Визначення довжини хвилі лазера на одинарній щілині

Схема установки

Якщо монохроматичне світло падає на вузьку щілину, то за нею на екрані з'являється інтерференційна картина з максимумами й мінімумами інтенсивності. За їхнім розташуванням, знаючи ширину щілини, можна визначити довжину хвилі лазера.

Це явище дифракції виникає й тоді, коли хвилі на воді натрапляють на вузький отвір: за ним вони поширюються по колу.

Попередні знання

Для розуміння цього досліду учні вже мають бути обізнані з хвильовою поведінкою світла. Для наочності може бути корисно попередньо показати інтерференцію хвиль на воді.

Принцип

Лазерне світло зазнає дифракції на одинарній щілині. За виміряними мінімумами профілю інтенсивності, знаючи ширину щілини та відстань, обчислюють довжину хвилі лазера.

Навчальна мета

Учні досліджують дифракцію на одинарній щілині й визначають на досліді довжину хвилі лазера.

Завдання

1. Склади установку й виміряй відстань між щілиною і сенсором.
2. Зніми профіль інтенсивності дифракційної картини.
3. Обчисли довжину хвилі лазера.

Якщо лазерний промінь падає на щілину завширшки , то промінь у ділянці щілини можна уявити, як показано ліворуч, розкладеним на два однакові часткові пучки.

Якщо після дифракції на кут різниця ходу між крайнім і середнім променем дорівнює цілому кратному , то вони інтерферують деструктивно. Така сама різниця ходу існує й між кожним променем однієї половини щілини і відповідним променем другої половини щілини.

У дифракційній картині одинарної щілини темні ділянки виникають унаслідок інтерференції, коли для справджується співвідношення:

Якщо - відстань між щілиною і достатньо віддаленим приймальним екраном , а - відстань -го мінімуму від середини, то:

для

З (1) і (2) для випливає:

Максимуми яскравості виникають для кутів:

Відповідно для справджується:

Обов'язково стежте за тим, щоб ніхто не дивився прямо в лазерний промінь.

Прикраси, годинники та інші відбивні предмети треба зняти перед дослідом, бо вони можуть ненавмисно відбити лазерний промінь і спричинити ушкодження очей.

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Сонце світить крізь стовбури дерев

Світлом називають видиму для людини ділянку електромагнітного спектра. На дифракційних об'єктах, як-от щілина, можна спостерігати особливе явище - інтерференцію світла, - яке вказує на хвильову природу світла.

Так і в побуті можна спостерігати, як сонячне світло падає крізь вузьку щілину між гілками та листям і поширюється за нею. За достатньо малої щілини світло зазнає дифракції і виникає характерна картина зі світлих і темних ділянок. У цьому досліді досліджують таку дифракційну картину, щоб визначити з неї довжину хвилі лазера.

1. Склади установку й виміряй відстань між щілиною і сенсором.
2. Зніми профіль інтенсивності дифракційної картини.
3. Обчисли довжину хвилі лазера.

iOS

Android

Windows

Розмісти прилади на оптичній лаві в таких положеннях:

• ковзна опора з діодним лазером на позначці .
• дифракційний об'єкт-диск з виставленою одинарною щілиною S1 на позначці
• вимірювач дифракційної картини у кінці оптичної лави.

Схема досліду

Увімкни вимірювач дифракційної картини. Для цього кілька секунд утримуй натиснутою кнопку живлення на задньому боці приладу.

Потім відкрий застосунок LABsense. Торкнись угорі праворуч значка Bluetooth і вибери «Сканувати». Тепер буде показано пристрої поблизу.

Вибери потрібний вимірювач. Ідентифікаційний номер ти знайдеш на задньому боці приладу. Потім торкнись «Під'єднати».

Тепер вимірювач дифракційної картини під'єднано до застосунку LABsense, і його можна використовувати.

Увімкни лазер.

Відюстуй лазер коліщатком так, щоб лазерний промінь проходив крізь щілину по центру й потрапляв на детектор.

Вистав одинарну щілину з = та увімкни лазер. Вибери в застосунку LABsense угорі на панелі вимірювання на одинарній щілині.

Прокрути вимірювальну головку до місця інтерференційної картини з найбільшою інтенсивністю. Поточне значення показано ліворуч над таблицею.

Прокрути вимірювальну головку повністю праворуч.

Запусти вимірювання кнопкою і веди вимірювальну головку вздовж картини інтенсивності справа наліво. Спостерігай при цьому, як картина з'являється в застосунку в реальному часі.

Коли дійдеш до крайнього лівого положення, зупини вимірювання кнопкою і вимкни лазер.

Приклад вимірювання

Заповни тепер перший стовпець таблиці, зображеної праворуч: внеси в білі поля ширину щілини та відстань між щілиною і детектором.

Потім просувайся кнопками внизу далі зліва направо.

Клацни інструмент позначення і вибери на одному боці діаграми кілька послідовних інтерференційних смуг. Великий центральний максимум при цьому не враховують. Початкова й кінцева точки позначення мають лежати на максимумі.

Приклад інструмента позначення

Потім полічи максимуми в позначеній ділянці. Половину максимуму на початку і половину максимуму в кінці рахують як один повний максимум.

Внеси визначену кількість максимумів в останнє біле поле таблиці праворуч.

Перенеси ширину позначеної ділянки автоматично, клацнувши кнопку безпосередньо праворуч від інструмента позначення.

Потім клацни наступну кнопку праворуч, щоб довжина хвилі обчислилася автоматично.

Приклад інструмента позначення

Зміни ширину щілини, повертаючи диск, і повтори кроки для таких ширин щілини:

• S2 з =
• S3 з =
• S4 з =

Заповни так усю таблицю.

Після завершення вимірювання вимкни лазер.

Приклад вимірювання