1. Оцените теоретическое значение максимально возможного числа главных интерференционных максимумов, даваемое используемой дифракционной решёткой и сравните с экспериментально наблюдаемой дифракционной картиной.
Наибольший порядок спектра дифракционной решётки можно найти из условия главного максимум
,
откуда следует:
. (2)
Из формулы (2) видно, что максимальный порядок дифракции для заданных и определяется значением переменной величины . Наибольшее значение , следовательно:
(3)
2. Рассчитайте угловую дисперсию дифракционной решётки.
По определению угловой дисперсией называется величина
где угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на . Дисперсию можно определить из условия главного максимума
.
Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решётки, продифференцируем левую часть условие главного максимума по углу , а правую по . Опуская знак минус в левой части, получим:
Отсюда:
. (4)
При малых углах дифракции , поэтому можно положить
(5)
Из полученного выражения следует, что угловая дисперсия обратно пропорциональна периоду решётки . Чем выше порядок спектра , тем больше дисперсия.
3. Определите разрешающую силу дифракционной решётки.
Разрешающая способность дифракционной решётки определяется по формуле:
(6)
где — порядок максимума, — число щелей, участвующих в формировании дифракционной картины. В нашем случае:
,
где — число щелей на единицу длины дифракционной решётки ( шт./мм.); — длина дифракционной решётки. Тогда разрешающая способность дифракционной решётки определяется формулой:
Для оценки положим мм, мм.
4. Определите минимальную разность двух волн соответствующей разрешающей способности.
Минимальная разность двух волн , соответствующая разрешающей способности найдём по формуле (5)
(8)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.14Г ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ И ДИФРАКЦИЯ ФРАУНОФЕРА
Цель работы – Наблюдение дифракции Френеля и дифракции Фраунгофера на щели, на круглом отверстии и препятствиях различной формы.
Оборудование – Гониометр ГС-5, набор экранов.
Методика эксперимента
Работа выполняется на гониометре Г5 (ГС-5) — точном оптико-механическом приборе для отсчёта углов с ошибкой не более 2 (см. Приложение 2).
За счёт использования оптической системы (двух зрительных труб) фактическое расстояние от поверхности волнового фронта до точки наблюдения дифракции и от точечного источника до препятствия дающего дифракцию значительно больше наблюдаемого. Это позволяет значительно уменьшить размеры экспериментальной установки и даёт возможность в широких пределах изменять как так .
При перемещении окуляра маховичком 5 точка , совпадающая с его фокусом, смещается, что позволяет наблюдать дифракционные картины, соответствующие различным значениям .
Рис. 1. Схема хода лучей за отверстием и объективом.
На рис. 1 представлена схема, с помощью которой можно рассчитать , зная расстояние — расстояние, на которое смещается окуляр. Точка F — фокальная точка объектива L2. Из геометрической оптики известна формула Ньютона, связывающая расстояния от плоскости изображения до фокальной плоскости с фокусным расстоянием :
(2)
Если и АВ не очень велики, то . Тогда из (2):
(3)
Подставив это значение в (5.5) и полагая, что получим экспериментальную зависимость числа зон Френеля укладывающихся в отверстии радиуса при изменении
(4)
Случай, когда на шкалах зрительных труб установлены значения и , соответствует условия и , т.е. условию наблюдения дифракции Фраунгофера. Все остальные значения и соответствуют условию наблюдения дифракции Френеля.
Порядок выполнения работы
Перед началом работы необходимо ознакомиться с теорией дифракции, описанием гониометр ГС-5 и инструкцией по его эксплуатации в Приложении №2.
Задание 1
Статьи к прочтению:
- Расход калорий при различных видах упражнений
- Раскроем ведущие объекты базы данных.
Разрешающая способность дифракционной решётки
Похожие статьи:
-
Стоимость работ и порядок расчетов
4.1. Стоимость работ, указанных в п. 1.1. настоящего Договора составляет 4 318 090,82 (Четыре миллиона триста восемнадцать тысяч девяносто рублей 82…
-
Цена договора и порядок расчетов.
Образец Договор купли-продажи части жилого дома __________________(место заключения) «___» _________ 20__ года гр._________________, гражданство РФ,…
Петрович Г. И. О порядке главных максимумов от дифракционной решётки в решениях задач централизованного тестирования // Фiзiка: праблемы выкладання. – 2009. – № 3. – С. 34-40.
При перпендикулярном (нормальном) падении параллельного пучка монохроматического света на дифракционную решётку на экране в фокальной плоскости собирающей линзы, расположенной параллельно дифракционной решётке, наблюдается неоднородная картина распределения освещённости разных участков экрана (дифракционная картина).
Главные максимумы этой дифракционной картины удовлетворяют следующим условиям:
где n — порядок главного дифракционного максимума, d — постоянная (период) дифракционной решётки, λ— длина волны монохроматического света, φn— угол между нормалью к дифракционной решётке и направлением на главный дифракционный максимум n-го порядка.
Постоянная (период) дифракционной решётки длиной l
где N — количество щелей (штрихов), приходящихся на участок дифракционной решётки длиной I.
Наряду с длиной волнычасто используется частота v волны.
Для электромагнитных волн (света) в вакууме
где с = 3 *108 м/с — скорость распространения света в вакууме.
