Лабораторная работа №1. 1. На биокинематической схеме статической позы спортсмена, которая была выполнена в предыдущих лабораторных работах
Лабораторная работа №1 Изучение дифракционной решетки и определение длины световой волны
Цель: Изучение явления дифракции и спектрального состава видимого света. Задача: Определение длины волны света по углу отклонения максимумов, определение постоянной неизвестной решетки. Принадлежности:Дифракционная решетка с известным периодом, дифракционная решетка с неизвестным периодом, гониометр, осветитель, набор Краткая теория: Принцип Гюйгенса: Любая точка в пространстве, до которой достигла волна, выступает как новый источник сферических (круговых в случае плоских колебаний) волн, а огибающая этих вторичных волн задает новый фронт волны в следующий момент времени. Дифракция - явление нарушения прямолинейности распространения света при прохождении вблизи препятствий.
имеются условия максимума: а sinφ=(k+1/2) λ, где k = + 1, + 2, + 3,.. и условия минимума: а sinφ=kλ, где k = + 1, + 2, + 3,..
На каждой щели происходит дифракция света, так что согласно сказанному выше по различным направлениям свет распространяется неравномерно. По направлениям, соответствующим а sinφ=kλ, где k = + 1, + 2, + 3,.. имеются так называемые главные минимумы, которые, повторимся, зависят от ширины а прозрачных щелей. Кроме того, интерференция лучей, идущих с различных щелей дают дополнительные минимумы и максимумы. Вторичные волны, идущие с соседних щелей имеют оптическую разность хода Δ х между собой (рис.2). При равенстве разности хода целому числу длин волн эти волны суммируются, а при равенстве разности хода целому+половина числу длин волн - взаимно вычитаются (гасят друг друга).
d sin φ = kλ; , где k- порядок дифракционных максимумов (k=0, Дополнительные минимумы будут по направлениям, удовлетворяющим условию: d sin φ = (k+1/2) λ;, где k = + 1, + 2, + 3,.. Таким образом, свет расходится по направлениям, удовлетворяющим условию максимумов: прямо по начальному направлению и симметрично в обе стороны по нескольким направлениям (рис.3). Угол поворота φ; лучей от их первоначального направления зависит от периода решетки d = a + b и длины световой волны λ;. При освещении белым светом дифракционная решетка дает ряд спектров (первого, второго и так далее порядков), симметрично расположенных относительно центральной световой полосы (спектра нулевого порядка). Из условия максимумов следует, что в этих спектрах наименьшее отклонение будет иметь цвет с меньшей длиной волны (фиолетовый), а наибольшее отклонение – красный цвет. Таким образом, дифракционная решетка позволяет разделить сложный свет по длинам волн, это используется в спектральных приборах. Способностью разложения света в спектр также обладают призмы, которые ранее превосходили решетки по дисперсии - ширине получаемых спектров. Современная технология позволяет с большой точностью изготовить дифракционные решетки с очень малыми значениями постоянной решетки d, то есть с большой дисперсией, причем с лучшей разрешающей способностью. Поэтому призмы в качестве диспергирующих элементов в спектрофотометрах нынче уже не используются. Для определения длины волны света λ; нужно измерить угол дифракции φ; данной длины волны монохроматического света. Для измерения углов служит специальный прибор – гониометр.
                    Гониометр (рис.4) состоит из коллиматора К, на конце которого имеется щель и зрительной трубы Т, которые могут перемещаться в горизонтальной плоскости по круговой шкале (лимбу). В центре столика С устанавливается дифракционная решетка Д, зрительная труба состоит из объектива Об и окуляра Ок.
В окуляре имеется указатель (нить) для наведения трубы на определенную линию спектра. Лимб гониометра разделен на 360 градусов, а каждый градус разделен на 30 делений. Шкала гониометра снабжена нониусом, цена деления которого равна 1' (о работе с нониусом см. приложение 2).
Указания к выполнению работы:
Упражнение 1. Определение длины волны света
Таблица 1. Запись результатов измерений.
1. При включенном осветителе совместить коллиматор и зрительную трубу так, чтобы нить окуляра совпала с изображением щели (нахождение нулевого положения – точки отсчета). 2. Поместить дифракционную решетку с известным периодом на столах гониометра так, чтобы ее плоскость совпадала с осью вращения трубы и была перпендикулярна падающим лучам. 3. Вращая зрительную трубу налево, а затем направо, от изображения щели, найти спектры (радужные) первого и второго порядков с левой и правой стороны (просто посмотреть). 4. Поставить светофильтр на осветитель. 5. Навести трубу (нить в окуляре) на полосу спектра (по свету светофильтра) первого порядка слева – затем по лимбу гониометра сделать отсчет угла φ относительно нулевого положения (точки отсчета найденного в п.1.). Измеренный угол записать в таблицу. 6. Повторить то же самое для полосы спектра (по свету светофильтра) второго порядка слева, первого порядка справа, затем второго порядка справа и каждый раз сделать отсчет относительно точки отсчета. Заполнить таблицу 1. 7. Подобные измерения провести для другого светофильтра. Указания к расчетам: 8. По формуле 9. Вычислить по калькулятору или найти в таблице Брадиса значение sin φ;. 10. Из формулы d sin φ = kλ выразить (найти) длину волны и вычислить ее численное значение.
Найти погрешность измерения по формулам
|
светофильтров.
Дифракция от щели: При прохождении светом узкого отверстия (щели) свет распространяется неравномерно в зависимости от длины волны λ;, ширины щели а и направления φ; (рис.1). Интерференция вторичных волн может быть описана методом зон Френеля (см. приложение), согласно которому
Дифракционная решетка (рис.2) представляет собой плоскую стеклянную пластинку, на которой нанесены через равные промежутки параллельные непрозрачные штрихи шириной b. Промежутки между штрихами свободно пропускают свет и называются щелями a. Сумма ширин штрихов и щелей d=a+b называется постоянной дифракционной решетки.
При нормальном падении лучей на решетку связь между углом дифракции φ;, длиной волны λ; и периодом решетки d выражается формулой
1, 
(мкм)
, 
.
