实验41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测2.doc

1 实验 41 单缝衍射的光强分布和细丝直径测量光具有波动性, 衍射是光波动性的一种表现。光的衍射现象是在 17 世纪由格里马第发现的。 19 世纪初, 菲涅耳和夫琅和费分别研究了一系列有关光衍射的重要实验, 为光的波动理论奠定了基础。菲涅耳提出了次波相干迭加的观点,用统一的原理(惠更斯一菲涅耳原理) 分析解释光的衍射现象;利用单缝衍射原理可以对细丝直径进行非接触的精确测量。[学****重点] 1. 通过对夫琅和费单缝衍射的相对光强分布曲线的绘制, 加深对光的波动理论和惠更斯——菲涅耳原理的理解。 2 .掌握使用硅光电池测量相对光强分布的方法。 3 .掌握利用衍射原理对细丝进行非接触测量的方法。[实验原理] 1. 单缝衍射粗略地讲,当波遇到障碍物时,它将偏离直线传播,这种现象叫做波的衍射。衍射系统由光源、衍射屏和接收屏幕组成。通常按它们相互间距离的大小,将衍射分为两类:一类是光源和接收屏幕(或两者之一)距离衍射屏有限远,这类衍射叫做菲涅耳衍射;另一类是光源和接收屏幕都距衍射屏无穷远,这类衍射叫做夫琅和费衍射。本实验研究单缝夫琅和费衍射的情形。如图 41-1 (a) ,将单色线光源 S 置于透镜 L 1 的前焦面上,则由 S 发出的光通过 L 1 后形成平行光束垂直照射到单缝 AB 上。根据惠更斯一菲涅耳原理,单缝上每一点都可以看成是向各个方向发射球面子波的新波源,子波在透镜 L 2 的后焦面(接收屏)上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹。如图 41-1 (b )所示。和单缝平面垂直的衍射光束会聚于屏上的 P 0 处,是中央亮纹的中心,其光强为 I 0 ;与光轴 SP 0成?角的衍射光束会聚于 P ?处, ?为衍射角,由惠更斯一菲涅耳原理可得其光强分布为( 41-1 ) 其中, b 为单缝的宽度, ?为入射单色光波长。由 41-1 式可以得到: 1 .当?=0 时, u=0,P ?处的光强度 I ?=I 0 是衍射图像中光强的最大值,叫主最大。主最大的强度不仅决定于光源的强度,还和缝宽 b 的平方成正比; 图 41-1 (a )单缝衍射(b )衍射图样??? sin , sin 2 20buu uII???2 2 .当 sin ?=k ?/b(k=?1,?2,?3….. )时, u=k?,则有 I ?=0 ,即出现暗条纹的位置。由于?值实际上很小, 因此暗条纹出现在??k?/b处。由此可见, 主最大两侧暗纹之间夹角为??=2 ??b ,而其它相邻暗纹之间夹角为??=??b ,即暗条纹以 P 0 为中心,等间距地、左右对称地分布。当入射光波长一定时?与b 成反比,缝宽变大,衍射角变小,各级条纹向中央收缩。当 b 足够大时( b??) ,衍射现象不明显。 3 .除了主最大以外,两相邻暗纹之间都有一个次最大。由数学计算得出,这些次最大的位置出现在 u=? ?,? ?,? ?,….. 处。这些次最大的相对光强度依次为: ( 41-2 ) 以上是夫琅和费单缝衍射的主要结果,其光强分布曲线如图 41-2 所示。 2. 细丝直径测量一般的细丝直径常用电感测微仪或千分尺进行接触法测量,这种方法受测量力的影响很大,即使在测量力较小的情况下,其相对测量误差也是较大的,而且容易引起细丝的弯曲变形。此外,如测力过小,也由于测量不稳定而无法保证测量精