Материал: Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки (90

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

² Оренбургский государственный университет²

Кафедра общей физики

С.Н.ЛЕТУТА, А.А.ЧАКАК

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования ² Оренбургский государственный университет² .

Оренбург 2006

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 53 (07) ББК 22.3я 7 Л 52

Рецензент:

доктор физико-математических наук, профессор Н.А.Манаков

Летута С.Н.

Л 52 Определение длины световой волны с помощью дифракцион-

ной решетки: методические указания к лабораторным работам/ С.Н. Летута, А.А. Чакак. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2006. - 20 с.

Методические указания предназначены для студентов естественнонаучных и технических специальностей, выполняющих лабораторные работы по курсу общей физики. В указаниях рассмотрены основные теоретические положения по дифракции Фраунгофера, даны характеристики спектральных приборов, рассмотрены экспериментальные методы измерения длины световой волны с помощью дифракционной решетки и угловой и линейной дисперсии в видимом диапазоне.

Методические указания рекомендованы к изданию кафедрой общей физики ОГУ. Составители – Летута С.Н., Чакак А.А.

ББК 22.3я 7

©Летута С.Н., Чакак А.А., 2006

©ГОУ ОГУ, 2006

2

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Введение

Дифракция света - в узком, но наиболее употребительном смысле - огибание лучами света границы непрозрачных тел (экранов), проникновение света в область геометрической тени.

Интерференция и дифракция физические явления, заключающиеся в перераспределении световой энергии в результате суперпозиции (наложения) волн. Различие между ними связано с историческими причинами: интерференция возникает в результате суперпозиции конечного числа дискретных когерентных волн, в результате чего в одних местах пространства возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности, а дифракция - в результате суперпозиции (бесконечного числа) волн, возбуждаемых источниками, расположенными непрерывно.

Дифракция света как волновое явление, исчезающее в пределе λ→0, зависит от длины волны λ. Красный свет сильнее дифрагирует (сильнее отклоняется границами тел), чем фиолетовый, т.е. разложение белого света в спектр, вызванный дифракцией, имеет обратную последовательность цветов по сравнению с последовательностью, получающейся при разложении света в призме.

Условием наблюдения дифракционной картины является когерентность волн, т.е. равенство их частот (длин волн) и сохранение неизменной разности фаз за время, достаточное для наблюдения. В частности, монохроматические волны, т.е. волны, порождаемые гармоническими колебаниями, когерентны.

Различают два вида дифракции. Если источник света и точка наблюдения расположены от препятствия настолько далеко, что лучи, падающие на препятствие и идущие в точку наблюдения, образуют практически параллельные пучки, то имеет место дифракция Фраунгофера или дифракция в параллельных лучах. В

противном случае будет наблюдаться дифракция Френеля. С практической точки зрения особенно важен случай дифракции Фраунгофера, т.к. математический разбор многих важных примеров дифракции Фраунгофера не труден и он находит применение при рассмотрении многих вопросов, касающихся оптических приборов (дифракционной решетки, оптических инструментов и т.д.). Условия, близкие к условиям Фраунгофера, можно осуществить, поместив малый источник света в фокусе линзы и собрав свет при помощи второй линзы в некоторой точке экрана, расположенного в ее фокальной плоскости. Эта точка служит изображением источника. Помещая между линзами различные препятствия, мы наблюдаем на экране различные дифракционные картины. Решить задачу дифракции - значит найти распределение интенсивности света на экране в зависимости от размеров и формы препятствий, вызывающих дифракцию света.

Современник Ньютона Гюйгенс (его "Трактат о свете" написан в 1678 г., издан в 1690 г.) исходил из аналогии между акустическими и оптическими явлениями и полагал, что световое колебание следует рассматривать как упругие импульсы распространяющийся в особой среде − эфире. Из идей Гюйгенса наибольшую ценность представляет общий принцип, выдвинутый им как приём для отыскания направления распространения световых волн.

Принцип Гюйгенса (1678 г.) можно сформулировать так: "Каждая точка, до

4

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

которой доходит световое колебание, является в свою очередь источником вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение фронта действительно распространяющейся волны к этому моменту времени".

Пусть, на плоскую преграду с отверстием падает параллельный ей фронт волны (рисунок 1). По Гюйгенсу каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн, которые в однородной и изотропной среде будут сферическими. Построив огибающую вторичных волн, можно убедиться, что за отверстием волна, огибая края преграды, проникает в область геометрической тени (на рисунке 1 границы этой области показаны пунктиром). Принцип Гюйгенса позволяет решать лишь задачи о направлении распространения светового фронта и не затрагивает по существу вопроса об интенсивности волн, идущих по разным направлениям. Френель (1815 г.) дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции вторичных

Формулировка Френеля не устраняет трудность, характерную для принципа Гюйгенса и состоящую в том, что из него следует наличие двух волн: одной, идущей вперёд, от источника света, другой, построенной так же, но направленной обратно, к источнику. В своей формулировке Френель отрицал наличие обратной волны. В соответствии с этим допущением на рисунке 1 огибающая вторичных волн, направленных обратно, вообще не отмечена.

Принцип Гюйгенса - Френеля можно сформулировать следующим образом: Окружим имеющиеся источники света произвольной замкнутой поверхностью S. Каждую точку такой поверхности можно рассматривать как источник вторичных волн, распространяющихся во всех направлениях. Световое поле, возникающее в результате их интерференции в пространстве вне поверхности S, совпадает с полем реальных источников света.

Для отыскания амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля (интенсивности, пропорциональной квадрату амплитуды) результирующей волны, согласно принципу Гюйгенса-Френеля, можно поступить следующим образом. Поверхность S огибающей вторичных волн будем рассматривать как светящуюся поверхность, излучение отдельных элементов которой, приходя в любую точку Р, определяет своей совокупностью результирующее колебание в этой точке (рисунок 1). Излучение каждого элемента dS поверхности S надо представлять себе как сферическую волну (вторичная волна), которая приносит в точку Р колебание:

5