Визначення довжини хвилі лазера на багатократній 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 багатократній щілині. За виміряними мінімумами профілю інтенсивності, знаючи ширину щілини та відстань, обчислюють довжину хвилі лазера.

Навчальна мета

Учні досліджують дифракцію на багатократній 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 багатократну щілину зі сталою ґратки , то дифракцію на щілинах можна уявити як когерентних точкових джерел.

Якщо після дифракції на кут різниця ходу між променями сусідніх щілин дорівнює цілому числу , то вони інтерферують конструктивно. Якщо ж різниця ходу не є цілим числом , то промені інтерферують деструктивно.

У дифракційній картині багатократної щілини головні максимуми виникають унаслідок конструктивної інтерференції, коли для справджується:
\[\Delta l = k \cdot \lambda = g \cdot \sin \alpha \quad \big| \quad
k = 0, \pm 1, \pm 2, \pm 3, \ldots\tag{1}\]
Якщо - відстань між багатократною щілиною і достатньо віддаленим екраном, а - відстань -го головного максимуму від середини , то справджується:

З (1) і (2) для розташування головних максимумів випливає:

Розташування головних максимумів не залежить від кількості щілин .

Зі зростанням головні максимуми стають інтенсивнішими й різкішими. Між двома сусідніми головними максимумами завжди лежать побічних максимумів і мінімумів.

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.

Світлом називають видиму для людини ділянку електромагнітного спектра. На дифракційних об'єктах, як-от багатократна щілина, можна спостерігати одне з найважливіших явищ світла - його здатність до інтерференції. Вона вказує на хвильову природу світла. Побутовий приклад цього - світлові відблиски на CD, які виникають унаслідок дифракції на тонких ґраткових структурах.

Але як виникає така інтерференційна картина і які фізичні закономірності лежать у її основі? Ці питання досліджують у наступному досліді.

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 із виставленою багатократною щілиною m2 на позначці
• вимірювач дифракційної картини в 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 вимірювальний прилад. Ідентифікаційний номер ти знайдеш на задньому боці приладу. Потім торкнись «Під'єднати».

Тепер вимірювальний прилад 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 багатократну щілину та увімкни лазер. Вибери в застосунку LABsense угорі на панелі вимірювання на багатократній 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 відстань між щілинами та відстань між щілиною і детектором.

Потім просувайся кнопками внизу далі зліва направо.

Клацни інструмент позначення і вибери на одному боці діаграми кілька послідовних центральних інтерференційних смуг. 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 колесо, і повтори кроки для таких щілин:

• m2 - потрійна щілина
• m3 - чотирикратна щілина
• m4 - п'ятикратна щілина

Заповни так усю таблицю.

Після завершення вимірювання вимкни лазер.

Приклад вимірювання