17 Оформлення звіту

Лабораторна робота №14 (2 години)

Тема Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки

1 Мета роботи: дослідним шляхом виміряти довжину світлової хвилі.

2 Прилади і обладнання :

17.1 Електрична лампа з прямою ниткою розжарення (одна на весь клас)

17.2 Прилад для визначення довжини світлової хвилі.

18 Загальні теоретичні положення

При відсутності перешкод у однорідному просторі світло розповсюджується прямолінійно. Якщо є перешкоди, то за законами геометричної оптики за ними з’являються тіні, в яких світло не може з’явитись ( Малюнок 1а ).

Оскільки світло можна розглядати як хвилю, а не тільки як потік частинок (фотонів), то за законами хвильової теорії світло може з’являтись в області геометричної тіні або з’являтись і розповсюджуватись у напрямках, не співпадаючих з початковим напрямком світлового променя. Прикладом цього є існування світлої плями у самому центрі тіні від непрозорої кулі, що освітлюють з одного боку (дослід Френеля). ( Малюнок 1б ).

Коли на шляху світлової хвилі є перешкода (мікрочастинка, тонкий дріт, вузька щілина), лінійні розміри якої порівняні з довжиною λ хвилі, то після взаємодії з цією перешкодою світлова хвиля змінює свій напрямок розповсюдження.

Явище огинання хвилями країв перешкод і відхилення хвиль від прямолінійного поширення називається дифракцією хвилі.

Дифракцію можна спостерігати коли розміри перешкод d порівняні з довжиною λ хвилі (d ≈ λ). Існування явища дифракції можна пояснити за допомогою принципу Гюйгенса, а саме: у місці взаємодії світлової хвилі з перешкодою існують фіктивні когерентні світлові джерела, які по всім можливим напрямкам випромінюють когерентні світлові хвилі. Останні, об’єднуючись одна з одною, утворюють явище інтерференції, яка виглядає на екрані як сукупність світлих і темних смуг.

Малюнок 1. Взаємодія світлових хвиль з великими (а) і малими об’єктами (б)

Оскільки довжина світлової хвилі дуже мала λ ≈ 0,4 - 0,77 мкм, достатня ширина перешкод (прозорих щілин, непрозорих мікрочастинок) має бути порядку 1 мм.

Щоб дістати яскравішу інтерференційну картину на екрані, слід пропускати світло не через одну щілину, а крізь кілька паралельних вузьких щілин.

Для цього скористуємося дифракційною граткою, яка є сукупністю багатьох дуже вузьких щілин, розділених непрозорими проміжками. Ґратки виготовляють у вигляді пластинок з прозорої твердої речовини, на поверхні яких алмазним різцем наносяться штрихи, паралельні один одному.

Примітивними дифракційними гратками також є пташине перо, вії, кілька тонких паралельних дротів розташованих один біля одного.

Назвемо щілину і розташовану біля неї непрозору частину елементом гратки. Тоді ширину d одного елемента назвемо періодом ґратки.

, (1)

де d – період решітки, м;

а – ширина щілини, м;

b – ширина непрозорої частини для світлої ділянки між двома щілинами, м.

У цьому випадку відбувається інтерференція вторинних когерентних променів, які у різних напрямках йдуть від усіх щілин, в яких знаходяться фіктивні вторинні джерела когерентних хвиль.

Лінза, що зображена на малюнку 2 , збирає паралельні когерентні хвилі в одну точку, положення якої на екрані задається відстанню h , що залежить від кута φ . Роль лінзи у досліді виконує око людини, яке баче інтерференційну картину.

Малюнок 2 .- Принципова схема дослідної установки для визначення довжини світлової хвилі

Різниця ходу вторинних хвиль залежить від кута φ . Умова спостереження дифракційного максимуму матиме такий вигляд:

, (2)

де φ – кут між напрямками розповсюдження первинних та вторинних променів;