) показывает, сто положение световых максимумов зависит от длины волны монохроматического света: чем больше длина волны. Тем дальше максимум от нулевого.

Белый свет по составу – сложный. Нулевой максимум для него - белая полоса, а максимумы высших порядков представляют собой набор цветных

полос, совокупность которых называют спектром  и  рисунок 2

Рисунок 2

Прибор состоит из бруска со шкалой 1, стержнем 2, винта 3 (можно регулировать брусок под разными углами). Вдоль бруска в боковых пазах можно перемещать ползунок 4 с экраном 5. К концу бруска прикреплена рамка 6, в которую вставляют дифракционную решётку, рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 3 дифракционная решётка

Дифракционная решётка разлагает свет в спектр и позволяет точно определить длины световых волн

Рисунок 5

Порядок выполнения работы

Собрать установку, рисунок 6

Установить источник света, включить его.

Смотря через дифракционную решётку, направить прибор на лампу так, чтобы через окно экрана прибора была видна нить лампы

Экран установить на возможно большем расстоянии от дифракционной решётки.

Измерить по шкале бруска расстояние «b от экрана прибора до дифракционной решётки.

Определить расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана до середины фиолетовой полосы как слева «а л », так и справа «а п » для спектров  порядка, рисунок 4 и вычислить среднее значение, а ср

Опыт повторить со спектром  порядка.

Такие же измерения выполнить для красных полос дифракционного спектра.

Вычислить по формуле (2) длину волны фиолетового света для спектров  и  порядков, длину волны красного света  и  порядков.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1

Сделать вывод

Таблица №1

Период дифракционной решётки d мм

Порядок спектра

Расстояние от дифракционной решётки до экрана

Границы спектра фиолетового

Границы спектра красного

Длина световой

Красного Излучения

Фиолетового Излучения

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторному занятию

Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая полоса, а максимум высших порядков – набор цветных полос?

Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?

В каких точках экрана получаются , ,  максимумы?

Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?

В каких точках экрана получается световой минимум?

Чему равна разность хода светового излучения (= 0,49 мкм), дающего 2-й максимум в дифракционном спектре? Определите частоту этого излучения

Дифракционная решётка и её параметры.

Определения интерференции и дифракции света.

Условия максимумов света от дифракционной решётки.

По окончанию практической работы студент должен представить: - Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.
Список литературы:

В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2016

Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000

Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями

О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2015

РАБОТА № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

Цель работы : ознакомиться с явлением дифракции света, произвести измерения и вычислить длины волн основных линий излучения паров ртути в видимой части спектра.

Оборудование : осветители, блоки питания , шкала с щелью, дифракционная решетка.

Описание метода

Дифракцией называется огибание световой волной границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям.

Пользуясь явлением дифракции света, можно с помощью дифракционной решетки измерить длину световой волны. Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных друг другу щелей равной ширины, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Расстояние между серединами соседних щелей, равное ( a + b ) = d , где b – ширина щели, a – ширина непрозрачного промежутка между щелями, называется периодом дифракционной решетки (рис. 1).

При падении на решетку плоской монохроматической световой волны каждая точка щелей становиться источником вторичных сферичных когерентных волн, распространяющихся от решетки во всех направлениях. Плоской называется волна, фронт которой представляет собой плоскость, отделяющая область, вовлеченную проходящей волной в колебательный процесс, от области пространства, до которой еще не дошла волна и не начались колебания. Если на пути волн за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы, будет наблюдаться дифракционная картина: 100%">

Если складываются лучи, идущие от разных, но не от соседних щелей, и при этом возникает разность хода, равная нечетному числу полудлин волн, то возникают добавочные минимумы. Их условие имеет вид

где N – общее число щелей дифракционной решетки,

m ¢ = 1, 2, 3,…,N – 1.

Внешне появление дополнительных минимумов проявляется в том, что дифракционная картина представляет собой широкие темные полосы, разделенные светлыми узкими линиями главных максимумов. Чем больше штрихов содержит дифракционная решетка, тем уже получаются дифракционные максимумы, тем выше разрешающая способность решетки

https://pandia.ru/text/80/046/images/image006_17.gif" width="628" height="260">

Если на решетку падает не монохроматический, а белый свет, то все главные максимумы, кроме центрального, разлагаются в спектр, и картина приобретает вид, представленный на рис. 2. Из (2) видно, что в этих спектрах красные лучи более удалены от центра, чем фиолетовые, т. к. l к > l ф .