Выделим из формулы (1) наиболее трудно математически определяемые формулы для порядка главных дифракционных максимумов:
где обозначает целую часть числа d*sin(φ/λ).
Недоопределённые аналоги формул (4, а,б) без символа […] в правых частях содержат в себе потенциальную опасность подмены физически обоснованной операции выделения целой части числа операцией округления числа d*sin(φ/λ) до целочисленного значения по формальным математическим правилам.
Подсознательная тенденция (ложный след) подмены операции выделения целой части числа d*sin(φ/λ) операцией округления
этого числа до целочисленного значения по математическим правилам ещё более усиливается, когда речь идёт о тестовых заданиях типа В на определение порядка главных дифракционных максимумов.
В любых тестовых заданиях типа В численные значения искомых физических величин по договорённости округляются до целочисленных значений. Однако в математической литературе нет единых(го) правил(а) округления чисел.
В справочной книге В. А. Гусева, А. Г. Мордковича по математике для учащихся [1] и белорусском учебном пособии Л. А. Латотина, В. Я. Чеботаревского по математике для IV класса [2] приводятся по существу одни и те же два правила округления чисел. В [1] они сформулированы так: “При округлении десятичной дроби до какого-нибудь разряда все следующие за этим разрядом цифры заменяются нулями, а если стоят после запятой, то их отбрасывают. Если первая следующая за этим разрядом цифра больше или равна пяти, то последнюю оставшуюся цифру увеличивают на 1. Если же первая следующая за этим разрядом цифра меньше 5, то последнюю оставшуюся цифру не изменяют”.
В справочнике М. Я. Выгодского по элементарной математике [3], выдержавшем двадцать семь (!) изданий, написано (с. 74): “Правило 3. Если отбрасывается цифра 5, а за ней нет значащих цифр, то округление производится до ближайшего чётного числа, т.е. последняя сохраняемая цифра остаётся неизменной, если она чётная, и усиливается (увеличивается на 1), если она нечётная”.
Ввиду существования различных правил округления чисел следовало бы правила округления десятичных чисел явно сформулировать в “Инструкции для учащихся”, прилагаемой к заданиям централизованного тестирования по физике. Это предложение приобретает дополнительную актуальность, так как в белорусские вузы поступают и проходят обязательное тестирование не только граждане Беларуси и России, но и других стран, и заведомо неизвестно, какими правилами округления чисел они пользовались при обучении в своих странах.
Во всех случаях округление десятичных чисел будем производить по правилам, приведённым в [1], [2].
После вынужденного отступления, возвратимся к обсуждению рассматриваемых физических вопросов.
С учётом нулевого (n = 0) главного максимума и симметричного расположения остальных главных максимумов относительно него общее количество наблюдаемых главных максимумов от дифракционной решётки подсчитывается по формулам:
Если расстояние от дифракционной решётки до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина, обозначить через Н, то координата главного дифракционного максимума n-го порядка при отсчёте от нулевого максимума равна
Если то (радиан) и
Задачи на рассматриваемую тему часто предлагают на тестированиях по физике.
Начнём обзор с рассмотрения российских тестов, использовавшихся белорусскими вузами на начальном этапе, когда тестирование в Беларуси было необязательным и проводилось отдельными учебными заведениями на свой страх и риск как альтернатива обычной индивидуальной письменно-устной форме проведения вступительных экзаменов.
Тест № 7 [4]
А32. Наибольший порядок спектра, который можно наблюдать при дифракции света с длиной волны λ на дифракционной решётке с периодом d=3,5λ равен
1) 4; 2) 7; 3) 2; 4) 8; 5) 3.
Решение
При освещении дифракционной решётки монохроматическим светом ни о каких спектрах не может быть и речи. В условии задачи речь должна идти о главном дифракционном максимуме наибольшего порядка при перпендикулярном падении монохроматического света на дифракционную решётку.
По формуле (4, б)
Из недоопределённого условия
на множестве целых чисел, после округления получаем nmах=4.
Только благодаря несовпадению целой части числа d/λ с его округлённым целочисленным значением правильное решение (nmах=3) отличается от неправильного (nmax=4) на тестовом уровне.
Изумительная миниатюра, несмотря на огрехи формулировки, с филигранно выверенным по всем трём версиям округления чисел ложным следом!
А18. Если постоянная дифракционной решётки d=2 мкм, то для нормально падающего на решётку белого света 400 нм <λ< 700 нм наибольший полностью наблюдаемый порядок спектра равен
1)1; 2)2; 3)3; 4)4; 5)5.
Решение
Очевидно, что nсп=min(n1max, n2max)
По формуле (4, б)
Округляя числа d/λ до целочисленных значений по правилам [1] — [3], получаем:
Благодаря тому, что целая часть числа d/λ2 отличается от его округлённого целочисленного значения, данное задание позволяет на тестовом уровне объективно отличить правильное решение (nсп=2) от неправильного (nсп=3). Прекрасная задача с одним ложным следом!
ЦТ 2002 г. Тест № 3 [5]
В5. Найдите наибольший порядок спектра для жёлтой линии Na (λ= 589 нм), если постоянная дифракционной решётки d = 2 мкм.
