Готовая лабораторная работа измерение длины световой волны. Измерение длины световой волны
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
1. Расположим детали установки по 1 оси в указанном порядке, закрепляем на экране лист бумаги.
2. Включаем источник света S. Устанавливаем светофильтр белого цвета.
3. Измеряем прикрепленной к установке линейкой расстояние L от решетки до экрана.
L 1 = 13.5см=0.135м, L 2 =20.5см=0.205м.
4. Отмечаем на листе бумаги середины нулевого, первого и других максимумов вправо и влево от центра. С предельной точностью измерить расстояние х 1, х 2 .
5. Рассчитаем длины волн, пропускаемых светофильтром.
6. Найдем среднеарифметическое значение длины волны по формуле
7. Рассчитаем абсолютную погрешность измерений по формуле
где n – число изменений, ɑ - доверительная вероятность измерения, t ɑ (n) – соответствующий коэффициент Стьюдента.
8. Окончательный результат записываем в виде
9. Сравниваем полученную длину волны с теоретическим значением. Записываем вывод по работе.
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 равныЕсли 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 условиемПоложение 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
1. Расположим детали установки по 1 оси в указанном порядке, закрепляем на экране лист бумаги.
2. Включаем источник света S. Устанавливаем светофильтр белого цвета.
3. Измеряем прикрепленной к установке линейкой расстояние L от решетки до экрана.
L 1 = 13.5см=0.135м, L 2 =20.5см=0.205м.
4. Отмечаем на листе бумаги середины нулевого, первого и других максимумов вправо и влево от центра. С предельной точностью измерить расстояние х 1, х 2 .
5. Рассчитаем длины волн, пропускаемых светофильтром.
6. Найдем среднеарифметическое значение длины волны по формуле
7. Рассчитаем абсолютную погрешность измерений по формуле
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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Тема: « Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки». Цели урока: экспериментально получить дифракционный спектр и определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки; воспитывать внимательность, доброжилательность, толерантность в процессе работи в малых группах; развивать интерес к изучению физики. Тип урока: урок формирования умений и навыков. Оборудование: длины световой волны, инструкция по ОТ, инструкции по выполнению лабораторной работы, компьютеры. Методы проведения: лабораторная работа, работа в группах. Межпредметные связи: математика, информатика ИКТ. Все познание реального мира исходит из опыта и завершается им А. Эйнштейн. Ход урока І. Организационный момент. Сообщение темы и цели урока. ІІ. 1. Актуализация опорных знаний. Опрос обучающихся (Дополнение 1). Выполнение лабораторной работы. Обучающимся предлагается измерять длину световой волны с помощью дифракционной решетки. Обучающиеся объединяются в малые группы (по 4-5 человек) и вместе выполняют лабораторную работу согласно инструкции. С помощью компьютерной программы Excel делают вычисления и результаты работы заносят в таблицу (в программе Word). Критерии оценивания: Команда, выполнившая задание первой, получает – оценку 5; второй – оценку 4; третьей – оценку 3 Правила безопасности жизнедеятельности во время выполнения работы. Работа в группах под руководством преподавателя. Обобщение и систематизация обучающимися результатов работы. Результат работы заносится в таблицу на компьютере (Дополнение 2) . ІІІ. Подведение итогов. Сравнить полученные результаты с табличными данными. Сделать выводы. Рефлексия. Всё ли получилось так, как я задумывал? Что было сделано хорошо? Что было сделано плохо? Что было выполнить легко, а что оказалось неожиданно трудно? Работа в малой группе мне помогла или создала дополнительные трудности? VI. Домашнее задание. Оформить работу. Повторить теоретический материал по теме «Интерференция и дифракция света» . Составить кроссворд по теме «Свойства электромагнитных волн». Дополнение 1 1. Что такое свет? 2. Из чего состоит белый свет? 3. Почему свет называется видимым излучением? 4. Как разложить белый свет в цветной спектр? 5. Что такое дифракционная решетка? 6. Что можно измерить с помощью дифракционной решетки? 7. Могут ли две разноцветные световые волны, например красного и зеленого излучений, иметь одинаковые длины волн? 8. А в одной среде? Дополнение 2 Красный10 -7 м Оранжевый 10 -7 м Желтый 10 -7 м Зеленый 10 -7 м Голубой 10 -7 м Синий 10 -7 м Фиолетовый 10 -7 м Лабораторная работа Тема: Измерение длины световой волны. Цель работы: измерить длину волны красного и фиолетового цветов, сравнить полученные значения с табличными. Оборудование: электрическая лампочка с прямой нитью накаливания, прибор для определения длины световой волны. В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6. Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков. Рис. 1 Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k , где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета. Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a . Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.
Рис. 2 Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета. Работу можно выполнять используя инструкции №2 или №2 Инструкция №1 Ход работы 1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений. 2. Соберите измерительную установку, установите экран на расстоянии 50 см от решетки. 3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана. 4. Вычислите длину волны красного цвета в спектре 1-го порядка справа и слева от щели в экране, определите среднее значение результатов измерения. 5. Проделайте то же для других цвет ов . 6. Сравните полученные результаты с табличными длинами волн. Инструкция № 2 Ход работы Измерьте расстояние b до соответствующего цвета в спектре первого по строке влево и вправо от центрального максимума. Измерьте от-стань а от дифракционной решетки до экрана (см.рисунок 2). Определите или рассчитайте период решетки d. Вычислите длину света для каждого из семи цветов спектра. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу: b ,слева,м b ,справа,м b ,среднее,м а ,м Порядок спектра k Период решетки d ,м Измеренное λ , нм Фи олетовый Син ий Голубой Зелен ый Жёлтый Оранжев ый Красный 4. Вычислите относительную погрешность эксперимента для каждого цвета по формуле Урок- исследование
Таблица самоконтроля
Тестирование Урок- исследование по теме «Определение длины световой волны» Таблица самоконтроляФ. И. уч – ся ___________________________
Тестирование
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
