Fizikai laboratóriumi munka a fény hullámhosszának mérésével. A fény hullámhosszának mérése segítségével

6. sz. laboratóriumi munka

"A fény hullámhosszának mérése diffrakciós ráccsal"

Belyan L.F.,

fizika tanár

MBOU "46. számú középiskola"

Bratsk város

A munka célja:

Folytassa az elképzelések fejlesztését a diffrakció jelenségével kapcsolatban.

Tanulmányozzon egy módszert a fény hullámhosszának meghatározására ismert periódusú diffrakciós rács segítségével.

k =-3 k=-2 k=-1 k=0 k=1 k=2 k=3

Felszerelés:

1.Vonalzó

2. Diffrakciós rács

3. Képernyő keskeny függőleges hasítékkal a közepén

4. Fényforrás – lézer (monokromatikus fényforrás)

Diffrakciós rács

A diffrakciós rács nagyszámú nagyon keskeny rés gyűjteménye, amelyeket átlátszatlan terek választanak el egymástól.

a - átlátszó csíkok szélessége

b - átlátszatlan csíkok szélessége

d = a + b

d- diffrakciós rácsperiódus

A munkaképlet származtatása:

Maximális

Sveta

a

Rács

Képernyő

d bűn φ = k λ

mert akkor kicsik a szögek

bűn φ = tg φ, akkor

Mérőtábla

Spektrum sorrend

V

a

m

d

m

m



 10 -9 m

 Házasodik

 10 -9 m

SZÁMÍTÁSOK:

1 .  =

2.  =

3.  =

 átlag =

Táblázat értékei:

λ cr = 760 nm

Hasonlítsa össze a mért értékeket a kimenetben hullámhosszés táblázatos.

Ellenőrző kérdések:

1. Hogyan változik a diffrakciós mintázat maximumai közötti távolság, amikor a képernyő eltávolodik a rácstól?

2. Hány rendű spektrum nyerhető a munkában használt diffrakciós rácsokból?

ERŐFORRÁSOK:

Fizika. 11. évfolyam. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M.

Tankönyv általános oktatási intézmények számára.

Alap- és profilszintek.

http://ege-study.ru/difrakciya-sveta/

http://kaf-fiz-1586.narod.ru/11bf/dop_uchebnik/in_dif.htm

http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph10/theory.html#.WGEjg1WLTIU

Szövetségi Állami Oktatási Intézmény

felsőfokú szakmai végzettség

"Szibériai Szövetségi Egyetem"

Várostervezési, Gazdálkodási és Regionális Gazdaságtudományi Intézet

Fizika Tanszék

Laborjelentés

A fény hullámhosszának mérése diffrakciós ráccsal

Tanár

V.S. Ivanova

Diák testnevelés 07-04

K.N. Dubinskaya

Krasznojarszk 2009

A munka célja

Fényelhajlás vizsgálata egydimenziós rácson, fény hullámhosszának mérése.

Rövid elméleti bevezető

Az egydimenziós diffrakciós rács átlátszó párhuzamos, egyenlő szélességű a hasítékok sorozata, amelyeket egyenlő b átlátszatlan terek választanak el egymástól. Az átlátszó és átlátszatlan területek méretének összegét szokás periódusnak, vagy d rácsállandónak nevezni.

A rácsozási periódus a milliméterenkénti n vonalak számához kapcsolódik az összefüggés alapján

Az N rácsvonalak teljes száma egyenlő

ahol l a rács szélessége.

A rácson lévő diffrakciós mintázat az összes N résből érkező hullámok kölcsönös interferencia eredménye, azaz. A diffrakciós rács többsugaras interferenciát hajt végre az összes résből érkező koherens, szórt fénysugarak között.

Legyen egy párhuzamos monokromatikus fénysugár hullámhosszal

. A rács mögött a diffrakció következtében a sugarak különböző irányokba fognak terjedni. Mivel a rések egymástól egyenlő távolságra vannak, a Huygens–Fresnel-elv szerint képzett és a szomszédos résekből ugyanabban az irányban érkező másodlagos sugarak útkülönbségei ∆ a teljes rácson azonosak és egyenlőek lesznek.