Решение
Задание сформулировано научно некорректно. Во-первых, при освещении дифракционной решётки монохроматическим светом, как уже отмечалось выше, не может быть и речи о спектре (спектрах). В условии задачи речь должна идти о наибольшем порядке главного дифракционного максимума.
Во-вторых, в условии задания должно быть указано, что свет падает нормально (перпендикулярно) на дифракционную решётку, ибо только этот частный случай рассматривается в курсе физики средних общеобразовательных учреждений. Считать это ограничение подразумевающимся по умолчанию нельзя: в тестах все ограничения должны быть указаны явно! Тестовые задания должны представлять собою самодостаточные, научно корректные задания.
С учётом вышеприведённых уточнений
Число 3,4, округлённое до целочисленного значения по правилам арифметики [1] — [3], также даёт 3. Именно поэтому данное задание следует признать простым и, по большому счёту, неудачным, так как на тестовом уровне оно не позволяет объективно различить правильное решение, определяемое по целой части числа 3,4, от неправильного решения, определяемого по округлённому целочисленному значению числа 3,4. Различие обнаруживается только при подробном описании хода решения, что и сделано в данной статье.
Дополнение 1. Решите вышеприведённую задачу, заменив в её условии d=2 мкм на d=1,6 мкм. Ответ: nmax = 2.
ЦТ 2002 г. Тест 4 [5]
В5. На дифракционную решётку направляется свет от газоразрядной лампы. На экране получаются дифракционные спектры излучения лампы. Линия с длиной волны λ1= 510 нм в спектре четвёртого порядка совпадает с линией длины волны λ2 в спектре третьего порядка. Чему равна λ2(в [нм])?
Решение
В данной задаче основной интерес представляет не решение задачи, а формулировка её условия.
При освещении дифракционной решётки немонохроматическим светом(λ1, λ2) вполне естественно говорить (писать) о дифракционных спектрах, которых в принципе нет при освещении дифракционной решётки монохроматическим светом.
В условии задания следовало бы указать, что свет от газоразрядной лампы падает нормально на дифракционную решётку.
Кроме того, следовало бы изменить филологический стиль третьего предложения в условии задания. Режет слух оборот “линия с длиной волны λ”, его можно было бы заменить на “линия, соответствующая излучению длиной волны λ” или на более краткий — “линия, соответствующая длине волны λ”.
Формулировки тестов должны быть научно корректными и литературно безупречными. Тесты формулируют совсем не так, как исследовательские и олимпиадные задачи! В тестах всё должно быть точно, конкретно, однозначно.
С учётом приведённого уточнения условия задания имеем:
Так как по условию заданиято
ЦТ 2002 г. Тест № 5 [5]
В5. Найдите наибольший порядок дифракционного максимума для жёлтой линии натрия с длиной волны 5,89·10-7 м, если период дифракционной решётки равен 5 мкм.
Решение
По сравнению с заданием В5 из теста № 3 ЦТ 2002 г. данное задание сформулировано точнее, тем не менее в условии задания речь следовало бы вести не о “дифракционном максимуме”, а о “главном дифракционном максимуме“.
Наряду с главными дифракционными максимумами всегда имеются ещё и вторичные дифракционные максимумы [6, с. 617, 618]. Не объясняя этого нюанса в школьном курсе физики, тем более надо строго соблюдать сложившуюся научную терминологию и вести речь только о главных дифракционных максимумах.
Кроме того, следовало бы указать, что свет падает нормально на дифракционную решётку.
С учётом вышеприведённых уточнений
Из неопределённого условия
по правилам математического округления числа 8,49 до целочисленного значения опять же получаем 8. Поэтому данное задание, как и предыдущее, следует признать неудачным.
Дополнение 2. Решите вышеприведённое задание, заменив в его условии d=5 мкм на (1=А мкм. Ответ: nmax=6.)
Пособие РИКЗ 2003 г. Тест № 6 [7]
В5. Если второй дифракционный максимум находится на расстоянии 5 см от центра экрана, то при увеличении расстояния от дифракционной решётки до экрана на 20% этот дифракционный максимум будет находиться на расстоянии … см.
Решение
Условие задания сформулировано неудовлетворительно: вместо “дифракционный максимум” надо “главный дифракционный максимум”, вместо “от центра экрана” — “от нулевого главного дифракционного максимума”.
Как видно из приведённого рисунка,
Отсюда
Пособие РИКЗ 2003 г. Тест № 7 [7]
В5. Определите наибольший порядок спектра в дифракционной решётке, имеющей 500 штрихов на 1 мм, при освещении её светом с длиной волны 720 нм.
Решение
Условие задания сформулировано крайне неудачно в научном отношении (см. уточнения заданий № 3 и 5 из ЦТ 2002 г.).
Есть претензии и к филологическому стилю формулировки задания. Вместо словосочетания “в дифракционной решётке” надо было бы использовать словосочетание “от дифракционной решётки”, а вместо “свет с длиной волны” — “светом, длина волны которого”. Длина волны — не нагрузка к волне, а её основная характеристика.
С учётом уточнений
По всем трём вышеприведённым правилам округления чисел округление числа 2,78 до целочисленного значения даёт 3.
Последний факт даже при всех недостатках формулировки условия задания делает его интересным, так как позволяет на тестовом уровне различить правильное (nmax=2) и неправильное (nmax=3) решения.
Много заданий на рассматриваемую тему содержится в ЦТ 2005 г. [8].
В условиях всех этих заданий (В1) надо добавить ключевое слово “главный” перед словосочетанием “дифракционный максимум” (см. комментарии к заданию В5 ЦТ 2002 г. Тест № 5).
К сожалению, во всех вариантах тестов В1 ЦТ 2005 г. численные значения d (l,N) и λ подобраны неудачно и всегда дают в дробях
число “десятых” меньше 5, что не позволяет на тестовом уровне отличить операцию выделения целой части дроби (правильное решение) от операции округления дроби до целочисленного значения (ложный след). Это обстоятельство ставит под сомнение целесообразность использования этих заданий для объективной проверки знаний абитуриентов по рассматриваемой теме.
Похоже на то, что составители тестов увлеклись, образно говоря, приготовлением различных “гарниров к блюду”, не думая об улучшении качества основной компоненты “блюда” — подборе численных значений d (l,N) и λ с целью увеличения числа “десятых” в дробях d/λ=l/(N*λ).
ЦТ 2005 г. Вариант 4 [8]
В1. На дифракционную решётку, период которой d1=1,2 мкм, падает нормально параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ=500 нм. Если её заменить на решётку, период которой d2=2,2 мкм, то число максимумов увеличится на … .
Решение
Вместо “свет с длиной волны λ” надо “свет длиной волны λ” . Стиль, стиль и ещё раз стиль!
Так как
то с учётом того, что X — const, a d2>di,
По формуле (4, б)
Следовательно, ΔNобщ. max=2(4-2)=4
При округлении чисел 2,4 и 4,4 до целочисленных значений тоже получаем соответственно 2 и 4. По этой причине данное задание следует признать простым и даже неудачным.
Дополнение 3. Решите вышеприведённую задачу, заменив в её условии λ=500 нм на λ=433 нм (синяя линия в спектре водорода).
Ответ: ΔNобщ. max=6
ЦТ 2005 г. Вариант 6
В1. На дифракционную решётку с периодом d= 2 мкм падает нормально параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ=750 нм. Количество максимумов, которые можно наблюдать в пределах угла а=60°, биссектриса которого перпендикулярна плоскости решётки, равно … .
Решение
Словосочетание “света с длиной волны λ” уже обсуждалось выше в ЦТ 2005 г., вариант 4.
Второе предложение в условии данного задания можно было бы упростить и записать так: “Количество наблюдаемых главных максимумов в пределах угла а = 60°” и далее по тексту исходного задания.
Очевидно, что
По формуле (4, а)
По формуле (5, а)
Это задание, как и предыдущее, не позволяет на тестовом уровне объективно определить уровень понимания обсуждаемой темы абитуриентами.
Дополнение 4. Выполните вышеприведённое задание, заменив в его условии λ=750 нм на λ= 589 нм (жёлтая линия в спектре натрия). Ответ: No6щ=3.
ЦТ 2005 г. Вариант 7
В1. На дифракционную решётку, имеющую N1– 400 штрихов на l=1 мм длины, падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ=400 нм. Если её заменить решёткой, имеющей N2=800 штрихов на l=1 мм длины, то количество дифракционных максимумов уменьшится на … .
Решение
Опустим обсуждение неточностей формулировки задания, так как они те же, что и в предыдущих заданиях.
Из формул (4, б), (5, б) следует, что
Следовательно,
Комментарии о качестве данного задания опустим, “рука… колоть устала”!
Дополнение 5. Решите вышеприведённую задачу, заменив в её условии λ=400 нм на λ=461 нм (голубая линия в спектре стронция). Ответ: ∆N=6.
ЦТ 2005 г. Вариант 8
В1. На дифракционную решётку с d=1 мкм падает нормально параллельный пучок монохроматического света. Если длина волны света λ=400 нм, то число максимумов, которые образует эта решётка, равно … .
Решение
Злополучное “с” уже перекочевало от “света с длиной волны” к “решётке с d=1 мкм”. Появилось и новое жаргонное выражение — “число максимумов, которые образует эта решётка”. Сама по себе “решётка” не образует дифракционной картины, поэтому следовало бы написать “количество главных максимумов, образованных освещённой решёткой, равно…”.
По формулам (5, б), (4, б)
По версии округления чисел [1], [2] целочисленное значение числа 2,5 равно 3, а по версии М. Я. Выгодского [3] — 2.
В сравнении с российским заданием А32 из № 7 Тестов по физике [4], которое рассмотрено выше, данный белорусский тест является ущербным, но на фоне белорусских тестов ЦТ 2005 г. на рассматриваемую в данной статье тему он является лучшим, несмотря на неточности его формулировки.
Итак, Nобщ. max=1+2*2=5 а по версии округления чисел [1], [2] Nобщ. max= 1+2*3 =7 (ложный след).
Благодаря этому ложному следу, данное задание в рамках версии округления чисел [1], [2] позволяет на тестовом уровне отличить правильное решение (Nобщ. max=5) от неправильного (Nобщ. max=7).
ЦТ 2008 г. Вариант 1 [9]
В12. На дифракционную решётку нормально падает параллельный пучок монохроматического света длиной волны λ=720 нм. Если период решётки d = 5 мкм, то максимальный порядок kmax дифракционного спектра … .
