Определение длины световой волны при помощи дифракционной решётки
Цель работы : определение с помощью дифракционной решётки длины световых волн в различных частях видимого спектра.
Приборы и принадлежности : дифракционная решётка; плоская шкала со щелью и лампа накаливания с матовым экраном, укреплённые на оптической скамье; миллиметровая линейка.
1. ТЕОРИЯ МЕТОДА
Дифракцией волн называется огибание волнами препятствий. Под препятствиями понимаются различные неоднородности, которые волны, в частности, световые, могут огибать, отклоняясь от прямолинейного распространения и заходя в область геометрической тени. Дифракция наблюдается также, когда волны проходят через отверстия, огибая их края. Дифракция заметно выражена, если размеры препятствий или отверстий порядка длины волны, а также на больших расстояниях от них по сравнению с их размерами.
Дифракция света находит практическое применение в дифракционных решётках. Дифракционной решёткой называют всякую периодическую структуру, влияющую на распространение волн той или иной природы. Простейшая оптическая дифракционная решётка представляет собой ряд одинаковых параллельных очень узких щелей, разделённых одинаковыми непрозрачными полосами. Кроме таких прозрачных решёток существуют также отражательные дифракционные решётки, в которых свет отражается от параллельных неровностей. Прозрачные дифракционные решётки обычно представляют собой стеклянную пластинку, на которой алмазом с помощью специальной делительной машины прочерчены полосы (штрихи). Эти штрихи являются почти полностью непрозрачными промежутками между неповреждёнными частями стеклянной пластинки – щелями. Число штрихов, приходящихся на единицу длины, указывается на решётке. Периодом (постоянной) решётки d называется суммарная ширина одного непрозрачного штриха плюс ширина одной прозрачной щели, как показано на рис. 1, где подразумевается, что штрихи и полосы расположены перпендикулярно плоскости рисунка.
Пусть на решётку (ДР) перпендикулярно её плоскости падает параллельный пучок света, рис. 1. Поскольку щели являются очень узкими, то будет сильно выражено явление дифракции, и световые волны от каждой щели пойдут по различным направлениям. В дальнейшем прямолинейно распространяющиеся волны будем отождествлять с понятием лучей. Из всей совокупности лучей, распространяющихся от каждой щели, выделим пучок параллельных лучей, идущих под некоторым углом (угол дифракции) к нормали, проведённой к плоскости решётки. Из этих лучей рассмотрим два луча, 1 и 2, которые идут от двух соответствующих точек A и C соседних щелей, как показано на рис. 1. Проведём к этим лучам общий перпендикуляр AB . В точках A и C фазы колебаний одинаковы, но на отрезке C B между лучами возникает разность хода , равная
= d sin. (1)
После прямой AB разность хода между лучами 1 и 2 сохраняется неизменной. Как видно из рис. 1, такая же разность хода будет существовать между лучами, идущими под тем же углом от соответствующих точек всех соседних щелей.
Рис. 1. Прохождение света через дифракционную решетку ДР: Л – собирающая линза, Э – экран для наблюдения дифракционной картины, M – точка сведения параллельных лучей
Если теперь все эти лучи, т. е. волны, свести в одну точку, то они будут либо усиливать, либо ослаблять друг друга вследствие явления интерференции. Максимальное усиление, когда амплитуды волн складываются, происходит в том случае, если разность хода между ними равна целому числу длин волн: = k , где k – целое число или ноль, – длина волны. Следовательно, в направлениях, удовлетворяющих условию
d sin = k , (2)
будут наблюдаться максимумы интенсивности света с длиной волны .
Для сведения лучей, идущих под одним и тем же углом , в одну точку (M ) используется собирающая линза Л, обладающая свойством собирать параллельный пучок лучей в одной из точек своей фокальной плоскости, куда помещается экран Э. Фокальная плоскость проходит через фокус линзы и параллельна плоскости линзы; расстояние f между этими плоскостями равно фокусному расстоянию линзы, рис 1. Важно, что линза не изменяет разность хода лучей , и формула (2) остаётся справедливой. Роль линзы в настоящей лабораторной работе играет хрусталик глаза наблюдателя.
В направлениях, для которых величина угла дифракции не удовлетворяет соотношению (2), будет происходить частичное или полное ослабление света. В частности, световые волны, приходящие в точку встречи в противоположных фазах, будут полностью гасить друг друга, и в соответствующих точках экрана будут наблюдаться минимумы освещённости. Кроме того, каждая щель из-за дифракции посылает в разных направлениях лучи разной интенсивности. В результате картина, возникающая на экране, будет иметь довольно сложный вид: между главными максимумами, определяемыми условием (2), располагаются добавочные, или побочные максимумы, разделённые совсем тёмными участками – дифракционными минимумами. Однако практически на экране будут видны лишь главные максимумы, так как интенсивность света в побочных максимумах, не говоря уже о минимумах, очень мала.
Если падающий на решётку свет содержит волны различных длин 1 , 2 , 3 , ..., то по формуле (2) можно подсчитать для каждой комбинации k и свои значения угла дифракции , для которых будут наблюдаться главные максимумы интенсивности света.
При k = 0 для любого значения получается = 0, т. е. в направлении, строго перпендикулярном плоскости решётки, усиливаются волны всех длин. Это так называемый спектр нулевого порядка. Вообще, число k может принимать значения k = 0, 1, 2 и т. д. Два знака, , для всех значений k 0 соответствуют двум системам дифракционных спектров, расположенных симметрично по отношению к спектру нулевого порядка, слева и справа от него. При k = 1 спектр носит название спектра первого порядка, при k = 2 получается спектр второго порядка и т. д.
Поскольку всегда |sin| 1, то из соотношения (2) следует, что при заданных d и значение k не может быть произвольно большим. Максимально возможное k , т. е. предельное число спектров k max , для конкретной дифракционной решётки можно получить из условия, которое следует из (2) при учете того, что |sin| 1:
Поэтому k max равно максимальному целому числу, не превосходящему отношения d /. Как было указано выше, каждая щель посылает в разных направлениях лучи разной интенсивности, причем оказывается, что при больших значениях угла дифракции интенсивность посылаемых лучей слаба. Поэтому спектры с большими значениями |k |, которые должны наблюдаться под большими углами , практически видны не будут.
Картина, возникающая на экране в случае монохроматического света, т. е. света, характеризуемого одной определённой длиной волны , показана на рис. 2а. На тёмном фоне можно видеть систему отдельных ярких линий одного цвета, из которых каждая соответствует своему значению k .
Рис. 2. Вид картины, получаемой с помощью дифракционной решетки: а) случай монохроматического света, б) случай белого света
Если же на решётку падает немонохроматический свет, содержащий набор волн различных длин (например, белый свет), то при данном k 0 волны с различными длинами будут усиливаться под разными углами , и свет будет разложен в спектр, когда каждому значению k соответствует весь набор спектральных линий, рис. 2б. Способность дифракционной решётки разлагать свет в спектр используют на практики для получения и исследования спектров.
Основными характеристиками дифракционной решётки являются её разрешающая способность R и дисперсия D . Если в световом пучке присутствуют две волны с близкими длинами 1 и 2 , то возникнут два близко расположенных дифракционных максимума. При малой разности длин волн = 1 2 эти максимумы сольются в один и не будут видны раздельно. Согласно условию Рэлея, две монохроматические спектральные линии видны ещё раздельно в том случае, когда максимум для линии с длиной волны 1 попадает на место ближайшего минимума для линии с длиной волны 2 и наоборот, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема, поясняющая условие Рэлея: I – интенсивность света в относительных единицах
Обычно для характеристики дифракционной решётки (и других спектральных приборов) используют не минимальное значение , когда линии видны раздельно, а безразмерную величину
называемую разрешающей способностью. В случае дифракционной решётки, используя условие Рэлея, можно доказать формулу
R = kN , (5)
где N – полное число штрихов решётки, которое можно найти, зная ширину решётки L и период d :
Угловая дисперсия D определяется угловым расстоянием между двумя спектральными линиями, отнесённым к разности их длин волн :
Она показывает быстроту изменения угла дифракции лучей в зависимости от изменения длины волны .
Отношение /, входящее в (7), можно найти, заменив его производной d /d , которую можно вычислить, используя соотношение (2), что даёт
. (8)
Для случая малых углов , когда cos 1, из (8) получаем
Наряду с угловой дисперсией D используют также линейную дисперсию D l , которая определяется линейным расстоянием l между спектральными линиями на экране, отнесённым к разности их длин волн :
где D – угловая дисперсия, f – фокусное расстояние линзы (см. рис. 1). Вторая формула (10) справедлива для малых углов и получается, если учесть, что для таких углов l f .
Чем больше разрешающая способность R и дисперсия D , тем качественнее любой спектральный прибор, содержащий, в частности, дифракционную решётку. Формулы (5) и (9) показывают, что хорошая дифракционная решётка должна содержать большое число штрихов N и иметь малый период d . Кроме того, желательно использовать спектры больших порядков (с большими значениями k ). Однако, как отмечалось выше, такие спектры плохо видны.
Целью данной лабораторной работы является определение длины световых волн в различных областях спектра при помощи дифракционной решётки. Схема установки показана на рис. 4. Роль источника света играет прямоугольное отверстие (щель) А в шкале Шк, освещаемое лампой накаливания с матовым экраном S . Глаз наблюдателя Г, находящийся сзади дифракционной решётки ДР, наблюдает мнимое изображение щели в тех направлениях, в которых световые волны, идущие от различных щелей решётки, взаимно усиливаются, т. е. в направлениях главных максимумов.
Рис. 4. Схема лабораторной установки
Исследуются спектры не выше третьего порядка, для которых в случае используемой дифракционной решётки углы дифракции малы, в связи с чем их синусы можно заменить тангенсами. В свою очередь, тангенс угла , как видно из рис. 4, равен отношению y /x , где y – расстояние от отверстия A до мнимого изображения спектральной линии на шкале, а x – расстояние от шкалы до решётки. Таким образом,
. (11)
Тогда вместо формулы (2) будем иметь , откуда
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Установите, как показано на рис. 4, шкалу с отверстием А на один конец оптической скамьи вблизи от лампы накаливания S , а дифракционную решётку – на другой её конец. Включите лампу, перед которой находится матовый экран.
2. Передвигая решётку по скамье, добейтесь, чтобы красная граница правого спектра первого порядка (k = 1) совпала с каким-либо целым делением на шкале Шк; запишите его значение y в табл. 1.
3. Используя линейку, измерьте расстояние x для этого случая и также занесите его значение в табл. 1.
4. Проделайте те же операции для фиолетовой границы правого спектра первого порядка и для середины зелёного участка, расположенного в средней части спектра (в дальнейшем эта середина будет для краткости называться зелёной линией); значения x и y для этих случаев также занесите в табл. 1.
5. Аналогичные измерения проделайте для левого спектра первого порядка (k = 1), занося результаты измерений в табл. 1.
Учтите, что для левых спектров любого порядка k y.
6. Те же самые операции проделайте для красной и фиолетовой границ и для зелёной линии спектров второго порядка; данные измерений занесите в ту же таблицу.
7. Занесите в табл. 3 ширину дифракционной решётки L и значение периода решётки d , которые указаны на ней.
Таблица 1
|
Спектр лампы накаливания |
x , см |
y , см |
i , нм |
i = i , нм |
|||
|
Фиолетовая |
|||||||
3. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
По формуле (12) рассчитайте длины волн i для всех проведённых измерений
(d = 0,01 см). Внесите их значения в табл. 1.
2. Найдите средние значения длин волн отдельно для красной и фиолетовой границ сплошного спектра и изучаемой зелёной линии, а также средние арифметические ошибки определения по формулам
где n = 4 – число измерений для каждого участка спектра. Занесите величины и в табл. 1.
3. Результаты измерений представьте в виде табл. 2, куда запишите границы видимого спектра и длину волны наблюдаемой зелёной линии, выраженные в нанометрах и ангстремах, взяв в качестве средние значения полученных длин волн из табл. 1.
Таблица 2
4. По формуле (6) определите полное число штрихов решётки N , а затем с помощью формул (5) и (9) вычислите разрешающую способность R и угловую дисперсию решётки D для спектра второго порядка (k = 2).
5. Пользуясь формулой (3) и пояснением к ней, определите максимальное число спектров k max , которые можно получить с помощью данной дифракционной решётки, используя в качестве среднюю длину волны наблюдаемой зелёной линии.
6. Вычислите частоту наблюдаемой зелёной линии по формуле = c /, где с – скорость света, взяв в качестве также величину .
Все рассчитанные в пп. 46 величины занесите в табл. 3.
Таблица 3
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чём состоит явление дифракции и когда дифракция наиболее заметно выражена?
Дифракцией волн называется огибание волнами препятствий. Дифракция света – это совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света сквозь малые отверстия, вблизи границ непрозрачных тел и т.д. и обусловленных волновой природой света. Явление дифракции, общее для всех волновых процессов, имеет особенности для света, а именно здесь, как правило, длина волны λ много меньше размеров d преград (или отверстий). Поэтому наблюдать дифракцию можно только на достаточно больших расстояниях l от преграды (l > d 2 / λ).
2. Что такое дифракционная решётка и для чего подобные решётки используются?
Дифракционной решеткой называют всякую периодическую структуру, влияющую на распространение волн той или иной природы. Дифракционной решеткой осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.
3. Что обычно представляет собой прозрачная дифракционная решётка?
Прозрачные дифракционные решетки обычно представляют собой стеклянную пластинку, на которой алмазом с помощью специальной делительной машины прочерчены полосы (штрихи). Эти штрихи являются почти полностью непрозрачными промежутками между неповрежденными частями стеклянной пластинки – щелями.
4. Каково назначение линзы, используемой вместе с дифракционной решёткой? Что служит линзой в данной работе?
Для сведения лучей, идущих под одним и тем же углом φ, в одну точку используется собирающая линза, обладающая свойством собирать параллельный пучок лучей в одной из точек своей фокальной плоскости, куда помещается экран. Роль линзы в данной работе играет хрусталик глаза наблюдателя.
5. Почему при освещении белым светом в центральной части дифракционной картины возникает белая полоса?
Белый свет является немонохроматическим светом, содержащим набор волн различных длин. В центральной части дифракционной картинки k = 0 образуется центральный максимум нулевого порядка, следовательно, возникает белая полоса.
6. Дайте определение разрешающей способности и угловой дисперсии дифракционной решётки.
Основными характеристиками дифракционной решетки являются её разрешающая способность R и дисперсия D.
Обычно для характеристики дифракционной решетки используют не минимальное значение Δλ, когда линии видны раздельно, а безразмерную величину
Угловая дисперсия D определяется угловым расстоянием δφ между двумя спектральными линиями, отнесенным к разности их длин волн δλ:
Она показывает быстроту изменения угла дифракции φ лучей в зависимости от изменения длины волны λ.
ПомощьюМетодичка >> Физика
Расчетной формулой для вычисления длин световых волн при помощи дифракционных решеток. Измерение длины волны сводится к определению угла отклонения лучей...
РАБОТА № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ
Цель работы : ознакомиться с явлением дифракции света, произвести измерения и вычислить длины волн основных линий излучения паров ртути в видимой части спектра.
Оборудование : осветители, блоки питания , шкала с щелью, дифракционная решетка.
Описание метода
Дифракцией называется огибание световой волной границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям.
Пользуясь явлением дифракции света, можно с помощью дифракционной решетки измерить длину световой волны. Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных друг другу щелей равной ширины, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Расстояние между серединами соседних щелей, равное ( a + b ) = d , где b – ширина щели, a – ширина непрозрачного промежутка между щелями, называется периодом дифракционной решетки (рис. 1).
При падении на решетку плоской монохроматической световой волны каждая точка щелей становиться источником вторичных сферичных когерентных волн, распространяющихся от решетки во всех направлениях. Плоской называется волна, фронт которой представляет собой плоскость, отделяющая область, вовлеченную проходящей волной в колебательный процесс, от области пространства, до которой еще не дошла волна и не начались колебания. Если на пути волн за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы, будет наблюдаться дифракционная картина: 100%">
Если складываются лучи, идущие от разных, но не от соседних щелей, и при этом возникает разность хода, равная нечетному числу полудлин волн, то возникают добавочные минимумы. Их условие имеет вид
где N – общее число щелей дифракционной решетки,
m ¢ = 1, 2, 3,…,N – 1.
Внешне появление дополнительных минимумов проявляется в том, что дифракционная картина представляет собой широкие темные полосы, разделенные светлыми узкими линиями главных максимумов. Чем больше штрихов содержит дифракционная решетка, тем уже получаются дифракционные максимумы, тем выше разрешающая способность решетки
https://pandia.ru/text/80/046/images/image006_17.gif" width="628" height="260">
Если на решетку падает не монохроматический, а белый свет, то все главные максимумы, кроме центрального, разлагаются в спектр, и картина приобретает вид, представленный на рис. 2. Из (2) видно, что в этих спектрах красные лучи более удалены от центра, чем фиолетовые, т. к. l к > l ф .
Описание установки
https://pandia.ru/text/80/046/images/image008_12.gif" width="393" height="290">
Схема установки показана на рис. 3. Свет от источника 1, пройдя узкую щель 2 в кожухе лампы 3, падает практически параллельным пучком на дифракционную решетку 5. Наблюдается дифракционная картина глазом. При этом глаз проецирует светлые линии на шкалу 4, на которой видна дифракционная картина.
Из треугольника ABC видно, что угол дифракции j для отдельных полос можно найти из равенства
где L – расстояние от щели до дифракционной решетки; l – расстояние от максимума нулевого порядка (от щели) до интересующей нас полосы спектра.
Выполнение измерений
1. Включить осветитель с ртутной лампой, имеющей линейчатый спектр.
2. Установить дифракционную решетку по возможности дальше от щели так, чтобы отчетливо были видны спектры первого и второго порядков. Измерить расстояние L от щели до решетки. Плоскость решетки необходимо располагать перпендикулярно к световым лучам.
3. Глядя через решетку на щель, измерить по шкале расстояние от середины щели до фиолетовой линии в спектрах первого и второго порядков. Следует измерить l ’ и l ” (вправо и влево от щели). Результаты измерений занесите в таблицу.
4. Используя формулы (2) и (5), определить длину волны фиолетовых лучей. Значение периода решетки d
указано на установке.
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Порядок спектра
Влево l ¢ , мм
Вправо l ¢¢ ,мм
sin j
l i , мм
<l > , мм
Фиолетовый
Оранжевый
7. Записать окончательный результат для каждого цвета:
8. Сделать вывод, считая d l для всех цветов одинаковой. Сравнить полученные длины волн с табличными.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой дифракционная решетка?
2. Чему равен период дифракционной решетки, у которой на 1 мм нанесено 1000 штрихов?
3. Каково условие получения главных максимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?
4. Каково условие получения главных минимумов при дифракции плоских волн на дифракционной решетке?
5. Что представляют собой зоны Френеля и от чего зависит число зон Френеля, укладывающихся на плоской щели?
6. Каков наибольший порядок спектра от дифракционной решетки с периодом d = 3,5 мкм, если длина волны света l = 600 нм?
7. Как изменяется интенсивность главных максимумов с увеличением числа щелей N при дифракции от многих щелей?
8. В чем заключается дифракция света?
Урок- исследование
Таблица самоконтроля
| Мульти-медиа | Странич-ки истории | Доверяй, но проверяй | Термины. Фор-мулы. | Дополнительно |
||
| учащегося | ||||||
Тестирование
Урок- исследование
по теме «Определение длины световой волны»
Таблица самоконтроля
Ф. И. уч – ся ___________________________
| Тестиро-вание (уровень А,В,C ) | Мульти-медиа | Странич-ки истории | Доверяй, но проверяй | Термины. Фор-мулы. | Дополнительно |
|
| учащегося | ||||||
Тестирование
«Разработка урока»
Урок - исследование
(11 класс)
Определение длины
световой волны
Учитель: Радченко М.И.
Тема : Определение длины световой волны. Лабораторная работа «Измерение длины световой волны».
Урок - исследование. (Приложение.)
Цели :
Обобщить, систематизировать знания о природе света, экспериментально исследовать зависимость длины световой волны от других физических величин, научить видеть проявления изученных закономерностей в окружающей жизни, формировать навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельностью учащихся, воспитание мотивов учения.
Без сомнения, все наше знание начинается с опыта.
Кант Иммануил
(Немецкий философ, 1724-1804гг.)
Оформление – портреты ученых, биографическая справка, достижения в науке. Основные звенья научного творчества: исходные факты, гипотеза, следования, эксперимент, исходные факты.
Ход урока
Орг. момент.
Вступительное слово учителя. Тема урока и цели выполнены в Power Point , проектируются по сети на экраны мониторов и интерактивную доску.
Учитель зачитывает и поясняет слова эпиграфа и основные звенья научного творчества
Актуализация знаний. Повторение, обобщение изученного материала о природе света. Решение задач. Учащиеся знакомят с результатами своих теоретических исследований, подготовленными в виде презентаций в Power Point (дисперсия, интерференция, дифракция света, дифракционная решетка. Приложения ).
Выполнение лабораторной работы «Измерение длины световой волны». (Приложение, материал учебника.) Анализ полученных результатов, выводы.
Компьютерное тестирование. Задания подготовлены в четырех уровнях сложности. Результат заносят в «Таблицу самоконтроля». (Приложение).
Подведение итогов.
Учащиеся заполняют таблицы самоконтроля с проставлением оценки по различным видам деятельности.
Учитель анализирует вместе с учащимися результаты работы.
Просмотр содержимого документа
«Световые явления уровень А»
СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Уровень А
А. Телевизор.
Б. Зеркало.
Г. Солнце.
2. Для того, чтобы узнать скорость света в неизвестном прозрачном веществе, достаточно определить …
А. Плотность.
Б. Температуру.
В. Упругость.
Г. Давление.
Д. Показатель преломления.
3. Световая волна характеризуется длиной волны, частотой и скоростью распространения. При переходе из одной среды в другую не изменяется …
А. Скорость.
Б. Температура.
В. Длина волны.
Г. Только частота.
Д. Показатель преломления.
4. Оптическая система глаза строит изображение далеких предметов за сетчаткой. Какой это дефект зрения и какие линзы нужны для очков?
Б. Близорукость, собирающие.
В. Нет дефекта зрения.
5. Если показатель преломления алмаза равен 2,4, то скорость света (с=3*10 8 м/с)
в алмазе равна …
А. 200000 км/с.
Б. 720000 км/с.
В. 125000 км/с.
Г. 725000 км/с.
Д. 300000 км/с.
В. Длина волны изменяется.
Г. Только частота одинаковая.
7. Человек приближается к плоскому зеркалу со скоростью 2 м/с. Скорость, с которой он приближается к своему изображению, равна …
А. Молния.
Б. Блеск драгоценных камней.
В. Радуга.
Г. Тень от дерева.
9. Во время работы свет должен падать…
А. Справа.
В. Сверху.
Г. Спереди.
10.
А. Плоское зеркало.
Б. Стеклянная пластинка.
В. Собирающая линза.
Г. Рассеивающая линза.
11. На сетчатке глаза изображение…
Просмотр содержимого документа
«Световые явления уровень В»
СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Уровень В
1. Для того, чтобы узнать скорость света в неизвестном прозрачном веществе, достаточно определить …
А. Плотность.
Б. Температуру.
В. Упругость.
Г. Давление.
Д. Показатель преломления.
2. Световая волна характеризуется длиной волны, частотой и скоростью распространения. При переходе из одной среды в другую не изменяется …
А. Скорость.
Б. Температура.
В. Длина волны.
Г. Только частота.
Д. Показатель преломления.
3. Оптическая система глаза строит изображение далеких предметов за сетчаткой. Какой это дефект зрения и какие линзы нужны для очков?
А. Дальнозоркость, собирающие.
Б. Близорукость, собирающие.
В. Нет дефекта зрения.
Г. Близорукость, рассеивающие.
Д. Дальнозоркость, рассеивающие.
4. Если показатель преломления алмаза равен 2,4, то скорость света (с=3*10 8 м/с)
в алмазе равна …
А. 200000 км/с.
Б. 720000 км/с.
В. 125000 км/с.
Г. 725000 км/с.
Д. 300000 км/с.
5. Определить длину волны, если ее скорость равна 1500 м/с, а частота колебаний 500 Гц.
Б. 7,5*10 5 м.
Д. 0,75*10 5 м.
6. Отраженная волна возникает, если …
А. Волна падает на границу раздела сред с разной плотностью.
Б. Волна падает на границу раздела сред с одинаковой плотностью.
В. Длина волны изменяется.
Г. Только частота одинаковая.
Д. Показатель преломления одинаковый.
7. Человек приближается к плоскому зеркалу со скоростью 2 м/с. Скорость, с которой он приближается к своему изображению, равна …
8. Какое из названных ниже явлений объясняется прямолинейным распространением света?
А. Молния.
Б. Блеск драгоценных камней.
В. Радуга.
Г. Тень от дерева.
9. Какой оптический прибор может давать увеличенное и действительное изображение предмета?
А. Плоское зеркало.
Б. Стеклянная пластинка.
В. Собирающая линза.
Г. Рассеивающая линза.
10. На сетчатке глаза изображение…
А. Увеличенное, прямое, действительное.
Б. Уменьшенное, перевернутое (обратное), действительное.
В. Уменьшенное, прямое, мнимое.
Г. Увеличенное, перевернутое (обратное), мнимое.
11. Найти период решетки, если дифракционное изображение первого порядка получено на расстоянии 2,43 см от центрального, а расстояние от решетки до экрана 1 м. Решетка была освещена светом с длиной волны 486 нм.
Просмотр содержимого документа
«Световые явления уровень Д»
СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Уровень Д
1.Из перечисленных ниже тел выберите тело, являющееся естественным источником света.
А. Телевизор.
Б. Зеркало.
Г. Солнце.
2. Угол падения светового луча равен30º. Угол отражения светового луча равен:
3. При солнечном затмении на Земле образуется тень и полутень от Луны (см. рис.). Что видит человек, находящийся в тени в точке А?
4. При помощи дифракционной решетки с периодом 0,02 мм получено первое дифракционное изображение на расстоянии 3,6 см от центрального максимума и на расстоянии 1,8 м от решетки. Найти длину световой волны.
5. Фокусное расстояние двояковыпуклой линзы 40 см. Чтобы изображение предмета получилось в натуральную величину, его надо поместить от линзы на расстоянии, равном …
6. Первый дифракционный максимум для света с длиной волны 0,5 мкм наблюдается под углом 30 градусов к нормали. На 1 мм в дифракционной решетке содержится штрихов …
7. При фотографировании с расстояния 200 м высота дерева на негативе оказалась равной 5 мм. Если фокусное расстояние объектива 50 мм, то действительная высота дерева …
8. Для того, чтобы узнать скорость света в неизвестном прозрачном веществе, достаточно определить …
А. Плотность.
Б. Температуру.
В. Упругость.
Г. Давление.
Д. Показатель преломления.
9. Световая волна характеризуется длиной волны, частотой и скоростью распространения. При переходе из одной среды в другую не изменяется …
А. Скорость.
Б. Температуру.
В. Длина волны.
Г. Только частота.
Д. Показатель преломления.
10. Оптическая система глаза строит изображение далеких предметов за сетчаткой. Какой это дефект зрения и какие линзы нужны для очков?
А. Дальнозоркость, собирающие.
Б. Близорукость, собирающие.
В. Нет дефекта зрения.
Г. Близорукость, рассеивающие.
Д. Дальнозоркость, рассеивающие.
11. Определить длину волны, если ее скорость равна 1500 м/с, а частота колебаний 500 Гц.
Б. 7,5*10 5 м.
Д. 0,75*10 5 м.
12. Если показатель преломления алмаза равен 2,4, то скорость света (с=3*10 8 м/с)
в алмазе равна …
А. 200000 км/с.
Б. 720000 км/с.
В. 125000 км/с.
Г. 725000 км/с.
Д. 300000 км/с.
13. Отраженная волна возникает, если …
А. Волна падает на границу раздела сред с разной плотностью.
Б. Волна падает на границу раздела сред с одинаковой плотностью.
В. Длина волны изменяется.
Г. Только частота одинаковая.
Д. Показатель преломления одинаковый.
14. Человек приближается к плоскому зеркалу со скоростью 2 м/с. Скорость, с которой он приближается к своему изображению, равна …
15. Найти период решетки, если дифракционное изображение первого порядка получено на расстоянии 2,43 см от центрального, а расстояние от решетки до экрана 1 м. Решетка была освещена светом с длиной волны 486 нм.
16. Оптическая система глаза приспосабливается к восприятию предметов, находящихся на разном расстоянии за счет…
А. Изменения кривизны хрусталика.
Б. Дополнительного освещения.
В. Приближения и удаления предметов.
Г. Световых раздражений.
1 7. Какое из названных ниже явлений объясняется прямолинейным распространением света?
А. Молния.
Б. Блеск драгоценных камней.
В. Радуга.
Г. Тень от дерева.
18. Какой оптический прибор может давать увеличенное и действительное изображение предмета?
А. Плоское зеркало.
Б. Стеклянная пластинка.
В. Собирающая линза.
Г. Рассеивающая линза.
19. Во время работы свет должен падать…
А. Справа.
В. Сверху.
Г. Спереди.
20. На сетчатке глаза изображение…
А. Увеличенное, прямое, действительное.
Б. Уменьшенное, перевернутое (обратное), действительное.
В. Уменьшенное, прямое, мнимое.
Г. Увеличенное, перевернутое (обратное), мнимое.
«Дифракционная решетка.»
Дифракционная решетка
На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора-дифракционной решетки.
Определение длины световой волны
AC=AB*sin φ=D*sin φ
Где k=0,1,2 …
Просмотр содержимого презентации
«Дифракция»
Дифракция
отклонение от прямолинейного
распространения волн, огибание волнами препятствий
Дифракция
механических волн
Дифракция
Опыт Юнга
Теория Френеля
Юнг Томас (1773-1829) английский ученый
Френель Огюстен (1788 - 1821) французский физик
Просмотр содержимого презентации
«Интерференция»
Интерференция
Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний
Открытие интерференции
Явление интерференции наблюдал Ньютон
Открытие и термин интерференция принадлежат Юнгу
Условие максимумов
- Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн
∆ d=k λ
Условие минимумов
- Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн.
∆ d=(2k+1) λ /2
«Мыльный пузырь, витая в воздухе… зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы»
Марк Твен
Интерференция в тонких пленках
- Различие в цвете связано с различием в длине волны. Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.
- Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на ней плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны.
- Волны 1 и 2 когерентны. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.
- Если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друг друга
- Проверка качества обработки поверхностей.
- Нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности вызовут заметные искривления интерференционных полос.
- Просветление оптики. Часть пучка после многократного отражения от внутренних поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. Для устранения этих последствий используют просветление оптики. На поверхность оптического стекла наносят тонкую пленку. Если амплитуды отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Гашение отраженных волн у объективов означает, что весь свет проходит сквозь объектив.
Просмотр содержимого презентации
«Определение длины световой волны л р»
Формула:
λ =( d sin φ ) /k ,
где d - период решетки, k – порядок спектра, φ – угол, под которым наблюдается максимум света
Расстояние а отсчитывается по линейке от решетки до экрана, расстояние b – отсчитывается по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра
Максимум света
Конечная формула
λ = db/ka
Световая волна
Интерференционные опыты позволяют измерить длину световой волны: она очень мала – от 4*10 -7 до 8*10 -7 м
Лабораторная работа №6.
Измерение световой волны.
Оборудование: дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм.
Схема установки:
Держатель.
Черный экран.
Узкая вертикальная щель.
Цель работы: экспериментальное определение световой волны с помощью дифракционной решетки.
Теоретическая часть:
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными помежутками.
Источник
Длина волны определяется по формуле:
Где d – период решетки
k – порядок спектра
Угол, под котором наблюдается максимум света
Уравнение дифракционной решетки:
Поскольку углы, под которыми наблюдается максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5 , можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.
Следовательно,
Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b – по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.
Окончательная формула для определения длины волны имеет вид
В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра.
Примерный ход работы:
b=8 см, a=1 м; k=1; d=10 -5 м
(красный цвет)
d – период решетки
Вывод: Измерив экспериментально длину волн красного света с помощью дифракционной решетки, мы пришли к выводу, что она позволяет очень точно измерить длины световых волн.
Лабораторная работа №5
Лабораторная работа №5
Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы .
Оборудование: линейка, два прямоугольных треугольника, длиннофокусная собирающая линза, лампочка на подставке с колпачком, источник тока, выключатель, соединительные провода, экран, направляющая рейка.
Теоретическая часть:
Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния линзы основан на использовании формулы линзы
d – расстояние от предмета до линзы
f – расстояние от линзы до изображения
F – фокусное расстояние
Оптической силой линзы называют величину
В качестве предмета используется светящаяся рассеянным светом буква в колпачке осветителя. Действительное изображение этой буквы получают на экране.
Изображение действительное перевернутое увеличенное:
Изображение мнимое прямое увеличенное:
Примерный ход работы:
F = 8 см = 0,08 м
F = 7 см = 0,07 м
F = 9 см = 0,09 м
Лабораторная работа № 4
Лабораторная работа № 4
Измерение показателя преломления стекла
ученицы 11 класса «Б» Алексеевой Марии.
Цель работы: измерение показателя преломления стеклянной пластины, имеющей форму трапеции.
Теоретическая часть: показатель преломления стекла относительно воздуха определяется по формуле:
Таблица вычислений:
Вычисления:
n пр1=AE 1 / DC 1 =34мм/22мм=1,5
n пр2=AE 2 / DC 2 =22мм/14мм=1,55
Вывод: Определив показатель преломления стекла, можно доказать что это величина не зависит от угла падения.
Лабораторная работа по физике №3
Лабораторная работа по физике №3
ученицы 11 класса «Б»
Алексеевой Марии
Определение ускорения свободного падения при помощи маятника.
Оборудование:
Теоретическая часть:
Для измерения ускорения свободного падения применяются разнообразные гравиметры, в частности маятниковые приборы. С их помощью удается измерить ускорение свободного падения с абсолютной погрешностью порядка 10 -5 м/с 2 .
В работе используется простейший маятниковый прибор – шарик на нити. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях от положения равновесия период колебания равен
Для увеличения точности измерения периода нужно измерить время t остаточно большого числа N полных колебаний маятника. Тогда период
И ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле
Проведение эксперимента:
Установить на краю стола штатив.
У его верхнего конца укрепить с помощью муфты кольцо и повесить к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 1-2 см от пола.
Измерить лентой длину l маятника.
Возбудить колебания маятника, отклонив шарик в сторону на 5-8 см и отпустив его.
Измерить в нескольких экспериментах время t 50 колебаний маятника и вычислить t ср:
Вычислить среднюю абсолютную погрешность измерения времени и результаты занести в таблицу.
Вычислить ускорение свободного падения по формуле
Определить относительную погрешность измерения времени.
Определить относительную погрешность измерения длины маятника
Вычислить относительную погрешность измерения g по формуле
Вывод: Получается, что ускорение свободного падения, измеренное при помощи маятника, приблизительно равно табличному ускорению свободного падения (g=9,81 м/с 2) при длине нити 1 метр.
Алексеева Мария, ученица 11 “Б” класса гимназии № 201 , г. Москва
Учитель физики гимназии № 201 Львовский М.Б.
Лабораторная работа по физике №7
Ученицы 11 класса «Б» Садыковой Марии
Наблюдение сплошного и линейчатого спектров.
О
борудование:
проекционный аппарат, спектральные трубки с водородом, неоном или гелием, высоковольтный индуктор, источник питания, штатив, соединительные провода, стеклянная пластина со скошенными гранями.
Цель работы: с помощью необходимого оборудования наблюдать (экспериментально) сплошной спектр, неоновый, гелиевый или водородный.
Ход работы:
Располагаем пластину горизонтально перед глазом. Сквозь грани наблюдаем на экране изображение раздвижной щели проекционного аппарата. Мы видим основные цвета полученного сплошного спектра в следующем порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный.
Данный спектр непрерывен. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. Таким образом, мы выяснили, что сплошные спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы.
Мы видим множество цветных линий, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенной длины волны.
Водородный спектр: фиолетовый, голубой, зеленый, оранжевый.
Наиболее яркой является оранжевая линия спектра.
Спектр гелия: голубой, зеленый, желтый, красный.
Наиболее яркой является желтая линия.
Основываясь на нашем опыте, мы можем сделать вывод, что линейчатые спектры дают все вещества в газообразном состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Сибирский федеральный университет"
Институт градостроительства, управления и региональной экономики
Кафедра Физики
Отчет по лабораторной работе
Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки
Преподаватель
В.С Иванова
Студент ПЭ 07-04
К.Н. Дубинская
Красноярск 2009
Цель работы
Изучение дифракции света на одномерной решетке, измерение длины световой волны.
Краткое теоретическое введение
Одномерная дифракционная решетка представляет собой ряд прозрачных параллельных щелей одинаковой ширины а, разделенных равными непрозрачными промежутками b. Сумму размеров прозрачного и непрозрачного участков принято называть периодом, или постоянной решеткой d.
Период решетки связан с числом штрихов на одном миллиметре n соотношением
Общее число штрихов решетки N равно
где l – ширина решетки.
Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех N щелей, т.е. дифракционная решетка осуществляет многолучевую интерференцию когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.
Пусть на решетку падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны . За решеткой в результате дифракции лучи будут распространяться по разным направлениям. Так как щели находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, то разности хода ∆ вторичных лучей, образующихся согласно принципу Гюйгенса – Френеля и идущих от соседних щелей в одном направлении , будут одинаковы в пределах всей решетки и равны
Если эта разность хода кратна целому числу длин волн, т.е.
то при интерференции в фокальной плоскости линзы возникнут главные максимумы. Здесь m = 0,1,2, … - порядок главных максимумов.
Главные максимумы расположены симметрично относительно центрального, или нулевого, с m = 0, соответствующего лучам света, прошедшим через решетку без отклонений (недифрагированным, = 0). Равенство (2) называют условием главных максимумов на решетке. Каждая щель также образует свою дифракционную картину. В тех направлениях, в которых одна щель дает минимумы, будут наблюдаться минимумы и от других щелей. Эти минимумы определяются условием
Положение главных максимумов зависит от длины волны λ. Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального (т = 0), разложатся в спектр, фиолетовая часть которого будет обращена к центру дифракционной картины, а красная - наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света, т.е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор.
Обозначим расстояние между серединой нулевого максимума и максимумами 1,2, ... m- го порядков, соответственно, х 1 х 2 ... х т а расстояние между плоскостью дифракционной решетки и экраном -L. Тогда синус угла дифракции
Используя последнее соотношение, из условия главных максимумов можно определить λ любой линии спектра.
В экспериментальной установке имеются:
S- источник света, КЛ- коллиматорная линза, Щ- щель для ограничения размеров пучка света, ФЛ- фокусирующая линза, ДР- дифракционная решетка с периодом d = 0.01 мм, Э- экран для наблюдения дифракционной картины. Для работы в монохроматическом свете используются светофильтры.
Порядок выполнения работы
Расположим детали установки по 1 оси в указанном порядке, закрепляем на экране лист бумаги.
Включаем источник света S. Устанавливаем светофильтр белого цвета.
Измеряем прикрепленной к установке линейкой расстояние L от решетки до экрана.
L 1 = 13.5см=0.135м, L 2 =20.5см=0.205м.
Отмечаем на листе бумаги середины нулевого, первого и других максимумов вправо и влево от центра. С предельной точностью измерить расстояние х 1, х 2 .
Рассчитаем длины волн, пропускаемых светофильтром.
Найдем среднеарифметическое значение длины волны по формуле
Рассчитаем абсолютную погрешность измерений по формуле
где n – число изменений, ɑ - доверительная вероятность измерения, t ɑ (n) – соответствующий коэффициент Стьюдента.
Окончательный результат записываем в виде
Сравниваем полученную длину волны с теоретическим значением. Записываем вывод по работе.
Ход работы
|
Порядок максимума |
X m вправо от 0 |
X m влево от 0 |
||
|
Светофильтр - зеленый |
||||
|
5,3 * 10 -5 см |
||||
|
5,7 * 10 -5 см |
||||
|
6,9 * 10 -5 см |
||||
|
Статьи по теме Последние статьи
Выбор редакции
| ||||
«плюсы» и«минусы» демократии
Геодезист. Кто такой геодезист? Описание профессии. Профессия геодезист Геодезист обучение
Магеллановы облака: кто они?
Перечный соус для стейка Сливочный перечный соус
Как составить грамотное портфолио дизайнеру