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1、实验三单缝衍射测缝宽实验一、实验目的1.观察单缝衍射现象及其特点；2.用硅光电池测谧单缝衍射的光强分布；3.用单缝衍射的规律计算单缝缝宽；二、实验原理：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。光的衍射分为夫琅和费衍射与费涅邛衍射，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，其入射光朿和衍射光朿均是平行光。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
2、件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域：22—»—8L8式中：a为狭缝宽度；L为狭缝与屏之间的距离；A为入射光的波长。可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取入射光是7^-Afe激光，其波为632.80nm,-1.6cm2cm，所以只要取L220cm，就可满足夫踉和费衍射2的远场条件。但实验证明，取L=50cm，结果较为理想。b.根据惠更斯一费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律：—=(sinw/w)2喑纹条件：由上式知，喑条纹即/=0出现在i/=(;msin^9)//l=±;r，二±2疋，…即喑纹条件为asing)=k又，众=±1,众=±2,…明纹条件：求/为极
3、值的各处，即可得出明纹条件。令—(sin2u/u2)=Odu推得u=tanu此为超越函数，同图解法求得：w=0,±1.43兀，±2.46;r,±3.47;r,…即czsin^?=0,±1.43;r,±2.46/r,±3.47;r,…可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件asin供±(2灸+1)义/2，灸=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^o±1.43;t/6Z±2.46兀/“±3A］丌Ia/()0.047/。O.O17/o.O.O18/o95>21单缜衍射的相对光咨分布曲线C.应用单缝衍射的公
4、式计算单缝缝宽由暗纹条件：asx(p=kA并由图有：Xk=LVdn(pk由于O很小，所以；♦b=Xk+「Xk=LVa（b为两相邻暗纹间距），贝ija=LA/b（或6/=/^/%,,X,为中央明纹半宽度）由此可见，条纹间距b正比于L和/1,反比于缝宽a。由实验曲线测出b（取平均值）,即可算山缝宽at。d.实验证明，若将单缝衍射的光路图中的单缝挽成金属细丝，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。四、实验内容和步骤：1.实验主要N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
5、67。实验中用硅光电池作光强/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，光电池的光电流/与光照强度/成正比。本实验用的是WJH型数字式检流计，以数字显示來检测光电流。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6Z进行处理，从而将光强/以数字显示出来。a.按下阁接好实验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等商，要注意将激光器调平;图5-22測定单讁衍射的一维光强分布装置图1一导轨;2—激光屯源;3—激光器;4一平链二维调节架;5—小孔屏；6—一维光强测撤装fi;7-WJH朋数字式检流计9b.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
6、间的距离均置为50cm左右，加上本实验采用的是方向性较好，发散角ixi（r3〜ixi（r5rad的半导体激光作为光源,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£,和。；c.点亮半导体激光器，使激光垂直照射于单缝的刀口上，利用小孔屏调好光路，须特別注意的是：观察时不要正对电源，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，袞减旋钮置校准为止（顺时针旋到底，即灵敏度最髙）。调节调零旋钮，使数裾显示器显示“-000”（负号闪烁）。以后在测量过程中如果数码管显示“999”，此为超呈程知识，可将量程调高一档。如果数字显示小于19
7、0,且小数点不在第一位吋，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，选择所耑的单缝缝宽67,观察小孔屏上的衍射花纹，使它由宽变窄及由窄变宽重儿次，一方面观察在调节过程屮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。b.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。c.关掉激光电源，记下本底读数（即初读数）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