Решение
Задание сформулировано научно некорректно (см. условия предыдущих заданий), но численные значения величин d и λ подобраны удачно и на тестовом уровне правильное решение, определяемое по целой части числа, отличается от неправильного решения, определяемого по округлённому целочисленному значению числа d/λ
Задания В12 из других вариантов тестов ЦТ 2008 г. предлагаю читателям рассмотреть самостоятельно.
Вывод
За многие годы проведения централизованных тестирований по физике так и не созданы качественные задания на определение порядка главных дифракционных максимумов при перпендикулярном освещении дифракционной решётки монохроматическим светом: то ли условия заданий были сформулированы некорректно, то ли численные значения величин d(l, N) и X были подобраны неудачно и не позволяли на тестовом уровне отличить правильное решение от неправильного.
Список использованной литературы
1. Математика: справочные материалы: кн. для учащихся / В. А. Гусев, А. Г. Мордкович. — Москва : Просвещение, 1988.
2. Математика: учеб. пособие для 4-го класса общеобр. школы с рус. яз. обуч. / Л. А. Лату-тин, В. Д. Чеботаревский; пер. с бел. яз. Т. В. Водневой. — 2-е изд. — Минск : Нар. асвета, 2002.
3. Справочник по элементарной математике. — 27-е изд., испр. / М. Я. Выгодский. — Москва : Наука, 1986.
4. Тесты по физике. 11 кл. / Центр тестирования Министерства образования России. — Москва : Просвещение, 2001.
5. Тесты. Физика. Русский язык: варианты и ответы централизованного тестирования: пособие для подготовки к тестированию / Респ. ин-т контроля знаний. — Минск : Асар, 2003.
6. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — 6-е изд., испр. / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. — Москва : Наука, 1974.
7. Тесты: Физика. Материалы для подготовки к централизованному тестированию / Респ. ин-т контроля знаний. — Мозырь : Белый Ветер, 2003.
8. Централизованное тестирование. Физика: сб. тестов / Респ. ин-т контроля знаний Мин-ва образования Респ. Беларусь. — Минск : Юнипресс, 2005.
9. Централизованное тестирование. Физика: сб. тестов / Респ. ин-т контроля знаний Мин-ва образования Респ. Беларусь. — Минск : Аверсэв, 2008.
Как определить наибольший порядок спектра дифракционной решетки
Проходя через дифракционную решетку луч света отклоняется от своего направления под несколькими разными углами. В результате по другую сторону решетки получается картина распределения яркости, в которой яркие участки чередуются с темными. Вся эта картина называется дифракционным спектром, а число ярких участков в ней определяет порядок спектра.
Инструкция
В расчетах исходите из формулы, которая связывает между собой угол падения света (α) на дифракционную решетку, длину его волны (λ), период решетки (d), угол дифракции (φ) и порядок спектра (k). В этой формуле произведение периода решетки на разницу между синусами углов дифракции и падения приравнивается к произведению порядка спектра на длину волны монохроматического света: d*(sin(φ)-sin(α)) = k*λ.
Выразите из приведенной в первом шаге формулы порядок спектра. В результате у вас должно получиться равенство, в левой части которого останется искомая величина, а в правой будет отношение произведения периода решетки на разность синусов двух известных углов к длине волны света: k = d*(sin(φ)-sin(α))/λ.
Так как период решетки, длина волны и угол падения в полученной формуле являются величинами постоянными, порядок спектра зависит только от угла дифракции. В формуле он выражен через синус и стоит в числителе формулы. Из этого вытекает, что чем больше синус этого угла, тем выше порядок спектра. Максимальное значение, которое может принимать синус, равно единице, поэтому просто замените в формуле sin(φ) на единичку: k = d*(1-sin(α))/λ. Это и есть окончательная формула вычисления максимального значения порядка дифракционного спектра.
Подставьте численные величины из условий задачи и рассчитайте конкретное значение искомой характеристики дифракционного спектра. В исходных условиях может быть сказано, что падающий на дифракционную решетку свет составлен из нескольких оттенков с разными длинами волн. В этом случае используйте в расчетах ту из них, которая имеет меньшее значение. Эта величина стоит в числителе формулы, поэтому наибольшее значение периода спектра будет получено при наименьшем значении длины волны.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
xк1 |
=k1 |
λ |
L; |
||||
d1 |
|||||||
(13.3а) |
|||||||
λ |
|||||||
ук2 |
=k2 |
L; |
|||||
d2 |
где k1 = 0, ±1,± 2, ±3,… и k2 = 0, ±1, ± 2, 3….
Пусть волна падает на двумерную решетку наклонно (т.е. углы α0 и β0
отличны от π2 ). Тогда условия возникновения главных максимумов примут вид:
d |
(cosα −cosα |
0 |
)=k λ; |
||
1 |
1 |
(13.4 ) |
|||
d2 (cosβ−cosβ0 )=k2λ |
|||||
Общий характер дифракционной картины, в этом случае, останется прежним, изменятся лишь масштабы по осям Х и Y, наблюдаемой дифракционной картины.