Описание установки

https://pandia.ru/text/80/046/images/image008_12.gif" width="393" height="290">
Схема установки показана на рис. 3. Свет от источника 1, пройдя узкую щель 2 в кожухе лампы 3, падает практически параллельным пучком на дифракционную решетку 5. Наблюдается дифракционная картина глазом. При этом глаз проецирует светлые линии на шкалу 4, на которой видна дифракционная картина.

Из треугольника ABC видно, что угол дифракции j для отдельных полос можно найти из равенства

где L – расстояние от щели до дифракционной решетки; l – расстояние от максимума нулевого порядка (от щели) до интересующей нас полосы спектра.

Выполнение измерений

1. Включить осветитель с ртутной лампой, имеющей линейчатый спектр.

2. Установить дифракционную решетку по возможности дальше от щели так, чтобы отчетливо были видны спектры первого и второго порядков. Измерить расстояние L от щели до решетки. Плоскость решетки необходимо располагать перпендикулярно к световым лучам.

3. Глядя через решетку на щель, измерить по шкале расстояние от середины щели до фиолетовой линии в спектрах первого и второго порядков. Следует измерить l ’ и l ” (вправо и влево от щели). Результаты измерений занесите в таблицу.

4. Используя формулы (2) и (5), определить длину волны фиолетовых лучей. Значение периода решетки d указано на установке.

0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Порядок спектра

Влево l ¢ , мм

Вправо l ¢¢ ,мм

sin j

l i , мм

<l > , мм

Фиолетовый

Оранжевый

7. Записать окончательный результат для каждого цвета:

8. Сделать вывод, считая d l для всех цветов одинаковой. Сравнить полученные длины волн с табличными.

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой дифракционная решетка?

2. Чему равен период дифракционной решетки, у которой на 1 мм нанесено 1000 штрихов?

3. Каково условие получения главных максимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?

4. Каково условие получения главных минимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?

5. Что представляют собой зоны Френеля и от чего зависит число зон Френеля, укладывающихся на плоской щели?

6. Каков наибольший порядок спектра от дифракционной решетки с периодом d = 3,5 мкм, если длина волны света l = 600 нм?

7. Как изменяется интенсивность главных максимумов с увеличением числа щелей N при дифракции от многих щелей?

8. В чем заключается дифракция света?

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Сибирский федеральный университет"

Институт градостроительства, управления и региональной экономики

Кафедра Физики

Отчет по лабораторной работе

Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Преподаватель

В.С Иванова

Студент ПЭ 07-04

К.Н. Дубинская

Красноярск 2009

Цель работы

Изучение дифракции света на одномерной решетке, измерение длины световой волны.

Краткое теоретическое введение

Одномерная дифракционная решетка представляет собой ряд прозрачных параллельных щелей одинаковой ширины а, разделенных равными непрозрачными промежутками b. Сумму размеров прозрачного и непрозрачного участков принято называть периодом, или постоянной решеткой d.

Период решетки связан с числом штрихов на одном миллиметре n соотношением

Общее число штрихов решетки N равно

где l – ширина решетки.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех N щелей, т.е. дифракционная решетка осуществляет многолучевую интерференцию когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Пусть на решетку падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны . За решеткой в результате дифракции лучи будут распространяться по разным направлениям. Так как щели находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, то разности хода ∆ вторичных лучей, образующихся согласно принципу Гюйгенса – Френеля и идущих от соседних щелей в одном направлении , будут одинаковы в пределах всей решетки и равны

Если эта разность хода кратна целому числу длин волн, т.е.

то при интерференции в фокальной плоскости линзы возникнут главные максимумы. Здесь m = 0,1,2, … - порядок главных максимумов.

Главные максимумы расположены симметрично относительно центрального, или нулевого, с m = 0, соответствующего лучам света, прошедшим через решетку без отклонений (недифрагированным, = 0). Равенство (2) называют условием главных максимумов на решетке. Каждая щель также образует свою дифракционную картину. В тех направлениях, в которых одна щель дает минимумы, будут наблюдаться минимумы и от других щелей. Эти минимумы определяются условием

Положение главных максимумов зависит от длины волны λ. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (т = 0), разложатся в спектр, фиолетовая часть которого будет обращена к центру дифракционной картины, а красная - наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света, т.е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор.

Обозначим расстояние между серединой нулевого максимума и максимумами 1,2, ... m- го порядков, соответственно, х 1 х 2 ... х т а расстояние между плоскостью дифракционной решетки и экраном -L. Тогда синус угла дифракции

Используя последнее соотношение, из условия главных максимумов можно определить λ любой линии спектра.

В экспериментальной установке имеются:

S- источник света, КЛ- коллиматорная линза, Щ- щель для ограничения размеров пучка света, ФЛ- фокусирующая линза, ДР- дифракционная решетка с периодом d = 0.01 мм, Э- экран для наблюдения дифракционной картины. Для работы в монохроматическом свете используются светофильтры.

Порядок выполнения работы

1. Расположим детали установки по 1 оси в указанном порядке, закрепляем на экране лист бумаги.

2. Включаем источник света S. Устанавливаем светофильтр белого цвета.

3. Измеряем прикрепленной к установке линейкой расстояние L от решетки до экрана.

L 1 = 13.5см=0.135м, L 2 =20.5см=0.205м.

4. Отмечаем на листе бумаги середины нулевого, первого и других максимумов вправо и влево от центра. С предельной точностью измерить расстояние х 1, х 2 .

5. Рассчитаем длины волн, пропускаемых светофильтром.

6. Найдем среднеарифметическое значение длины волны по формуле

7. Рассчитаем абсолютную погрешность измерений по формуле

где n – число изменений, ɑ - доверительная вероятность измерения, t ɑ (n) – соответствующий коэффициент Стьюдента.

8. Окончательный результат записываем в виде

9. Сравниваем полученную длину волны с теоретическим значением. Записываем вывод по работе.

Тема: « Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки».

Цели урока: экспериментально получить дифракционный спектр и определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки;

воспитывать внимательность, доброжилательность, толерантность в процессе работи в малых группах;

развивать интерес к изучению физики.

Тип урока: урок формирования умений и навыков.

Оборудование: длины световой волны, инструкция по ОТ, инструкции по выполнению лабораторной работы, компьютеры.

Методы проведения: лабораторная работа, работа в группах.

Межпредметные связи: математика, информатика ИКТ.

Все познание реального мира

исходит из опыта и завершается им

А. Эйнштейн.

Ход урока

І. Организационный момент.

Сообщение темы и цели урока.

ІІ. 1. Актуализация опорных знаний. Опрос обучающихся (Дополнение 1).

Выполнение лабораторной работы.

Обучающимся предлагается измерять длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Обучающиеся объединяются в малые группы (по 4-5 человек) и вместе выполняют лабораторную работу согласно инструкции. С помощью компьютерной программы Excel делают вычисления и результаты работы заносят в таблицу (в программе Word).

Критерии оценивания:

Команда, выполнившая задание первой, получает – оценку 5;

второй – оценку 4;

третьей – оценку 3

Правила безопасности жизнедеятельности во время выполнения работы.

Работа в группах под руководством преподавателя.

Обобщение и систематизация обучающимися результатов работы.

Результат работы заносится в таблицу на компьютере (Дополнение 2) .

ІІІ.

Подведение итогов. Сравнить полученные результаты с табличными данными. Сделать выводы.

Рефлексия.

Всё ли получилось так, как я задумывал?

Что было сделано хорошо?

Что было сделано плохо?

Что было выполнить легко, а что оказалось неожиданно трудно?

Работа в малой группе мне помогла или создала дополнительные трудности?

VI. Домашнее задание.

Оформить работу.

Повторить теоретический материал по теме «Интерференция и дифракция света» .

Составить кроссворд по теме «Свойства электромагнитных волн».

Дополнение 1

1. Что такое свет?

2. Из чего состоит белый свет?

3. Почему свет называется видимым излучением?

4. Как разложить белый свет в цветной спектр?

5. Что такое дифракционная решетка?

6. Что можно измерить с помощью дифракционной решетки?

7. Могут ли две разноцветные световые волны, например красного и зеленого излучений, иметь одинаковые длины волн?

8. А в одной среде?

Дополнение 2

Красный

10 -7 м

Оранжевый

10 -7 м

Желтый

10 -7 м

Зеленый

10 -7 м

Голубой

10 -7 м

Синий

10 -7 м

Фиолетовый

10 -7 м

Лабораторная работа

Тема: Измерение длины световой волны.

Цель работы: измерить длину волны красного и фиолетового цветов, сравнить полученные значения с табличными.

Оборудование: электрическая лампочка с прямой нитью накаливания, прибор для определения длины световой волны.

Теоретическая часть

В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.

Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.

Рис. 1

Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k , где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.

Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a . Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.

Рис. 2

Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka

В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета.

Работу можно выполнять используя инструкции №2 или №2

Инструкция №1

Ход работы

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

2. Соберите измерительную установку, установите экран на расстоянии 50 см от решетки.

3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.

4. Вычислите длину волны красного цвета в спектре 1-го порядка справа и слева от щели в экране, определите среднее значение результатов измерения.

5. Проделайте то же для других цвет ов .

6. Сравните полученные результаты с табличными длинами волн.

Инструкция № 2

Ход работы

Измерьте расстояние b до соответствующего цвета в спектре первого по строке влево и вправо от центрального максимума. Измерьте от-стань а от дифракционной решетки до экрана (см.рисунок 2).

Определите или рассчитайте период решетки d.

Вычислите длину света для каждого из семи цветов спектра.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

Цвет

b ,слева,м

b ,справа,м

b ,среднее,м

а ,м

Порядок

спектра k

Период решетки

d ,м

Измеренное λ , нм

Фи олетовый

Син ий

Голубой

Зелен ый

Жёлтый

Оранжев ый

Красный

4. Вычислите относительную погрешность эксперимента для каждого цвета по формуле

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Сибирский федеральный университет"

Институт градостроительства, управления и региональной экономики

Кафедра Физики

Отчет по лабораторной работе

Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Преподаватель

В.С Иванова

Студент ПЭ 07-04

К.Н. Дубинская

Красноярск 2009

Цель работы

Изучение дифракции света на одномерной решетке, измерение длины световой волны.

Краткое теоретическое введение

Одномерная дифракционная решетка представляет собой ряд прозрачных параллельных щелей одинаковой ширины а, разделенных равными непрозрачными промежутками b. Сумму размеров прозрачного и непрозрачного участков принято называть периодом, или постоянной решеткой d.

Период решетки связан с числом штрихов на одном миллиметре n соотношением

Общее число штрихов решетки N равно

где l – ширина решетки.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех N щелей, т.е. дифракционная решетка осуществляет многолучевую интерференцию когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Пусть на решетку падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны

. За решеткой в результате дифракции лучи будут распространяться по разным направлениям. Так как щели находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, то разности хода ∆ вторичных лучей, образующихся согласно принципу Гюйгенса – Френеля и идущих от соседних щелей в одном направлении , будут одинаковы в пределах всей решетки и равны

Если эта разность хода кратна целому числу длин волн, т.е.

то при интерференции в фокальной плоскости линзы возникнут главные максимумы. Здесь m = 0,1,2, … - порядок главных максимумов.

Главные максимумы расположены симметрично относительно центрального, или нулевого, с m = 0, соответствующего лучам света, прошедшим через решетку без отклонений (недифрагированным,

= 0). Равенство (2) называют условием главных максимумов на решетке. Каждая щель также образует свою дифракционную картину. В тех направлениях, в которых одна щель дает минимумы, будут наблюдаться минимумы и от других щелей. Эти минимумы определяются условием

Положение главных максимумов зависит от длины волны λ. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (т = 0), разложатся в спектр, фиолетовая часть которого будет обращена к центру дифракционной картины, а красная - наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света, т.е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор.

Обозначим расстояние между серединой нулевого максимума и максимумами 1,2, ... m- го порядков, соответственно, х 1 х 2 ... х т а расстояние между плоскостью дифракционной решетки и экраном -L. Тогда синус угла дифракции

Используя последнее соотношение, из условия главных максимумов можно определить λ любой линии спектра.

В экспериментальной установке имеются:

S- источник света, КЛ- коллиматорная линза, Щ- щель для ограничения размеров пучка света, ФЛ- фокусирующая линза, ДР- дифракционная решетка с периодом d = 0.01 мм, Э- экран для наблюдения дифракционной картины. Для работы в монохроматическом свете используются светофильтры.

Порядок выполнения работы

1. Расположим детали установки по 1 оси в указанном порядке, закрепляем на экране лист бумаги.

2. Включаем источник света S. Устанавливаем светофильтр белого цвета.

3. Измеряем прикрепленной к установке линейкой расстояние L от решетки до экрана.

L 1 = 13.5см=0.135м, L 2 =20.5см=0.205м.

4. Отмечаем на листе бумаги середины нулевого, первого и других максимумов вправо и влево от центра. С предельной точностью измерить расстояние х 1, х 2 .

5. Рассчитаем длины волн, пропускаемых светофильтром.

6. Найдем среднеарифметическое значение длины волны по формуле

7. Рассчитаем абсолютную погрешность измерений по формуле