实验27 应用计算机测定单缝衍射的光强度分布.doc

大学物理实验教案
实验名称：应用计算机测定单缝衍射的光强度分布
1 实验目的：
A 了解单缝衍射现象及其应用；
B 学会用计算机及传感器测定光强度分布；
C 培养学会运用计算机来进行综合物理实验的能力。
2 实验仪器
半导体激光器、单缝装置、科学工作室500型接口及软件、光传感器、旋转位移传感器、光具座、计算机
3 实验原理及方法
当一束波长为l的平行光垂直射向一宽度为a的单缝时，将产生光的衍射现象。由惠更斯-菲涅耳原理可以推出单缝衍射图像中沿垂直于入射光方向的光强度分布规律。其中产生暗纹的条件为 （k=±1，±2，±3，…）；产生明纹的条件为 （k=0，±1，±2，±3，…），式中qk为k级条纹的衍射角。图1示出了单缝衍射及光强度分布。
qk

a

光强度

L

Dk

( a )

( b )

图1 单缝衍射光路及光强度分布

图中Dk表示第k级暗纹之间的距离，L为单缝到衍射屏的距离，由于实际上往往L>>Dk，可近似地认为。于是若可由暗纹的产生条件，解出单缝缝宽a，即
（k=±1，±2，±3，…）；同理，若已知第k级明纹之间的距离为Dk，则也可由明纹的产生条件解得缝宽a，即 （k=0，±1，±2，±3，…）。
本实验采用已知波长为l的单色光来测量单缝缝宽的方法。实验装置如图2所示。
由半导体激光器发出的单色光通过单缝装置产生衍射现象，调整透光屏及光传感器的位置（位置调整可旋转装在光传感器下的旋转位移传感器），通过计算机实时观测光衍射明、暗条纹的光强分布图并测量第±k级的衍射明、暗条纹间距Dk，衍射距离L由光具座上的标尺读数。根据上述公式即可求出缝宽a。
半导体激光器
单缝装置
光传感器

旋转移动传感器

科学工作室接口

计算机

图2 实验装置示意图
4 教学内容
1） 观察与分析单缝衍射现象
A、 调节入射激光束与光具座平行；
B、 按单缝夫朗和费衍射条件，布置待测单缝与衍射屏，且使之与激光束垂直；
C、 调出最佳的单缝衍射图样，观察衍射条纹的变化规律；
2）应用计算机测量单缝衍射的光强度分布
A、 将科学工作室500型接口连接到计算机上，打开接口和计算机电源；
B、 将光传感器连接到500型接口的模拟通道，旋转移动传感器则连接到数字通道；
C、 进行科学工作室的初始化和各项参数设置；
D、 调节单缝衍射图样与光传感器上光阑高度相同，且呈水平分布；
E、 点击“记录”，同时转动旋转位移传感器，采集衍射图样的光强度分布图
F、 在Word文档上打印出采集到的理想衍射光强度分布图
3）测量第±k级的衍射明、暗条纹间距Dk和衍射距离L
A、 在采集到的最佳衍射图样上，找出第±k级的明纹或暗纹，选择，点击鼠标左键选中+k级条纹，并按住移动到对称的-k级条纹的位置，读出Dk。重复测量10次，并记录数据
B、 从光具座上读出单缝位置到衍射屏的距离L，并记录
5 实验教学组织及教学要求
1、 教学组织
1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5分钟时间熟悉仪器及科学工作室的使用
2） 讲解实验要点、难点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。
3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的疑问及突发情况。
4） 按实验结果检查方法检查每个学生的实验数据，记录实验情况。
5）学生整理相关仪器，并登记实验情况使用表
2、教学要求
1） 了解单缝衍射图样的光强度分布规律，并按衍射条件，布置衍射光路，调出最佳衍射现象。
2） 学会正确使用科学工作室系统，并测定出单缝衍射光强度分布。
3） 在Word文档上打印出衍射图样；用科学工作室重复10次测量出±3级暗纹的距离D3，单次测量衍射距离L。
4） 利用相关公式计算单缝缝宽及不确定度。
6 实验教学的重点及难点
1） 重点：
A、观察单缝衍射现象
B、测量单缝衍射图样的光强度分布
2） 难点：
A、调出最佳衍射现象
B、采集到理想的衍射图样的光强度分布
7 实验中容易出现的问题
A、单缝衍射条纹左右不对称，零级明纹出现削峰或凹陷等问题
B、科学工作室的软件设置中常出现未调整取样选项设置
C、打印光强度分布图时未做页面设置
8 实验参考数据
（1）、单缝衍射光强度分布图

D3

图3 单缝衍射光强度分布图

表1 单缝衍射±3级暗纹间距D3和衍射距离L的测量数据
3

650

76.11

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1.427
1.425
1.427
1.425
1.420
1.421
1.420
1.421
1.425
1.421

次序 D3 ( cm ) L ( cm ) l(nm) k

9 实验结果检查方法
1) 单缝衍射光强度分布是否左右对称，是否不出现削峰，不出现凹陷
2) 测得的±3级暗纹的距离D3，单次测量衍射距离L是否合理
3) 是否按照规范，完整的记录实验相关数据
10 课堂实验预习检查题目
1） 单缝衍射图样中明纹和暗纹的产生条件？
2） 若采用白光为照射光和单色光照射相比，衍射图样有何不一样？
11、思考题
1）当单缝缝宽增加时，±k级暗纹的距离有何改变？
2）请设计测定发丝直径的实验方案？