试验七-单缝衍射的光强分布测量.DOC

3—7 测量单缝衍射的光强分布 衍射和干涉都是波动的重要特征，波在传播的过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘前进，这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。光在通过小孔或狭缝时，将出现明显衍射的现象，说明光具有波动性。本实验旨在通过测量单缝夫琅和费衍射的光强分布，学会怎样用光电检测仪器测量相对光强的实验方法，进而加深对单缝衍射现象的理解。 一、[实验仪器] 光具座、氦氖激光器及其电源、小灯泡、硅光电池、可调狭缝、灵敏检流计、白屏。 二、[实验原理] 1．单狭缝夫琅和费衍射公式成立条件 平行光的衍射称为夫琅和费衍射，它的特点是只用简单的计算就可以得出准确的结果，便于和实验比较和实用。 如图3—7—1所示，从光源S发出经透镜L1形成的平行光束垂直照射到狭缝根据惠更斯—菲涅耳原理，狭缝上各点可以看成是新的波源。新波源向各方向发出球面波，次波在透镜L2的后焦面叠加形成一组明暗相间的条纹。和狭缝平面垂直的衍射光束会聚与屏上P。处，是中央亮纹的中心，其光强度设为。与OP0成角的衍射光束则会聚于屏上处。计算得出处的光强度 ， （3-7-1） 其中为狭缝宽度，为单色光的波长。 当时，，这时光强最大，称为主极强。主极强的强度决定于光源的亮度，还和狭缝宽的平方成正比。 当，（）时，，则有，也就是暗条纹。实际上往往是很小的，因此可以近似地认为暗纹在处。由此可见，主极强两侧暗纹之间，而其他相邻暗纹之间。 除了中央主极强以外，两相邻暗纹之间都有一次极强。数学计算 得出，这些次极强在下列位置： ，， （3-7-2） 这些次极强的相对强度 （3-7-3） 以上是单缝夫琅和费衍射的主要结果。 平行光的概念是理想化的概念。实际上，不论采用什么仪器和方法，例如把太阳光看作平行光，采用激光光源产生平行光，用透镜产生平行光等等都不能获得绝对的平行光。也就是说，光束总有一定的发散角。同样地，屏上接受的也不会是绝对的平行光束。两者都只能做到一定程度的近似。那么，在本实验中，用什么样的仪器和方法才能满足产生和接受平行光这一要求呢？下面只就接受平行光提出讨论，至于产生平行光的问题留给大家来回答。 如图3—7—1，设平行光束垂直照射在狭缝AB上，狭缝宽度为，屏置于距狭缝处，为衍射花样主极强的中心。根据原来对平行光单缝衍射的计算，对应的应是垂直于狭缝平面的衍射光束，也就是说，光程、、都应该相等，显然，这只有把屏移至无穷远才能真正做到。实际上，虽然是有限的，但只要、、的差别远小于，就不会影响计算的结果。即： （3-7-4） ， 代入（3-7-4）式有 （3-7-5） （3-7-5）式就是本实验需要满足的接受平行光的条件。 三、[实验内容与步骤] 1．测定单缝衍射光强分布 （1）按图3—7—6在光具座上安装激光管、狭缝和白屏。点燃氦氖激光器，取工作电流为4mA。一般应在激光器点燃半小时后作测量，以保证光强的稳定性。 （2）仔细观察白屏上单缝的衍射条纹分布。改变狭缝的大小、白屏的前后位置，观察衍射条纹的变化情况。 （3）观察到理想的衍射条纹后，将白屏换成硅光电池，硅光电池可以在垂直于光具座的x方向上移动，这就相当于改变衍射角。 （4）接通硅光电池和灵敏检流计，确定硅光电池的窗口大小。 将硅光电池在x 方向上移动到中央两条纹中心处，打开硅光电池的窗口，观察检流计的示数（此时检流计选用大量程档位）。随着窗口的打开，检流计的示数会不断增加，使检流计示数接近满偏。此时固定窗口的大小。 （5）校正检流计的零点，去除暗电流和杂散电流的影响。 固定窗口的大小后，阻挡衍射条纹进入窗口，观察此时检流计的示数。（由于外界杂散光等因素的影响，此时检流计有示数）。通过检流计的调零选扭，将示数调节为零。 （6）记录光电流的大小，测量光强的相对分布。 去掉阻挡，让衍射条纹进入窗口。从左到右（或从右到左）单向移动硅光电池，测量相应位置的光电流，可每隔0.5mm取一数据。（应确保硅光电池的移动范围能完整的测量中央亮条纹到第二极小值。） （7）根据测量数据，在坐标纸上作出相对光电流（在光电二极管线性条件下即相对光强）与位置的关系曲线，即衍射光强分布图，并与理论结果进行比较。 （8）从上面衍射光强分布图求单缝的缝宽。 思考题： 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？ 2．检查二极管线性时，