Если решетки d1 и d2 взаимно не перпендикулярны, а составляют ка-
кой-либо угол между собой, положение максимумов будет зависеть от угла между штрихами решеток. Однако, нарушение строгой периодичности щелей (хаотическое их распределение) приводит к существенному изменению общей картины: наблюдаются симметричные размытые интерференционные кольца. Интенсивность наблюдаемых колец пропорциональна не квадрату числа щелей, а числу щелей. Таким образом, по расположению максимумов можно судить о величине периодов d1 и d2 и взаимной ори-
ентации решеток.
14. Дифракционная решетка как спектральный прибор
Дифракционные решетки создают эффект резкого разделения и усиления интенсивности света в области максимумов, что делает их незаменимыми оптическими приборами. Они позволяют получать ярко выраженную дифракционную картину.
Положение дифракционных максимумов зависит от длины волны света λ (из формулы (11.2а) следует sin ϕmax λ). Поэтому при пропускании че-
рез решётку белого света, все максимумы кроме центрального разложатся в спектр, фиолетовый конец которого направлен к центру дифракционной картины, а красный наружу. Таким образом, дифракционная решётка представляет собой спектральный прибор.
При освещении щели белым светом, центральный максимум наблюдается в виде белой полоски (потому, что при ϕ = 0 разность хода равна нулю для всех λ) — он общий для всех длин волн. Боковые максимумы ра-
41
дужно окрашены фиолетовым краем к центру дифракционной картины (поскольку λфиол <λкрасн ), в отличие от дисперсии в призме.
Рис. 14. 1.
Таким образом, картина дифракции Фраунгофера белого света на щели будет представлять собой центральную светлую полоску и ряд минимумов и максимумов, расположенных по обе стороны от неё в направлении перпендикулярном направлению щели.
Рис. 14.2
В центре дифракционной картины лежит узкий максимум нулевого порядка; у него окрашены только края. По обе стороны от центрального максимума расположены два спектра 1-го порядка, затем два 2-го порядка и т.д. Начиная со второго порядка, происходит частичное перекрытие спектров 2-го и 3-го порядков, 3-го и 4-го порядков и т.д. Поэтому дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор для разложения света в спектр и измерения длин волн.
Поскольку в условии главных максимумов (11.2а) sin ϕ ≤1, то максимальное число главных максимумов, даваемое дифракционной решеткой:
42
Угловая ширина центрального (нулевого) главного максимума на рис. 11.2 и рис. 14.2 определяется формулой
δϕ0 = 2arcsin |
λ |
≈ |
2λ |
(14.2) |
|
Nd |
Nd |
||||
m=0 |
m=1 |
m=2 |
m=3 |
спектр |
|||
спектр |
спектр |
||
первого |
второго |
третьего |
|
порядка |
порядка |
порядка |
Рис. 14.3. Дифракционный спектр люминесцентной лампы (показана только правая половина спектра)
Основными характеристиками любого спектрального прибора являются
угловая дисперсия, разрешающая способность и область дисперсии, рас-
смотрим их.
Угловая дисперсия |
|
Угловой дисперсией называется величина |
|
D = ∂ϕ |
(14.3) |
∂λ |
Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решётки, продифференцируем левую часть условие главного максимума по углу ϕ, а правую по λ. Опуская знак минус в левой части, получим:
d cosϕ dϕ =m dλ |
|||||
Отсюда: |
|||||
D = dϕ |
= |
m |
. |
(14.4) |
|
d cosϕ |
|||||
dλ |
|||||
При малых углах дифракции cosϕ ≈1, поэтому можно положить |
|||||
D ≈ m |
(14.5) |
||||
d |
Из полученного выражения следует, что угловая дисперсия обратно пропорциональна периоду решётки d . Чем выше порядок спектра m , тем больше дисперсия.
43
Линейной дисперсией называют величину |
||||||
D |
лин |
= |
δl |
, |
(14.6) |
|
δλ |
||||||
где δl – линейное расстояние на экране или на фотопластинке между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на δλ. Из рис. 4.14 видно, что при небольших значениях углах ϕ можно положить δl = f ′ δϕ,
где f ′ – фокусное расстояние линзы, собирающей дифрагирующие луч на экране.
Рис. 14.4
Следовательно, линейная дисперсия связана с угловой дисперсией D соотношением
Dлин = f ′ D
Или приняв во внимание (14.5)
2. Разрешающая способность
По определению разрешающей способностью называется величина
R = δλλ (14.8)
где δλ — наименьшая разность длин волн спектральных линий, при которой эти линии воспринимаются еще раздельно, т. е. разрешаются. Величина δλ = λ2 −λ1 не может быть по ряду причин определена точно, а лишь ориен-
тировочно (условно). Такой условный критерий был предложен Рэлеем. Согласно критерию Рэлея, спектральные линии с разными длинами
волн, но одинаковой интенсивности, считаются разрешёнными, если главный максимум одной спектральной линии совпадает с первым минимумом другой (рис. 16).
