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1、单缝衍射测波长通过单缝衍射实验,可具体地观察到单缝衍射现象,学习利用单缝衍射进行光波波长的测量,同时在实验中掌握WDY-1型单缝衍射仪的使用方法。实验目的1.了解单缝衍射的特点,加深对光的波动性的认识。2.学会用单缝衍射仪测量光波波长。实验原理及方法如图1所示,通过单缝后的衍射光经透镜L(相当于望远镜的物镜)会聚屏P上,在屏上呈现出明暗相间的单缝衍射图像。图1由惠更斯一菲涅耳源理可推得单缝衍射的光强分布 (1)式中a是单缝的宽度,为衍射光的波长,为衍射角。当=0时,这是衍射图像中光强的最大值,称为中央主极大。当,(k =0,1,2,3,)时,则,出现暗纹。实际上角很小,所以一般暗纹出现在处,因
2、此,中央主极大两侧暗纹之间的角宽度为,而其它相邻暗纹之间的角度均为。除了中央主极大之外,两相邻暗纹之间都有一次极强,计算得出次极强在下列位置:=0.047,0.017,0.008如图2所示。图2在实验中,一般采用测量暗纹的中心位置,因为:1)暗纹的中心位置易确定2)中央亮纹两侧暗纹的中心位置呈等距离分布。在图1中Pk是第k级暗纹的中心位置,则有 (2)在测量中一般采用测量+k与k两级暗纹的中心位置,令,则上式可改写为 (3)即 (4)式中lk只有焦距f的1%左右,与相比更小,可以忽略的影响,则式(4)可简化为如下形式 (5)测出单缝宽a与中央亮纹对称的两条暗纹的中心们置求得lk,知道衍射级数k
3、,望远镜焦距f,由望远镜上读出聚焦调节量(像方截距)值,即可由式(5)算出所测单色光的波长。仪器构造及使用钠光灯,WDY1型单缝衍射仪,读数显微镜等。图3 WDY-1型单缝衍射仪结构图1单缝 2缝宽调节螺丝 3单缝与望远镜筒的紧固螺丝4读数窗 5望远镜调焦螺旋 6测微手轮 7测微目镜8望远镜仰角调节螺丝 9支架及底座WDY1型单缝衍射仪结构如图3所示,相当一个加装测微目镜的望远镜,可调单缝套在望远镜物镜上。如果钠光灯距物镜的距离可视为无限远,则单缝衍射图样将呈现在物镜的后焦平面上,望远镜的目镜是一个测微目镜,分划板装在目镜的前焦平面上,即单缝 衍射图样恰好成在分划板上,借助分划板上准线的移动可
4、测出各条纹间的距离。实际上,光源不可能放在无限远处,这时衍射图样不能恰好成在分划板上。若要在分划 板上能看到清晰的衍射图样,就必须稍微将物镜前移一些,前移量由读数窗中所示位置 读出(=0的位置,相当于物镜后焦平面与目镜前焦平面重合的位置)。读数显微镜的使用参阅“读数显微镜及测量方法简介”有关部分。实验内容1.调节单缝的宽度,观察衍射图样随缝宽变化的特点。2.测量钠黄光的波长。3.测量缝宽。将单缝置于读数显微镜下测量单缝两边缘的位置、并计算。操作重点及难点望远镜的调节1.调节目镜使分划板上的十字叉丝清晰。2.调节单缝方向使之与钠光灯的光窗缝平行。3.调节叉丝方向使其中一根与衍射条纹平行。4.调节
5、望远镜的物镜,使看到的衍射条纹非常清晰,此时即可记下的值。注意事项lk与缝宽a的测量都是通过测量两个位置而确定的,并且都是通过测微手轮实现测量的,因此在lk与a的测量过程中,测微手轮只能朝一个方向旋转,每个测量的起始位置应该在要测量的两个位置之外(例如,要实现从向的测量,起始位置应在的左侧,使得在测量位置之前,叉丝就是由左向右移动的)。设计性实验设计一个实验方案,用以验证单缝宽度与中央明纹宽度之间的函数关系。预习思考题1.为什么在测量中测微手轮只能朝一个方向旋转?如果转过了头如何补救?2.如果整个仪器放置在水中,衍射图样有何变化?对测量结果有何影响?讨论题列举出光学实验中测量光波波长的方法,试分析其优缺点。