Ha ez az útkülönbség egy egész számú hullámhossz többszöröse, azaz.

akkor az interferencia során a fő maximumok jelennek meg a lencse fókuszsíkjában. Itt m = 0,1,2, … a fő maximumok sorrendje.

A fő maximumok szimmetrikusan helyezkednek el a középsőhöz vagy nullához képest, m = 0, ami megfelel a rácson eltérés nélkül áthaladó fénysugaraknak (diffraktálatlan,

= 0). A (2) egyenlőséget a fő maximumok feltételének nevezzük a rácson. Minden rés saját diffrakciós mintát is alkot. Azokban az irányokban, ahol az egyik rés minimumokat hoz létre, a többi rések minimumait is megfigyeljük. Ezeket a minimumokat a feltétel határozza meg

A fő maximumok helyzete a λ hullámhossztól függ. Ezért ha fehér fényt engedünk át egy rácson, a középső (m = 0) kivételével minden maximum egy spektrummá bomlik, amelynek az ibolya része a diffrakciós mintázat középpontja felé néz, a vörös része pedig arccal kifelé. A diffrakciós rácsnak ezt a tulajdonságát a fény spektrális összetételének vizsgálatára használjuk, pl. spektrális eszközként diffrakciós rács használható.

Jelöljük a nulla maximum közepe és az 1,2, ... m-ed rendek maximumai közötti távolságot, x 1 x 2 ... x t, valamint a diffrakciós rács síkja és a képernyő közötti távolságot -L . Ezután a diffrakciós szög szinusza

Az utolsó összefüggés segítségével a fő maximumok feltételéből a spektrum bármely vonalának λ-a meghatározható.

BAN BEN kísérleti elrendezés elérhető:

S - fényforrás, CL - kollimátorlencse, S - rés a fénysugár méretének korlátozására, PL - fókuszáló lencse, DR - diffrakciós rács d = 0,01 mm periódussal, E - képernyő a diffrakciós mintázat megfigyelésére. A monokromatikus fényben való munkához szűrőket használnak.

Munkarend

1. Helyezze el a beszerelési részeket 1 tengely mentén a jelzett sorrendben, és rögzítsen egy papírlapot a képernyőre.

2. Kapcsolja be az S fényforrást. Szerelje be a szűrőt fehér.

3. A berendezéshez rögzített vonalzó segítségével mérje meg az L távolságot a rács és a képernyő között.

L 1 = 13,5 cm = 0,135 m, L 2 = 20,5 cm = 0,205 m.

4. Jelölje meg egy papírlapon a nulla felezőpontját, az első és a többi maximumot a középponttól jobbra és balra. Mérje meg az x 1, x 2 távolságot rendkívüli pontossággal.

5. Számítsa ki a fényszűrő által átbocsátott hullámhosszokat!

6. Határozza meg a hullámhossz számtani középértékét a képlet segítségével!

7. Számítsa ki az abszolút mérési hibát a képlet segítségével!

Diffrakciós rács

A munka célja

Diffrakciós rács segítségével kapjunk spektrumot és tanulmányozzuk azt. Határozza meg az ibolya, zöld és vörös sugarak hullámhosszát!

A munka elméleti része

A diffrakciós rácson áthaladó párhuzamos fénysugár a rács mögötti diffrakció következtében minden lehetséges irányba terjed és interferál. A zavaró fény útjába helyezett képernyőn interferenciaminta figyelhető meg. A rács mögött elhelyezett képernyő O pontjában a bármilyen színű sugarak útjában a különbség nulla lesz, itt egy központi nulla maximum lesz - egy fehér csík. A képernyő azon pontján, ahol az ibolya sugarak útkülönbsége megegyezik e sugarak hullámhosszával, a sugarak fázisai azonosak lesznek; itt lesz egy maximum - egy lila csík - F. A képernyő azon pontján, ahol a vörös sugarak útjában a különbség megegyezik a hullámhosszukkal, ott lesz a vörös fénysugarak maximuma - K Az F és K pontok között a fehér szín összes többi komponensének maximuma a hullámhossz növekedésének sorrendjében fog elhelyezkedni. Diffrakciós spektrum keletkezik. Közvetlenül az első spektrum után van egy másodrendű spektrum. A hullámhossz a következő képlettel határozható meg:

Ahol λ a hullámhossz, m

φ az a szög, amelynél a maximumot észleljük egy adott hullámhosszon,

d – diffrakciós rácsperiódus d= 10 -5 m,

k – spektrumrend.

Mivel azok a szögek, amelyeknél az első és másodrendű maximumot megfigyeljük, nem haladják meg az 5 0-t, ezért a szögek szinuszai helyett ezek érintőit is használhatjuk:

ahol a az ablak középpontja és a spektrumsugarak közepe közötti távolság, m;

ℓ - távolság a diffrakciós rácstól a képernyőig, m

Ezután a hullámhossz a következő képlettel határozható meg:

Felszerelés

Fény hullámhosszának meghatározására szolgáló eszköz, diffrakciós rács, izzólámpa.

Előrehalad

1. Szerelje fel a képernyőt 40-50 cm távolságra a rácstól (ℓ).

2. A rácson és a képernyőn lévő résen keresztül a fényforrás felé nézve győződjön meg arról, hogy a diffrakciós spektrumok jól láthatóak a rés mindkét oldalán.

3. A képernyőn látható skála segítségével határozza meg az ablak közepe és az ibolya, zöld és piros sugarak közepe közötti távolságot (a), számítsa ki a fény hullámhosszát a képlet segítségével: ,

4. Miután megváltoztatta a rács és a képernyő közötti távolságot (ℓ), ismételje meg a kísérletet az azonos színű sugarak másodrendű spektrumára.

5. Határozza meg az egyes monokromatikus sugarak átlagos hullámhosszát, és hasonlítsa össze a táblázatos adatokkal.

Táblázat hullámhossz értékek a spektrum egyes színeihez

táblázat Mérések és számítások eredményei

Számítások

1. Az elsőrendű spektrumhoz: k=1, d=, ℓ 1 =

a f1 = , a z1 = és kr1 =

Hullámhossz az elsőrendű spektrumhoz:

- lila szín: , λ f1 =

- Zöld szín: , λ з1 =

- Piros: , λcr1 =

2. Másodrendű spektrumhoz: k=2, d=, ℓ 2 =

a f2 = , a z2 = , a kr2 =

Hullámhossz a másodrendű spektrumhoz:

- lila szín: , λ f2 =

- Zöld szín: , λ з2 =

- Piros: , λcr2 =

3. Átlagos hullámhossz:

- lila szín: , λ fsr =

- Zöld szín: , λ zsr =

- Piros: , λ крр =

Következtetés

Rögzítse a válaszokat válaszoljon a kérdésekre teljes mondatokban

1. Mit nevezünk fényelhajlásnak?

2. Mi az a diffrakciós rács?

3. Hogyan nevezzük a rácsperiódusnak?

4. Írja le a rácsperiódus képletét és megjegyzéseit

Téma: "Fény hullámhosszának mérése diffrakciós ráccsal."

Az óra céljai: kísérleti úton diffrakciós spektrumot kapunk, és diffrakciós rács segítségével meghatározzuk a fény hullámhosszát;

fejleszteni a figyelmességet, kedvességet, toleranciát a kiscsoportos munka során;

felkelteni az érdeklődést a fizika tanulmányozása iránt.

Az óra típusa: lecke a készségek és képességek kialakításában.

Felszerelés: fényhullámhosszak, OT utasítások, laboratóriumi utasítások, számítógépek.

Mód: laboratóriumi munka, csoportokban dolgoznak.

Interdiszciplináris kapcsolatok: matematika, számítástechnika IKT.

Minden valós tudás

tapasztalatból származik és azzal ér véget

A.Einstein.

Az órák alatt

ÉN. Idő szervezése.

Mondja el az óra témáját és célját!

ІІ. 1. Alapvető ismeretek felfrissítése. A hallgatók felmérése (1. melléklet).

Laboratóriumi munkák végzése.

A tanulókat megkérjük, hogy mérjék meg a fény hullámhosszát diffrakciós rács segítségével.

A tanulók kis csoportokba tömörülnek (egyenként 4-5 fő), és közösen végzik a laboratóriumi munkát az utasítások szerint. Számítógépet használva Excel programok végezzen számításokat, és írja be a munka eredményét egy táblázatba (Wordban).

Értékelési szempontok:

Az a csapat, amelyik először teljesíti a feladatot, 5 pontot kap;

a második – 4;

harmadik – 3

Életvédelmi szabályok a munkavégzés során.

Csoportmunka tanári irányítás mellett.

A tanulók munkaeredményeinek általánosítása, rendszerezése.

A munka eredménye egy táblázatba kerül a számítógépen (2. melléklet).

ІІІ.

Összegzés. Hasonlítsa össze a kapott eredményeket a táblázatos adatokkal! Levonni a következtetést.

Visszaverődés.

Minden úgy alakult, ahogy terveztem?

Mit csináltak jól?

Mi volt rosszul?

Mit volt könnyű megtenni, és mi volt váratlanul nehéz?

Dolgozz be kis csoport Segített nekem, vagy további nehézségeket okozott?

VI. Házi feladat.

Munkára jelentkezni.

Tekintse át az elméleti anyagota „Fény interferencia és diffrakciója” témában.

Készítsen keresztrejtvényt „Az elektromágneses hullámok tulajdonságai” témában.

1. függelék

1. Mi a fény?

2. Miből áll a fehér fény?

3. Miért nevezik a fényt látható sugárzásnak?

4. Hogyan lehet a fehér fényt színspektrummá bontani?

5. Mi az a diffrakciós rács?

6. Mit mérhetsz diffrakciós ráccsal?

7. Lehet-e azonos hullámhosszú két különböző színű fényhullám, mint például a vörös és a zöld?

8. És ugyanabban a környezetben?

2. kiegészítés

Piros

10 -7 m

narancs

10 -7 m

Sárga

10 -7 m

Zöld

10 -7 m

Kék

10 -7 m

Kék

10 -7 m

Ibolya

10 -7 m

Laboratóriumi munka

Tantárgy: A fény hullámhosszának mérése.

A munka célja: mérje meg a vörös és lila színek hullámhosszát, hasonlítsa össze a kapott értékeket a táblázatban szereplőkkel.

Felszerelés: egyenes izzószálú villanykörte, meghatározó készülék a fény hullámhossza.

Elméleti rész

Ebben a munkában a fény hullámhosszának meghatározásához 1/100 mm vagy 1/50 mm periódusú diffrakciós rácsot használnak (a periódus a rácson van feltüntetve). Ez az ábrán látható mérési összeállítás fő része. Az 1 rács egy 2 tartóba van beépítve, amely a 3 vonalzó végéhez van rögzítve. A vonalzón egy fekete 4 képernyő található, középen egy keskeny függőleges résszel 5. A képernyő a vonalzó mentén mozoghat, ami lehetővé teszi a távolság és a diffrakciós rács közötti távolság megváltoztatását. A képernyőn és a vonalzón milliméteres skálák találhatók. A teljes telepítés állványra van felszerelve 6.

Ha a rácson és a résen keresztül egy fényforrásra (izzólámpára vagy gyertyára) nézünk, akkor a képernyő fekete hátterén a rés mindkét oldalán 1., 2. stb. sorrendű diffrakciós spektrumot figyelhetünk meg. .

Rizs. 1

Hullámhosszλ képlet határozza megλ = dsinφ/k , Ahold - rácsperiódus;k - spektrumrend;φ - az a szög, amelynél a megfelelő szín maximális fénye megfigyelhető.

Mivel azok a szögek, amelyeknél az 1. és 2. rendű maximumot megfigyeljük, nem haladják meg az 5°-ot, a szögek szinuszai helyett ezek érintői is használhatók. Az ábrából jól látszik, hogytgφ = b/a . TávolságA számolja vonalzó segítségével a rácstól a képernyőig, a távolságotb - a képernyő skála mentén a réstől a kiválasztott spektrumvonalig.

Rizs. 2

A hullámhossz meghatározásának végső képlete aλ = db/ka

Ebben a munkában a hullámhosszok mérési hibáját nem becsüljük meg, mivel az adott szín spektrumának középső részének kiválasztása bizonytalan.

A munka a 2. vagy 2. számú utasítás alapján végezhető el

1. számú utasítás

Előrehalad

1. Készítsen táblázatos jelentéslapot a mérések és számítások eredményeinek rögzítésére.

2. Állítsa össze a mérőberendezést, szerelje fel a képernyőt a rácstól 50 cm távolságra.

3. A fényforrásnál a diffrakciós rácson és az ernyőn lévő résen átnézve és a rácsot a tartóban mozgatva szerelje fel úgy, hogy a diffrakciós spektrumok párhuzamosak legyenek a képernyő skálájával.

4. Számítsa ki a vörös hullámhosszt az 1. rendű spektrumban a képernyő résétől jobbra és balra, határozza meg a mérési eredmények átlagértékét!

5. Tegye ugyanezt amásokszínov.

6. Hasonlítsa össze az eredményeket atáblázatoshullámhosszak.

2. számú utasítás

Előrehalad

Mérjük meg a b távolságot a megfelelő színtől a középső maximumtól balra és jobbra eső első sor spektrumában. Mérje meg a diffrakciós rács és a képernyő közötti távolságot (lásd a 2. ábrát).

Határozza meg vagy számítsa ki a rácsozási periódust d.

Számítsa ki a fény hosszát a spektrum hét színének mindegyikére!

Írja be a mérések és számítások eredményeit a táblázatba:

Szín

b ,balra,m

b ,igaz,m

b ,átlag,m

A ,m

Rendelés

spektrumk

Rácsidőszak

d ,m

Mérveλ , nm

Fiolet

Synth

Kék

Zelenth

Sárga

narancsth

Piros

4. Számítsa ki a kísérlet relatív hibáját minden színre a képlet segítségével!

A munka célja: Határozza meg a fény hullámhosszát diffrakciós rács segítségével!.

Felszerelés:

1. A fény hullámhosszának meghatározására szolgáló eszköz, amely vonalzóból, diffrakciós ráccsal ellátott lemezből és réssel ellátott csúszkából áll.

2. Állvány.

3. 42 V-os izzó a foglalatban.

Rövid elmélet

Mint ismeretes, a fény az elektromágneses hullámok, amelyeket a fény hullámhossza jellemez. A diffrakciós rács arra szolgál, hogy egy meghatározott hullámhosszú fényt elválassza a különböző hullámhosszúságú fénytől, vagy ahogy mondják, a fényt spektrális összetevőire bontsa.. A mű alapja diffrakciós rács A fény diffrakciós és interferencia jelenségei szolgálnak, és a fény hullámtermészete az, ami a fenti két jelenség bekövetkezéséhez vezet.

A diffrakció a fény terjedésének eltérése az egyenes vonaltól egy olyan területre, ahol, ha a fény terjedése egyenes vonalú lenne, árnyék lenne.

Az interferencia fénysugarak hozzáadása, ami világos és sötét csíkok kialakulásához vezet.

Diffrakció. Diffrakció akkor következik be, amikor a fény áthalad átlátszó anyag, amelyben átlátszatlan kis akadályok vannak, vagy átlátszatlan anyagon lévő kis lyukakon keresztül.

Kétféle diffrakció létezik: diffrakció párhuzamos fénynyalábokban ill Fraunhofer diffrakcióés diffrakció széttartó fénysugárban – Fresnel diffrakció. Az első esetben a diffrakciós mintázat megfigyeléséhez vagy napsugarakat használnak, amelyek párhuzamosak, vagy párhuzamos fénysugarat hoznak létre a legegyszerűbb optikai rendszer - egy konvex lencse - segítségével. A második esetben pontszerű fényforrást használnak, például egy kis spirálméretű lámpát.

A Fraunhofer-diffrakciós megfigyelési sémát az ábra mutatja. 1.

1. ábra. Fraunhofer diffrakció.

A fény egyenes vonalú terjedése esetén az 1 lencse által alkotott párhuzamos sugárnyalábnak, amely egy átlátszatlan 1 képernyőn lévő kerek lyukon és a 2 fókuszáló lencsén áthalad, egy pontba kell konvergálnia. A 2. képernyő diffrakciója miatt azonban összetett diffrakciós mintát kapunk, amely váltakozó világos és sötét gyűrűkből áll.

Interferencia. Nál nél interferencia maximum azonos hullámhosszú fényhullámok erősíteni egymást, ha a lényegre térnek megfigyelések ugyanabban a fázisban, És gyengüljön egymást mikor jöjjön az antifázisba . Az interferencia jelenség lényegét a 2. ábra mutatja be.

Rizs. 2. Zavar 2 forrásból.

A B 1 és B 2 pontfényforrások egymástól t távolságra helyezkednek el. Oszcillációk elektromágneses mező ezeken a pontokon ugyanabban a fázisban fordulnak elő. Az interferenciát (azaz a rezgések összeadását vagy kivonását) a képernyőn található A és C pontokban figyeljük meg. távolsági L kontra t és l. Az optikában megállapították, hogy a maximális hullámerősítéshez az útkülönbségnek (azaz a források és a megfigyelési pont közötti távolságok különbségének) meg kell felelnie a következő feltételnek:

és a maximális hullámcsillapításhoz:

Ahol n– egész szám.

ábrából 2 meghatározhatja a löketkülönbséget. Ekkor az előző egyenleteket felhasználva megkaphatjuk, hogy a világos csíkok az A ponttól távol helyezkednek el, a világos csíkok távolsága , a sötét csíkok pedig a világosak között. Nyilvánvaló, hogy az A pontban az útkülönbség nulla, és ezen a ponton a B 1 és B 2 fényforrásokból származó rezgések összeadása figyelhető meg.

Diffrakciós rács. Átlátszatlan csíkokkal elválasztott átlátszó rések sorozatát nevezzük diffrakciós rács. A diffrakciós rács használatakor az egyik résnél fellépő diffrakciós mintázat bonyolultabbá válik, mivel emellett diffrakció minden repedésnél ott is van interferencia résekből származó fényhullámok, amelyek fényforrásnak tekinthetők. A fény maximuma és minimuma megjelenik a képernyőn, a fő maximumok pedig a szögben jelentkeznek j, kielégítve a relációt, ahol a rácsperiódus egyenlő az összeggel rés- és szalagszélességek. Az 1. maximum at pozícióját a kifejezés határozza meg

Az (1)-ből jól látható, hogy adott diffrakciós rácsnál az 1. maximum helyzete különböző hullámhosszokon: minél hosszabb a fény hullámhossza, annál nagyobb a megfigyelt maximum eltérési szöge a beeső fénysugár irányától. .

Munkaprogram

A készülék diagramja a 3. ábrán látható.

3. ábra. Eszköz a hullámhossz meghatározására.

1. Kapcsolja be az izzót.

2. Átnézve a diffrakciós rácson, irányítsa a készüléket a villanykörtére úgy, hogy a lámpa izzószála látható legyen a csúszka nyílásán keresztül. A motor fekete hátterén a nulla mindkét oldalán csíkokból álló diffrakciós spektrumot kell látni. különböző színű. Ha a csíkok nem párhuzamosak a skálával, ez azt jelenti, hogy az izzószál nem párhuzamos a rácson lévő rudakkal. Ebben az esetben kissé el kell forgatni vagy a diffrakciós rácsot, vagy az izzót. Rögzítse a készüléket.

3. Határozza meg a távolságot a csúszkán lévő réstől (nulla) a skála bal oldalán lévő piros csíkig.

4. Határozza meg a távolságot a csúszkán lévő nyílás (nulla) és a skála jobb oldalán lévő piros csík között. Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatba.

5. Határozza meg a piros csík átlagos távolságát a következő képlet segítségével:

Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatba.

6. Határozza meg a távolságot a csúszkán lévő nyílástól (nulla) a skála bal oldalán lévő lila csíkig. Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatban.

7. Határozza meg a távolságot a csúszkán lévő nyílástól (nulla) a skála jobb oldalán lévő lila csíkig. Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatban.

8. Határozza meg a lila csík átlagos távolságát a következő képlet segítségével:

Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatba.

9. Határozza meg a diffrakciós rács és a motor közötti távolságot. Jegyezze fel ezt az értéket a táblázatban.