150403 (566874)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ

СВЕТА НА КОМПАКТ-ДИСКЕ

Цель работы: Углубить представления о явлении дифракции волн (обоснования, виды проявления, условия наблюдения, модели и основы теоретических расчетов). Провести экспериментальные наблюдения и измерения на примере дифракции световых волн.

Оборудование. Транспортир, лазер-брелок, осветитель с лампой накаливания, фрагмент компакт-диска, экран (лист из белого картона).

1. Компакт диск - дифракционная решетка

1.1. Теоретическая часть.

Зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов.

Л уч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой (рис.1). Она характеризуется постоянным шагом d, и условие максимумов в отраженном на ней свете определяется по известной формуле dsinφ_k=k, где k – номер (порядок) максимума, длина волны падающего света. Формула справедлива при нормальном падении луча на диск. В данном случае наблюдаются по два дифракционных максимума с каждой стороны от падающего луча.

Рисунок 1.

1.2. Экспериментальная часть

1.2.1. Экспериментальная установка.

Стенд для проведения экспериментальных наблюдений (рисунок 3) состоит из транспортира 1, на котором жестко закреплены лазер-брелок 2 и фрагмент компакт диска 3. Зеркальные дорожки компакт-диска, имеющие форму дуг, на стенде ориентированы близко к вертикальному направлению. Фрагмент закреплен у нулевой точки транспортира. Брелок ориентирован так, что лазерный луч падает перпендикулярно плоскости фрагмента.

Дифрагированные лучи попадают на боковые стороны транспортира, их углы отклонения определяются по показаниям транспортира. Подготовка прибора включает проверку юстировки лазера. Она считается нормальной, если отраженный луч возвращается в его выходное окно. Проверить это можно по положению пятна на полоске белой бумаги, размещенной вблизи окошка.

Рисунок 3.

Поскольку зеркальные дорожки имеют дугообразную форму, то дифрагированные лучи не лежат строго в плоскости транспортира и поэтому для их наблюдения также следует пользоваться белым экраном, помещая его вблизи шкалы и ориентируя перпендикулярно плоскости транспортира. Нажав на кнопку включателя лазера проверьте точность установки его корпуса и пронаблюдайте интерференционные максимумы слева и справа от оси прибора.

1.2.2. Методика и результаты измерений.

Включив лазер, измерьте углы дифракции для максимумов первого и второго порядка. Проделайте это сначала по левой (α₁ и α₂), а затем - по правой (α₃ и α₄) частям шкалы транспортира. Результаты занесите в таблицу. Вычислите средние значения углов φ₁=(α₁+α₃)/2 и φ₂=(α₄+α₂)/2 .

Длина волны света, излучаемого лазером (приведена на его корпусе), занимает диапазон 620-680 нм. Для расчетов можно воспользоваться средним значением длины волны λ=650 нм=0.65 мкм.

Задание 1. По полученным значениям углов дифракции определите период d дифракционной структуры зеркальной поверхности компакт-диска.

Оцените погрешность метода и запишите полученный результат с указанием интервала.

Таблица 1. Результаты наблюдений дифракции света на компакт-диске ………….

	Угол отклонения α, град	Среднее значение φ, град	Период дифракционной структуры, d, мкм	Среднее значение периода мкм	Относительная погрешность измерения %	Абсолютная погрешность измерения мкм
1	α1
2	α3
3	α2
4	α4

Результаты измерений:

1. Период дифракционной структуры компакт-диска d = ………± ……..;

2. Вдоль радиуса диска на каждом миллиметре размещается n = ………± …… зеркальных дорожек.

Задание 2 (уровень УИРС). Пронаблюдайте, как изменяются поперечные размеры дифракционных максимумов нулевого, первого и второго порядков. Объясните причины замеченных изменений. Какие геометрические параметры зеркальных дорожек можно определить из этих наблюдений.

2. Компакт-диск – зонная пластинка.

2.1. Теоретическая часть.

2.1.1. Зонная пластинка. Зонная пластинка представляет собой совокупность концентрических прозрачных и непрозрачных или зеркальных и незеркальных колец (зон), радиусы которых особым образом упорядочены¹. Зонная пластинка сочетает в себе одновременно свойства собирающей и рассеивающей линз и имеет несколько фокусов, обладает большими значениями хроматической аберрации. Фокусные расстояния зонной пластинки рассчитываются по формуле f_k =R_k ²/kλ. Поскольку шаг спиральной дорожки компакт-диска постоянен, то геометрическая структура его зеркальной поверхности, строго говоря, не соответствует параметрам зонной пластинки, тем не менее, компакт диск можно представить как непрерывную последовательность зонных пластинок с монотонно изменяющимися параметрами. Но если на поверхности компакт-диска с помощью специальной маски оставить открытым кольцевой участок очень малой ширины, то эта открытая часть вполне удовлетворительно демонстрирует свойства зонной пластинки.

2.1.2. Фокусирующее действие компакт-диска.

Применительно к компакт-диску теория позволяет отождествить его с одновременно с вогнутым и выпуклым зеркалами, каждое из которых также имеет несколько фокусов. На рисунке 4 показано, как преобразуется параллельный пучок света, нормально падающий на диск. Отраженные лучи образуют с осью диска два действительных фокуса, которые можно наблюдать на малом экране диаметром около 3 см.

Рисунок 4.

При перемещении экрана вдоль оптической оси установки, фокусы легко обнаруживаются, как места с максимальной концентрацией света. Наиболее ярким является самый дальний из них (первый фокус). Если на диск падает белый свет, то легко наблюдается хроматическая аберрация – зависимость фокусного расстояния от длины волны. В данном случае для красного цвета фокусы располагаются ближе к диску, чем для синего.

2.2. Экспериментальная часть.

Вместо масок, выделяющих кольцевой фрагмент компакт диска, можно использовать узконаправленный луч лазера. При нормальном падении на поверхность диска наблюдается нормально отраженный луч, по которому можно проверить, действительно ли луч падает на диск перпендикулярно поверхности. Четыре других луча, наблюдаемых в отражении, позволяют найти два действительных и два – мнимых фокуса.

Экспериментально фокусные расстояния компакт-дисков наблюдаются на установке, показанной на рисунке 5. На плоском основании перпендикулярно к нему жестко укреплен компакт-диск так, что его центр располагается над плоскостью основания на высоте, примерно равной 1 см. Лазер-брелок закреплен на рейсшине на такой же высоте и так направлен, что луч падает на диск перпендикулярно его поверхности.

Error: Reference source not found

Error: Reference source not found

Рисунок 5

При перемещении рейсшины с лазером вдоль грани основания пятно должно следовать строго вдоль диаметра диска, а отраженный прямой луч - возвращаться в выходное окошко лазера. Проверив нормальность падения луча на диск, отметим ход отраженных от него косых лучей. В местах их пересечения с геометрической осью диска располагаются действительные фокусы.

2.2.1. Методика и результаты измерений.

Наблюдения в монохроматическом свете.

Проверив правильность юстировки лазера, положите на основание лист белой бумаги (формат А4) короткой стороной вплотную к диску и закрепите его кнопками. Проведите на нем осевую линию – перпендикуляр, проходящий через центр диска. Перемещая рейсшину, направьте луч в точку, отстоящую от центра диска на расстояние R₁ и отметьте точками направление косых лучей. В местах их пересечения с осью отметьте точки фокусов. Такие действия и измерения следует проделать не менее четырех раз – дважды с левой, и дважды с правой стороны диска. При этом точки падения лучей слева и справа по возможности следует выбирать симметрично. Результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Задание 2. (Уровень УИР) Проделайте дополнительные измерения, постройте график зависимости F(R) и оцените величину «сферической аберрации» - численную меру зависимости фокусных расстояний от радиуса кольцевой зоны диска. α_сф = δF/δR.

Наблюдения в белом свете.

Установите лампу накаливания на расстоянии около 2 м от зеркальной поверхности диска так, чтобы нить накала находилась на продолжении оси экспериментальной установки. Вставьте в направляющие пазы основания шток с экраном и, перемещая его вдоль оси, проведите наблюдения. Устанавливая затем в осветителе светофильтры с известной длиной волны, измерьте соответствующие им фокусные расстояния.

Таблица 3.

Задание 3. (Уровень УИР). Постройте график зависимости фокусного расстояния от длины волны и рассчитайте для каждой пары соседних результатов значения хроматической аберрации. Определите количественную меру этой «хроматической аберрации» β_хр = δF/δλ. в области первого и второго фокусов.

Цель работы

Углубить представления о явлении дифракции и поляризации света. Освоить технику и методику экспериментальных наблюдений и измерений.

Введение

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны 400 – 750 нм (нанометров). Всем волнам, в том числе и световым, присущи специфически волновые явления: интерференция, дифракция и поляризация.

В результате наложения когерентных световых волн, т. е. волн, разность фаз которых в каждой точке пространства не зависит от времени, происходит ослабление или усиление интенсивности колебаний в различных точках области наложения волн. Это явление называется интерференцией волн (света).

Дифракцией света называется совокупность явлений, которые наблюдаются при прохождении света в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении света через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т. д.). В более узком смысле под дифракцией понимают явление отклонения света в область геометрической тени. Угол дифракции φ ≈ d/λ, поэтому для чёткого наблюдения этого явления необходимо, чтобы размеры препятствий d были сравнимы с длиной волны света λ.

Для поперечных волн, т. е. волн, колебания в которых происходят перпендикулярно направлению их распространения, наблюдается ряд явлений, имеющих общее название поляризации волн.

Часть I. Дифракция света и экспериментальная установка

На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Наилучшим качеством обладают отражательные дифракционные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки настолько малые, что отражая свет, они рассеивают его вследствие дифракции. Таким образом пучок света разбивается на множество когерентных лучей.

Если ширина прозрачных участков а, а ширина непрозрачных промежутков b, то величина d=a+b называется периодом решетки.

Если на решетку нормально (перпендикулярно) к ее поверхности падает свет с длиной волны то, как следует из рисунка 1, лучи, рассеянные под углом к первоначальному направлению от соответствующих мест каждой из щелей, обладают разностями хода dsin (I и II лучи), 2dsin (I и III лучи) и т. д.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы