Описание экспериментальной установки

И метода измерений

 

Измерительная установка смонтирована на двух гониометрах – приборах для измерения углов. В первом гониометре установлена амплитудная дифракционная решетка, во втором – фазовая решетка на основе ультразвуковой ячейки. Оптические схемы обеих частей установки идентичны.

Схема с ультразвуковой ячейкой показана на рис. 7.

 

Рис. 7

 

Чтобы получить параллельные пучки света, необходимые для наблюдения дифракции Фраунгофера, источник света следует поместить в передней фокальной плоскости объектива  Роль такого вторичного источника выполняет щель Щ, которая освещается излучением ртутной лампы, фокусируемым на щель с помощью конденсора К.
С точки зрения геометрической оптики пучок лучей, расходящийся из каждой точки щели, преобразуется объективом  в пучок параллельных лучей. На рис. 7 показан пучок из осевой точки щели, преломляющийся объективом в пучок, параллельный оси. На пу­ти семейства параллельных пучков лучей за объективом  расположены диспергирующий элемент, дифракционная решетка. Для лучей решетка эквивалентна плоскопараллельной пластинке, т.е. каждый пучок за решеткой остается параллельным с тем же направлением распространения. Однако для каждого пучка за решеткой возникает набор дополнительных параллельных пучков высших дифракционных порядков, распространяющихся под углами  к исходному пучку.

Фазовая решетка – это прозрачная кювета Q с жидкостью, в которой возбуждается ультразвуковая волна с помощью пре­образовате-
ля П, пьезоэлектрической пластинки, приклеенной к одной из стенок кюветы. Большие поверхности этой пластинки металлизированы, и к ним подводится перемен­ная разность потенциалов частоты  от генератора электриче­ских колебаний Г. Под действием приложенной разности потен­циалов материал пластины – пьезоэлектрик деформируется. Толщина пластины увеличивается или уменьшается в зависимо­сти от знака приложенной разности потенциалов. Под действием переменной разности потенциалов пластинка совершает колеба­ния, возбуждающие ультразвуковую волну.

Дифрак­ционная картина, соответствующая дифракции Фраунгофера, формируется в задней фокальной плоско­сти собирающей линзы, объектива  зрительной трубы. Эта картина с увеличением наблюдается глазом через окуляр  зрительной тру­бы.

При отсутствии дифракционной решетки или при неработаю­щем преобразователе П в поле зрения трубы видно белое изобра­жение щели Щ. При наличии дифракционной решетки или ульт­развуковой волны в кювете, кроме этого, основного изображения щели (нулевого порядка дифракции), появляется система допол­нительных изображений, обусловленных дифракцией – главных максимумов дифракции. Дополнительные изображения цветные, так как угол дифракции зависит от длины волны. Подробнее геометрическая оптика спектральных приборов рассмотрена в [3].

 

Наблюдая дифракцию света ртутной лампы на амплитудной дифракционной решетке с известным периодом , можно найти длины волн света , соответствующие некоторым спектральным линиям паров ртути. Для этого надо экспериментально опреде­лить углы дифракции  и по формуле (5) вычислить .

Наблюдая дифракцию света от той же лампы на ультразвуке, можно определить длину звуковой волны . Для этого надо экс­периментально определить углы дифракции  и по формуле (10) вычислить . При этом следует воспользоваться найденными ранее значениями длин волн света .

Частота колебаний ультразвука равна час­тоте электрических колебаний на выходе генератора. Если плавно менять частоту генератора, то можно определить скорость распространения звука в данной жидкости по формуле

 .                                        (12)

 

 

Задания

 

1. Получить формулы для расчета погрешностей измерения длин волн света и ультразвука, а также погрешности измерения скорости ультразвука.

2. Изучить инструкцию по работе на гониометре.

3. Получить дифракцию света на амплитудной дифракционной решетке с известным периодом . Измерить углы дифракции  для фиолетовой, зеленой и оранжевой линий спектра излучения паров ртути.

4. Определить длины волн для этих линий.

5. Получить дифракцию света на фазовой дифракционной ре­шетке, образованной ультразвуком, для чего, плавно меняя час­тоту генератора, добиться наиболее яркой дифракционной карти­ны. Затем, не изменяя частоты генератора, измерить углы дифракции  для фиолетовой, зеленой и оранжевой линий спектра.

6. Определить три раза длину волны ультразвука по ре­зультатам измерения углов дифракции для трех различных длин волн света. Учитывая, что длина волны ультразвука не зависит от длины волны света, окончательное значение  получить усред­нением трех предварительно найденных значений.

7. Определить скорость ультразвука в исследуемой жидкости.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какова цель работы?

2. Что такое интерференция? Что такое дифракция? Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.

3. На какие этапы можно разбить процесс формирования дифракционной картины за дифракционной решеткой?

4. Нарисуйте схему наблюдения дифракции Фраунгофера. Как связаны картины дифракции на одинаковых параллельных щелях? Почему?

5. Как объяснить условие главных максимумов для амплитуд­ной и фазовой решеток?

6. Какое расположение должны иметь штрихи дифракционной решетки по отношению к щели?

7. Опишите последовательность расположения спектральных линий в поле зрения.

8. Как зависит вид спектра от периода решетки (длины ультра­звуковой волны)?

9. Почему центральный главный максимум выглядит белым, а остальные – цветными?

 10. Как выглядела бы дифракционная картина, если бы источ­ником света служила лампа накаливания?

 11. Как измерить угол дифракции?

 

Литература

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 4: Волны. Оптика. – М.: Астрель, 2001 (§ 1.1, 5.6).

2. Трофимова Т.И. Курс физики. 4-е изд. – М.: Высш. шк., 1997
(§ 180).

3. Суханов И.И. Геометрическая и дифракционная теория оптичес-кого изображения: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 92 с.