Физический практикум для инженерного класса, практическая работа № 2 "Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки"

Практическая работа № 2

Тема: Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки

Цель: прочитайте теоретические сведения и ход работы, самостоятельно сформулируйте цель.

Оборудование: 1) прибор для определения длины световой волны на подставке; 2) дифракционная решетка; 3) источник света (фонарик).

Т еоретические сведения

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких параллельных щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Общая ширина щели и непрозрач­ною промежутка называется периодом решетки. Например, если на дифракционной решетке имеется 100 штрихов на 1мм, то период пли постоянная дифракционной решетки d = 0,01 мм.

На рисунке 1 представлена схема хода лучей через решет­ку. Лучи, проходящие через решетку перпендикулярно ее плоскости, попадают в зрачок наблюдателя и образуют на сет­чатке глаза обычное изображе­ние источника света. Лучи, огибающие края щелей решетки, имеют некоторую разность хо­да, зависящую от угла α. Если эта разность равна длине волны λ или λ п, где п — целое чис­ло, то каждая такая пара лучей образует на сетчатке изображе­ние источника, цвет которого определяется соответствующей длиной волны λ.

Смотря сквозь решетку на источник света, наблюдатель, кроме этого источника, видит расположенные симметрично по обе стороны от него дифракционные спектры. Ближайшая пара спектров (1-го порядка) соответствует разности хода лучей, равной λ для соответствующего цвета. Более удаленная пара спектров (2-го порядка) соответствует разности хода лучей, равной 2 λ, и т. д.

Как видно из схемы, , где d — известный период решетки

а n — порядок спектра.

Значит, чтобы определить длину волны, соответствующей ли­нии определенного цвета, достаточно найти

Для этого служит прибор, изображенный на рисунке 2. Это линейка, разделенная на миллиметры, с перемещающимся вдоль нее черным экраном. Посередине экрана имеется прорезь, с помощью которой прибор направляют на источник света. На другом кон­це линейки закреплена дифрак­ционная решетка. Смотря сквозь решетку и прорезь на источник света, наблюдатель увидит на черном фоне экрана по обе сто­роны от прорези дифракцион­ные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков. Расстояние a отсчи­тывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b - от про­рези до линии спектра опреде­ляемой длины волны.

Выполнение работы

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений

1. Поместите дифракционную решетку в рамку прибора и укре­пите его в подставке подъемного столика.

2. Смотря сквозь дифракционную решетку, направьте прибор на источник света так, чтобы последний был виден сквозь узкую прицельную щель щитка. При этом по обе стороны щитка на черном фоне заметны дифракционные спектры нескольких порядков. В слу­чае наклонного положения спектров поверните решетку на некото­рый угол до устранения перекоса.

3. По шкале щитка, рассматриваемой через решетку, опреде­лите красную и фиолетовую границы спектров 1-го и 2-го порядков.

4. По делениям, нанесенным на бруске, определите расстояние от дифракционной решетки до шкалы.

5. Результаты измерений занесите в таблицу.

6. Установите ползунок с экраном на другом расстоянии от решетки и повторите измерения.

7. Определите длину длину световой волны для красных и фиолетовых лучей по уравнению, приведенному выше. (Поскольку углы, под которыми наблюдают границы спектров для решетки с d = 0,01 мм, не превышают 4°, вместо синусов можно использовать значения тангенсов)

8. Определите среднее значение длины волны для красной и фиолетовой границ спектра, сравните с табличными данными.

9. Вычислите абсолютную и относительную погрешность определения длины волны, самостоятельно прописав формулу, исходя из расчетной.

11. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Что называется периодом решетки?

2. Как образуется дифракционный спектр и чем он отличается от дисперсионного?

3. Какова последовательность в расположении красной и фиолетовой частей дифракционного спектра относительно середины?

4. Как влияет период дифракционной решетки на расстояние между участками дифракционных спектров?