44
Рис. 14.5
Найдем разрешающую силу дифракционной решетки. Положение середины m -го максимума для длины волны λ1 определяется условием:
d sin ϕmax =mλ1 |
|||||
Края m максимума для длины волны |
λ2 |
расположены под углами, |
|||
удовлетворяющими соотношению: |
1 |
||||
d sin ϕmin |
= m ± |
λ2 |
|||
N |
|||||
Середина максимума для длины волны (λ + δλ) наложится на край мак-
симума для длины волны в том случае, если: |
1 |
||||
m (λ+ δλ)= m + |
λ, |
||||
откуда |
N |
||||
λ |
|||||
m δλ = |
|||||
N |
|||||
Решая это соотношение относительно λ δλ , находим |
|||||
R =mN |
(15.27) |
В этом случае между двумя максимумами возникает провал, составляющий около 20% от интенсивности в максимумах, и линии еще воспринимаются раздельно
Это и есть искомая формула для разрешающей способности дифракционной решётки. данная формула дает верхний предел разрешающей способности. Она справедлива при выполнении следующих условий:
1.Интенсивность обоих максимумов должна быть одинаковой.
2.Расширение линий должно быть обусловлено только дифракцией.
3.Необходимо, чтобы падающий на решётку свет имел ширину когерентности, превышающую размер решетки. Только в этом случае все N штрихов решётки будут «работать» согласованно (когерентно), и мы достигнем желаемого результата.
45
Для повышения разрешающей способности спектральных приборов можно, как показывает формула (15.27), либо увеличивать число N когерентных пучков, либо повышать порядок интерференции m .
Первое используется в дифракционных решетках (число N доходит до 200 000), второе – в интерференционных спектральных приборах (например, в интерферометре Фабри-Перо число N интерферирующих волн невелико, порядка нескольких десятков, а порядки интерференции m 106 и более).
3. Область дисперсии
∆λ — это ширина спектрального интервала, при которой еще нет перекрытия спектров соседних порядков. Если спектры соседних порядков перекрываются, то спектральный аппарат становится непригодным для исследования соответствующего участка спектра. длинноволновый конец спектра m -го порядка совпадает с коротковолновым концом спектра (m +1)-го порядка, если m (λ+ ∆λ) = (m +1)λ, откуда следует, что об-
ласть дисперсии |
λ |
||
∆λ = |
(5.33) |
||
m |
|||
Значит, область дисперсии ∆λ обратно пропорциональна порядку спектра m . При работе со спектрами низких порядков (обычно второго или третьего) дифракционная решетка пригодна для исследования излучения, занимающего достаточно широкий спектральный интервал. В этом главное преимущество дифракционных решеток перед интерференционными спектральными приборами, например, интерферометром Фабри – Перо, у которого из-за высоких порядков m область дисперсии очень мала.
Еще о дифракционных решётках. Дифракционная решётка является одним из важнейших спектральных приборов, которому наука обязана многими фундаментальными открытиями. Спектр — это по существу код, который будучи расшифрован с помощью того или иного математического аппарата дает возможность получить ценнейшую информацию о свойствах атомов и внутриатомных процессов. Для адекватного решения этой задачи спектр должен быть неискажённым и чётко различимым — в этом суть той сложнейшей научно-технической проблемы, которую пришлось решить, чтобы наконец добиться получения высококачественных дифракционных решёток. Технология изготовления дифракционных решеток в настоящее время доведена до высокой степени совершенства. Первые высококачественные отражательные решётки были созданы в конце прошлого столетия Роулендом (США). О технической сложности решаемой проблемы говорит хотя бы уже такой факт, что необходимая для этой цели делительная машина создавалась в течение 20 лет! Его дело продолжили Андерсен, Вуд и другие знаменитые экспериментаторы.
Современные полностью автоматизированные делительные машины позволяют с помощью алмазного резца изготовлять решётки с почти стро-
46
го эквидистантным расположением штрихов. Трудно даже представить, что алмазный резец при этом прочерчивает десятки километров, практически не изменяя свой профиль, — а это принципиально важно. Размеры уникальных решеток достигают 40х40 см! (Такие решетки используют в основном в астрофизике.) В зависимости от области спектра решётки имеют различное число штрихов на 1 мм: от нескольких штрихов, начиная с инфракрасной области, до 3600 — для ультрафиолетовой. В видимой области спектра 600 — 1200 штрих/мм. Ясно, что обращение с гравированной поверхностью таких решёток требует предельной осторожности.
Вследствие высокой стоимости оригинальных гравированных решёток получили распространение реплики, т. е. отпечатки гравированных решеток на специальных пластмассах, покрытых тонким отражательным слоем. По качеству реплики почти не уступают оригиналам. В 1970-х годах был разработан новый, голографический метод изготовления дифракционных решёток. В этом методе плоская подложка со светочувствительным слоем освещается двумя плоскими наклонными пучками когерентных лазерных излучений с определенной длиной волны. В области пересечения пучков образуется стационарная интерференционная картина с синусоидальным распределением интенсивности. После соответствующей обработки светочувствительного слоя получается качественная дифракционная решетка.
Отметим в заключение, что, кроме прозрачных и отражательных решёток, существуют ещё и фазовые. Они влияют не на амплитуду световой волны, а вносят периодические изменения в её фазу. По этой причине их и называют фазовыми. Примером фазовой решетки может служить пластмассовая кювета с прозрачной жидкостью, в которой возбуждена плоская стоячая ультразвуковая волна. Это приводит к периодическому изменению плотности жидкости, а значит ее показателя преломления и оптической разности хода. Такая структура меняет не амплитуду проходящего поперек волны света, а только фазу. Фазовые решетки также находят многочисленные практические применения.
