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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划单缝衍射大学物理实验报告实验名称：测量单缝衍射的光强分布实验目的：a观察单缝衍射现象及其特点；b测量单缝衍射的光强分布；c应用单缝衍射的规律计算单缝缝宽；实验仪器：导轨、激光电源、激光器、单缝二维调节架、小孔屏、一维光强测量装置、WJH型数字式检流计。实验原理和方法：光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物，改变光的直线传播，称为光的衍射。当障碍物的大小与光的波长大得不多时，如狭缝、小孔、小圆屏、毛发、细针、金属丝等，就能观察到明显的光的衍射现象，亦即光线偏离直线路程的现象。光的衍射分
2、为夫琅和费衍射与费涅耳衍射，亦称为远场衍射与近场衍射。本实验只研究夫琅和费衍射。理想的夫琅和费衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。单缝的夫琅和费衍射光路图如下图所示。a.理论上可以证明只要满足以下条件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域：a2a2?或L?88L式中：a为狭缝宽度；L为狭缝与屏之间的距离；?为入射光的波长。可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取a?1?10m，入射光是He?Ne激光，?4其波长为，a2?2cm，所以只要取L?20cm，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但实验证明，取L?50cm，结果较为理想。b.根据惠更斯费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律：I?(sinu
3、/u)2I0式中：u?(?asin?)/?暗纹条件：由上式知，暗条纹即I?0出现在u?(?asin?)/?，?2?，?即暗纹条件为asin?k?，k?1，k?2，?明纹条件：求I为极值的各处，即可得出明纹条件。令(来自:写论文网:单缝衍射大学物理实验报告)d(sin2u/u2)?0du推得u?tanu此为超越函数，同图解法求得：u?0，?，?，?，?即asin?0，?，?，?，?可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件asin?(2k?1)?/2，k?1，2，3，?只是近似准确的。单缝衍射的相对光强分布曲线如下图所示，图中各级极大的位置和相应的光强如下：sin?I0?/a?/a?/aI0.c.应用单
4、缝衍射的公式计算单缝缝宽由暗纹条件：asin?k?并由图有：Xk?Ltan?k由于?很小，所以Xk?L?k?kL?/a令b?Xk?1?Xk?L?/a，则a?L?/b由此可见，条纹间距b正比于L和?，反比于缝宽a。由实验曲线测出b，即可算出缝宽a。d.实验证明，若将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝，屏上夫琅和费花样和同样宽度的单缝衍射花样是一样的，故只需将单缝宽度a用金属细丝直径d代替，就可完全应用以上的理论和公式。实验内容和步骤：实验主要内容是观察单缝衍射现象，测量单缝衍射的光强分布，并计算出缝宽a。实验中用硅光电池作光强I的测量器件。硅光电池能直接变为电能，在一定的光照范围内，光电池的光
5、电流i与光照强度I成正比。本实验用的是WJH型数字式检流计，以数字显示来检测光电流。它是采用低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流a进行处理，从而将光强I以数字显示出来。a按下图接好实验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等高，要注意将激光器调平；b激光器与单缝之间的距离以及单缝与一维光强测量装置之间的距离均置为50cm左右，?3加上本实验采用的是方向性很好，发散角1?101?10?5rad的He?Ne激光作为光源，这样可满足夫琅和费衍射的远场条件，从而可省去单缝前后的透镜L1和L2。；c点亮He?Ne激光器，使激光垂直照射于单缝的刀口上，利用小孔屏调好光路，须特别注意的是：观察时不
6、要正对电源，以免灼伤眼睛。d将WJH接上电源开机预热15min，将量程选择开关置I档，衰减旋钮置校准为止。调节调零旋钮，使数据显示器显示“-000”。以后在测量过程中如果数码管显示“999”，此为超量程知识，可将量程调高一档。如果数字显示小于190，且小数点不在第一位时，可将量程减少一档，以充分利用仪器分辨率。e.将小孔屏置于光强测量装置之前，调二维调节架，选择所需的单缝缝宽a，观察小孔屏上的衍射花纹，使它由宽变窄及由窄变宽重复几次，一方面观察在调节过程中小孔屏上的各种现象和变化规律，另一方面调节各元件，使小孔屏上的衍射图像清晰、对称、条纹间距适当，以便测量。这一步是测量效果是否理想的关键。f
7、.移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高度一致，移动方向与激光束垂直，起始位置适当。g.关掉激光电源，记下本底读数再打开激光电源，开始测量。为消除空程，减小误差，应转动手轮使光电探头单方向移动，即沿衍射图像的展开方向，从左向右或从右向左，每次移动，单向、逐点记下衍射图像的位置坐标X和相应的光强。h.在坐标格子上以横轴为距离，纵轴为光强，将记录下来的数值描绘出来。就得单缝衍射的光强分布图。若以光强最大值I0除各数值，也可得出单缝衍射的相对光强分布图。i.测出狭缝到硅光电池的距离L，并从光强分布图上测出b或X1，算出狭缝缝宽a。j.用读数显微镜直接测出缝宽，测5次，取平均值，与
8、衍射测量结果比较，求相对误差。参数及数据记录：见附表数据处理：L?50cm?650nm?10?7m中央明纹半宽度为：X1?10?3m2?10?7m?10?4m则：a?L?/X1?10m思考题：2激光输出的光强如有变动，对单缝衍射图像和光强分布曲线有无影响？有何影响？答：激光输出的光强增大时，衍射图像明纹变亮，光强分布曲线变陡，当输出光强减弱时，衍射图像明纹变暗，光强分布曲线变平缓。4用实验中所应用的方法是否可测量细丝直径？其原理和方法？答：可以，把单缝换成要测量的金属丝，屏上夫琅和费衍射花样和同样宽度的单缝衍1当缝宽增加一倍时，衍射花样的光强和条纹宽度将会怎样改变？如缝宽减半，又怎样改变？答：
9、由a?L?/b可知，当a增加一倍时，L、?保持不变，b变为原来的1/2，光强增加，条纹变细。当a减半时，b变为原来的两倍，光强减弱，条纹变宽。射花样的一样，故只需将单缝宽度a换成细丝直径d，则可计算出d。单缝衍射大物实验报告思考题硅光电池的进光狭缝宽度对实验结果的影响硅光电池前的狭缝光阑的宽度如果大于单缝衍射条纹的宽度，可能无法检测出暗条纹的位置，而导致测量结果误差偏大甚至错误。单缝衍射中，影响波长的主要因素是什么?应采取什么措施?光源的稳定性和单色性，采取措施是，使用相干性非常好的激光光源作为入射光，以保证良好的稳定性和单色性！单缝衍射的光强分布与缝宽测量摘要：本文主要介绍了通过观察单缝的夫
10、琅和费衍射现象及其随单缝宽度变化的规律，加深对光的衍射理论的理解。学习光强分布的光电测量方法。利用衍射图案测定单缝的宽度。关键词：单缝衍射；光强分布；光电流；单缝缝宽TheLightintensitydistributionoftheSingle-slitdiffractionandtheSeamwidthdeterminationAbstract:ThemainpurposeoftheexperimentistoobservethesingleslitFraunhoferdiffractionphenomenaandsingleslitwidthwithchangerules,deepent
11、heunderstandingoflightdiffractiontheory.Learninglightintensitydistributionofphotoelectricmeasuringmethod.Diffractionpatterndeterminethewidthofthesingleslot.Keywords:Single-slitdiffraction；Lightintensitydistribution；photo-current；theseamwidth一、引言单缝衍射的基本解释是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播。而所谓的夫琅禾费衍射是指光源、衍射屏和
12、观察屏三者之间都是相距无限远的情况。即当入射光和衍射光都是平行的情况。其图案是一组平行于狭缝的明暗相间的条纹。与光轴平行的衍射光束是亮纹的中心，其衍射光强为极大值。除中央主极大外，两相邻暗纹之间有一次极大。位置离主极大越远，光强越小。二、实验原理夫琅和费衍射是平行光的衍射，在实验中可借助两个透镜来实现，如图1所示。与光轴平行的衍射光会聚于屏上Po处，是中央亮纹的中心，其光强设为lo；与光轴成角的衍射光束会聚于P?处，可以证明,P?处的光强为l?图1夫琅禾费单缝衍射光路图?asin?sin2uu?I?I0，?u2式中：a为狭缝宽度，为单色光的波长。由上式得：当u?0时，衍射光强有最大值。此光强对
13、应屏幕上的P0点，称为主极大。当u?k?k?1,?2,?3.?时，衍射光强有极小值，对应于屏上的暗纹。由于值实际上很小，因此可近似地认为暗纹对应的衍射角为?k?/a。显然，主极大两侧暗纹之间的角宽度为?2?/?，而其他相邻暗纹之间的角宽度为?/?。除中央主极大外，两相邻暗纹之间都有一个次极大，由式可求出这些次极大出现在sin?,?,?,?处，对应光强依次为aaaa?I?,?I0夫琅禾费单缝衍射光强分布曲线如图2所示。I/I0(?/a)图2夫琅禾费单缝衍射光强分布曲线三、实验内容本实验使用He-Ne激光作光源，因为He-Ne激光束具有很好的方向性，光束细锐，能量集中，加之一般衍射狭缝宽度很小，故
14、准直透镜L1可忽略不用。若将观察屏放在距单缝较远处，则聚焦透镜L2也可以忽略不用。实验中取单缝到观察屏的距离Z为左右，单缝宽度a为到。1.测量夫琅禾费单缝衍射的光强分布依次将激光器、单缝、光电池放在光具座上，单缝到观察屏的距离Z取为。开启激光器电源，调节工作电压为5mA，预热30min，使其输出功率稳定。先用纸屏在光电池处观察衍射图样，调节光路使狭缝竖直，衍射图样沿水平方向展开。适当调节缝宽保证光电池移动时能测到?3级亮条纹。检流计使用档，在中央亮条纹处应有较大的示数。为使测量准确，先粗略测量?1级亮条纹处光电流是否相等，到中央亮条纹距离是否相等。若不相等，可微调狭缝横向位置和缝宽。先记录探测器暗电流和背景光引起的电流，以便对测量数据作出修正。旋转测距支架上的测微螺旋，使光电池进光孔从左到右驻点扫描，每隔记录一组数据，并注意光强级大、次极大、极小的位置。根据测量数据，做光电流i/i0与位置x的关系曲线，并与理论结果比较。2.测量单缝宽度a由衍射光强分布曲线求单缝宽度a，并与测微目镜测量结果比较。四、结果与讨论1.测量夫琅禾费单缝衍射的光强分布2.测量单缝宽度a由衍射光强分布曲线可找到主极大和?1,?2,?3级次极大由公式a?k?Z/xk式中?为单色光波长，Z单缝到光电池距离。又由已知?650nm，测量得Z?得到：故：?
