Зультат взаимной интерференции вторичных волн, идущих от этих ко­герентных источников, и определяет интенсивность результирующий вол­ны при дифракции света.

Физика

Оптика

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН ЛИНИЙ СПЕКТРА РТУТИ»

Методические указания к лабораторной работе №6 для направления подготовки

Губкин, 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

УТВЕРЖДЕНО

Директором Губкинского

института (филиала) МГОУ

Физика

Оптика

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН ЛИНИЙ СПЕКТРА РТУТИ»

Методические указания к лабораторной работе №6 для направления подготовки

Губкин, 2011

УДК 53

Ф 50

Физика. Часть III.Определение длин волн линий спектра ртути: Методические указания к лабораторной работе№6/ Сост. К.С. Погорельский; Рец. к.ф.-м.н., доцент кафедры физики Ст.Оскольского технологического института А.А. Босенко, к.ф.м.н., доцент кафедры информационных технологий ГИ (филиала) МГОУ А.А. Давыдов. - Губкин.: ГИ МГОУ, 2011.- 10с.

Методические указания содержат краткую теорию определения длин волн линий спектра ртути, рекомендации и указания по выполнению лабораторной работы, дается описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы.

Предназначены для студентов технических специальностей вузов.

© Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого университета, 2011.

© К.С. Погорельский, 2011.

Лабораторная работа №6

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН ЛИНИЙ СПЕКТРА РТУТИ»

Цель работы: Основной целью работы является изучение явления дифракции и оп­ределение длин волн линий спектра ртути при помощи дифракционной решет­ки.

Приборы и принадлежности: гониометр, фонарь ртутный "фотон", дифрак­ционная решетка 300 штрихов в/мм прозрачная ("50 А").

Теоретическое введение

Явление дифракции света заключается в отклонении световых волн от пря­молинейного распространения в случае прохождения света через малые отвер­стия или вблизи непрозрачных препятствий.

Практически дифракция световых волн наблюдается, если размеры отверстий или препятствий одного порядка с длиной световых волн или если место на­блюдения дифракции находится на большом расстоянии от отверстия или препятствия.

Различают дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифрак­цию плоских волн (дифракция Фраунгофера).

При расчетах дифракционных явлений пользуются принципом Гюйгенса-Френеля, представляющим собой развитие принципа Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса формулируется следующим образом: каждая точка волновой поверхности является источником вторичных элементарных волн. Огибающая этих элементарных вторичных волн является новым положением волновой поверхности распространяющейся световой волны.

Волновой поверхностью называется геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.

Фронт волны представляет собой поверхность, отделяющую часть про­странства, вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли.

В изотропной среде волновая поверхность совпадает с фронтом волны.

На рис. 1 показано образование сферической (рис. 1а) и плоской (рис.1б) волны: S₁ и S₂ точечные источники света (источник S₂ помещен в фокусе лин­зы L); А - вторичные элементарные световые волны с центрами в точках в₁, в₂, ...; 1- положение фронта волны в момент времени t, II - положение фронта вол­ны в последующий момент времени t+Δt; l - световые лучи - направления рас­пространения волн (прямые, перпендикулярные к фронту волны).

Рис. 1а. Рис. 1б.

Так как все точки фронта волны колеблются с одинаковой частотой и в оди­наковой фазе, то они представляют собой совокупность когерентных источни­ков. Поэтому вторичные волны, исходящие из них, могут интерферировать ме­жду собой. Их совокупное действие в каждой точке пространства может быть определено как интерференционный эффект.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля при решении задач о дифракции света действие источника света заменяется действием когерентных вто­ричных источников, расположенных на поверхности фронта волны. Ре-

зультат взаимной интерференции вторичных волн, идущих от этих ко­герентных источников, и определяет интенсивность результирующий вол­ны при дифракции света.

Рис. 2

Простейшая дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа щелей шириной а, разделенных непрозрачными промежутками шириной в.

Величина (а + в) = d называется периодом (или постоянной дифракционной решетки).

Условие, при котором наблюдается максимум при дифракции, определяется формулой дифракционной решетки.

Формула дифракционной решетки записывается так:

(1)

где κ - порядок спектра;

λ - длина волны, падающего спектра;

φ- угол отклонения луча.

Если на дифракционную решетку (рис.2) направить немонохроматический свет, то для каждой длины волны условия максимумов и минимумов будут вы­полняться под разными углами. Получится дифракционный спектр.

Максимум одного порядка (одно и то же κ) для различных длин волн распо­лагается под разными углами φ, причем, согласно формуле (1), под меньшим углом находится максимум меньших волн (в отличие от дисперсионного спек­тра).

Благодаря четкости дифракционного спектра, можно использовать решетку для определения длины волны известному периоду решетки d.

Описание установки и теория метода выполнения лабораторное работы

Базой для проведения экспериментов является гониометр (рис.3), на котором монтируются изучаемые объекты и некоторые ис­точники излучения.

Рис.3 Гониометр

1 - станина

2 - зрительная труба

3 - окуляр зрительной трубы

4 - объектив зрительной трубы с винтовой подвижкой

5 - коллиматор

6 - объектив коллиматора с винтовой подвижкой

7 - винт регулировки ширины щели

8 - держатель ртутного фонаря и конденсора

9 - держатель ртутного фонаря с. кассетой на кронштейне

10 - стопорный винт кронштейна зрительной трубы

11 - отсчетный барабан плавного поворота зрительной трубы

12 - основная шкала гониометра

13 - нониус гониометра

14 - стопорный винт основной шкалы (не виден)

15 - поворотный столик с винтами регулировки наклона.

Схема опыта с прозрачной решеткой приведена на рис. 4. Излучение ртут­ного фонаря 1 проходит через коллиматор 2, затем через дифракционную ре­шетку 3. С помощью зрительной трубы, настроенной на резкое изображение щели коллиматора, фиксируются угловые координаты пучков излучения: φ_о - "прямое" изображение щели (белый свет):

φ₂ - направление на спектральный максимум -го порядка

Направление на максимум κ -го порядка для длины волны λопределяется условием

где d - период решетки.

Для измерения длин волн спектральных линий важно точно знать оба угла i₁ и i₂, отсчитываемые от положения нормали φ_n Определение положения норма­ли к прозрачной решетке в нашей установке не предусмотрено. Для измерений используем специальное положение нормали, соответствующее "углу наи­меньшего отклонения". Поворачивая столик 4 с решеткой, наблюдаем через зрительную трубу за смещением выбранной спектральной линии и подбираем положение нормали (значение φ_n), при котором изображение выбранной спек­тральной линии расположено как можно ближе к направлению исходного пучка излучения.

который имеет место при i₁= i₂ (проверьте!). Условие дифракционного макси­мума примет вид

.

Рис. 4.

Схема измерения параметров прозрачной дифракционной решетки.

На станине 1 гониометра установлена неподвижная труба-коллиматор 5 (обозначения по рис.3) и многофункциональная вертикальная ось. На оси смон­тированы поворотные устройства: основная шкала 12, зрительная труба 2 с окуляром 3, соединенная с нониусом 13, столик 15. На кронштейне зрительной трубы смонтирован узел плавного поворота трубы. Он содержит винт плавного поворота трубы с отсчетным барабаном 11 и стопорный винт 10. Цена деления барабана - 1 угловая минута. Зрительные трубы имеют объективы 4 и 6 с вин­товыми подвижками. В поле зрения окуляра расположен визирный крест.

Шкалы гониометра позволяют отсчитывать угловую координату зрительной грубы с разрешением в 1 градус по основной шкале, 0,1 градуса по нониусу и 1 угловую минуту по барабану плавного поворота трубы.

12
• 3
• 4
• Далее ⇒