Одномерная решетка вибраторов. Аналогично дифракционной ре-
шётке ведет себя в радиодиапазоне система из N параллельных друг другу вибраторов-антенн. Если они действуют синфазно, то нулевой (основной) максимум излучения направлен нормально к решетке в ее экваториальной плоскости. И здесь возникает интересная в практическом отношении возможность. Если создать режим, при котором колебания каждой следующей антенны будут, например, отставать по фазе от колебаний предыдущей на одну и ту же величину, то нулевой максимум не будет совпадать с нормалью к решетке. Изменяя же фазу во времени по определенному закону, мы получаем систему, у которой направление главного максимума будет изменяться в пространстве. Таким образом, мы приходим к возможности радиолокационного обзора местности с помощью неподвижной системы антенн.
47
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. 3(а). ДИФРАКЦИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКЕ
Цель работы: Изучение дифракции монохроматического света на дифракционной решётке. Определение постоянной дифракционной решётки.
Оборудование: оптическая скамья, монохроматор SPM-2, лампа накаливания, дифракционная решётка в держателе, линзы – 1 шт., линейка.
Порядок выполнения работы
Перед началом работы необходимо ознакомиться с теорией дифракции и описанием монохроматора SPM-2 в Приложении 1.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1
SPM-2 |
5 |
6 |
|||
xm φ |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
7 |
|
L |
Рис.1. Схема наблюдения дифракции монохроматического света на дифракционной решётке.
1 – лампа накаливания; 2 – линза; 3 – входная щель монохроматора SPM-2; 4 – выходная щель монохроматора; 5 – плоскость измерительной линейки;
6 – дифракционная решётка; 7 – глаз наблюдателя; xm – расстояние между центра-
ми нулевого и m-го максимума; L – расстояние плоскости щели до плоскости дифракционной решётки; ϕ – угол дифракции.
48
Задание 1
Определение постоянной дифракционной решётки
1. Проверить соответствие собранной схемы настоящему описанию. 2*. Включите монохроматор SPM-2 и вращением рукоятки 27 установи-
те необходимую длину волны по матовому экрану монохроматора, например, 0,55 мкм, что соответствует жёлтому цвету.
Внимание! Пункты, помеченные звёздочкой, выполняет преподаватель или лаборант.
4*. Включите источник света – лампу накаливания и перемещением линзы перпендикулярно оптической оси при помощи рукоятки на держателе линзы добейтесь яркого освещения входной щели монохроматора SPM-2.
3.Перед выходной щелью монохроматора установите дифракционную решетку на расстоянии L = 20 ÷30 см. от щели измерьте это расстояние, занесите в таблицу и далее не изменяйте его.
4.Наблюдая через дифракционную решётку дифракционную картину на фоне линейки, измерьте расстояния между центром максимума нулевого порядка и дифракционными максимумами первого x1 , второго x2 и
третьего x3 порядков для трёх длин волн, и данные занесите в таблицу.
Длины волн задаются преподавателем. Обычно задаются наиболее интенсивные цвета света – красный, жёлтый и зелёный.
Таблица 1.
λ, мкм. x1 , мм. x2 , мм. x3 , мм. L , м.
λ1
λ2
λ3
6.По формуле
d =m |
L |
λ |
(1) |
xm |
где m = 0,±1,±2,±3…….- порядок максимума, рассчитайте постоянную решётки d , найдите среднее значение d и по формуле Стьюдента рассчи-
тай погрешность измерений.
7. Запишите результат в формате:
d = d ± ∆d
49
Задание 2.
Расчёт максимального порядка дифракционного спектра, угловой дисперсии и разрешающей способности дифракционной решётки
1. Оцените теоретическое значение максимально возможного числа главных максимумов, даваемое дифракционной решёткой с измеренной постоянной решётки для выбранной длины волны и сравните с экспериментально наблюдаемой дифракционной картиной.
Наибольший порядок спектра дифракционной решётки можно найти из условия главного максимум
d sin ϕ =mλ, |
||
откуда следует: |
||
m = d |
sin ϕ. |
(2) |
λ |
Из формулы (2) видно, что максимальный порядок дифракции m для заданных d и λ определяется значением переменной величины sin ϕ. Наибольшее значение sin ϕ =1, следовательно:
m |
max |
= d |
(3) |
λ |
|||
2. Рассчитайте угловую дисперсию дифракционной решётки. |
|||
По определению угловой дисперсией называется величина |
|||
Dугл |
δϕ |
||
= δλ |
где δϕ угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на δλ = λ1 −λ2 . Дисперсию можно определить из ус-
ловия главного максимума
d sin ϕ =mλ.
Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решётки, продифференцируем левую часть условие главного максимума по углу ϕ, а правую по
λ. Опуская знак минус в левой части, получим d cosϕ dϕ =m dλ
Отсюда: |
|||||
D = dϕ |
= |
m |
. |
(4) |
|
d cosϕ |
|||||
dλ |
|||||
При малых углах дифракции cosϕ ≈1, поэтому можно положить |
|||||
D ≈ m |
(5) |
||||
d |
Из полученного выражения следует, что угловая дисперсия обратно пропорциональна периоду решётки d . Чем выше порядок спектра m , тем
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #