实验十八PASCO组合光学实验（二）.DOC

实验二十八 Pasco基础光学实验 这个实验我们所要研究的是光的干涉和衍射现象。自从科学家杨、菲涅尔等在实验中观察到光的衍射和干涉现象，而衍射和干涉是波动所特有的现象。自此，人们开始相信光是一种波动。麦克斯韦方程出现以后，人们不但相信光是一种波动，而且坚信光的本质是电磁波。我们这个实验可以很好的展现光的波动性。这个系列实验同学们同样可以根据自己的兴趣组合出多种干涉和衍射实验结构，我们以单缝衍射和双缝干涉实验作为例子向大家介绍本系列实验的操作。 第一部分 光的单缝衍射 【实验目的】 （1）对激光经过单缝形成的衍射图案的研究，了解光的波动性。 （2）检测激光通过单缝形成的衍射图案，表征衍射条纹的极小位置与理论预见的一致。 （3）对在物理量的测量中如何使用计算机控制实时测量系统有初步的掌握。 【实验原理】 当光线通过一狭缝出现衍射条纹时，衍射条纹极小值对应的角度有下列关系： (28-1) 其中，是狭缝宽度，是条纹中心到第级极小值的张角，为光波波长，为条纹级次（1为从中心数出来的第一极小，2为第二极小，……）。 由于张角通常很小，，又有三角关系得，，其中，y为条纹中心到第级暗纹的距离，是狭缝到屏的距离，如图16-5所示。由衍射方程可得到狭缝的宽度： (28-2) 图28-1 单缝衍射 【实验仪器】 Science Workshop—Interface 750（传感器数据采集接口电路），二极管激光器，单缝圆盘，基座和支撑杆附件托架（用于放置衍射屏），衍射屏，光传感器，转动传感器，线性运动附件（用于RMS），计算机。 【实验内容】 把激光器安装在光具座的右端，并将有单缝圆盘的支架置于激光器前3厘米处。 将光传感器置于线性移动附件末端的夹子上，并使光传感器和该附件相互垂直。 把线性移动附件插入转动运动传感器的插槽内，并将他们置于光具座另一端的支架上。 打开激光器，调节激光器与单缝衍射屏的位置，使激光器通过单缝得到清晰的衍射图样。 调节光传感器与衍射图样的高度，使它们等高，并在线性移动附件上运动时保持水平。将采光圆盘转到合适的位置（以“2”为宜，本实验应该使细缝对着光传感器的接受口），使光传感器能够敏感的响应光强的变化。 将光传感器和转动运动传感器接到科学工作站上（前者接入模拟通道，转动传感器接入数字通道。） 启动数据工作室，按所使用的传感器设置科学工作站。（注意：光传感器的采样频率设置为50赫兹，测量项目只需选择光强，转动运动传感器测量方式选择“位置”。）以图表的形式输出数据，并将图表的纵坐标设置为“光强”，横坐标设置为“位置”，也就是转动运动传感器所采集的数据。 选择0.16毫米左右宽（以可以观察到清晰的衍射图样为准）的单缝为我们的实验对象，并调整激光束的位置，使激光刚好通过单缝的中心。按下数据工作室的“开始”按钮，缓慢、平稳地移动线性附件，使衍射图样的明条纹依次通过光传感器的采光口。测量完成后，按下“结束”按钮。将所得的数据从显示窗口导出图片到桌面,分析各级明条纹宽度变化的规律。 用导轨上的米尺测量单缝到采光盘的距离D。 【数据与结果】 （1）分别测量第一级极小和第二级极小到条纹中心的距离（表28-1）。 表28-1 测量狭缝宽度0.16mm的数据及结果 狭缝到屏之间的距离D=_________， 激光波长为630nm 测 量 第一级(m=1) 第二级(m=2) 极小值间距 中心到极小的距离 狭缝宽度 偏差(%) （2）改变狭缝宽度从0.02mm到0.08mm，并列表记录数据。 【思考题】 当狭缝宽度增大时，两极小值之间的距离将增大还是减小？ 第二部分 光的双缝干涉 【实验目的】 （1）对激光通过双缝形成的干涉图案的研究，了解光的波动性。 （2）测量双缝形成的干涉光强分布，说明干涉条纹的极大值位置与理论预见的一致性。 （3）对在物理量的测量中如何使用计算机控制实时测量系统有初步的掌握。 【实验原理】 通常，当如图28-2所示的双缝间距远小于双缝到用于观察干涉分布的接收屏的距离时，从缝的边缘发出的光线基本平行。这时候，当光线通过一双缝相互作用产生干涉条纹时，干涉条纹极大值对应的角度θ有下列关系： （28-3）  其中，是双缝间距，是条纹中心极大到第级极大值的张角，为光波波长，为条纹级次（1为第一极大，2为第二极大，……）。 由于张角通常很小，假定，又有三角关系得，，其中，y为零级明条纹中心到第级明条纹中心的距离，是狭缝到屏的距离。由干涉方程可得到双缝间距：