PASG。物理组合实验系列 衍射光学组合实验 傅冠久编译 上海交通大学物理实验中心
PASCO 物理组合实验系列 衍射光学组合实验 傅冠久 编译 上海交通大学物理实验中心
目录 实验1单缝衍射… 实验2双缝干涉实验 .6 实验3衍射及干涉图形的比较
目 录 实验 1 单缝衍射··············································································································· 1 实验 2 双缝干涉实验······································································································· 6 实验 3 衍射及干涉图形的比较······················································································· 9
实验1单缝衍射 引言 光子是一种基本粒子，在传播过程中具有波粒二相性，满足测不准光子，当通过狭小的 单缝时，表现出清晰的衍射现象，即光强在空间的重新分布。 实验仪器 光具座（导轨），光屏及白纸，激光（二极管式），单缝板，用于固定安装在线转换仪上 单缝板的夹座。光孔盘，可调节感光器接入光线量的大小。转动传感器用来测定位置，光感 应传感器测量光强，两者均需与计算机连续，500接收器及电脑。 实验目的 学习并掌握单缝的衍射规律，并由此证明极小值的位置与理论预测的一致。 -D 实验原理 如图1.1所示，第m级极小值（即暗纹） 对应的位置0满足如下关系： aSin0=m入 (m=1,2,3,…） 又因为0较小，故有0≈g0= D 故有a=mAD (m=1,2,3,…） 图1.1 实验内容 1.手工测量 (1)如图1.2所示，安装好仪器，将单缝置于激光之前3cm处。 lase screen 图1.2 (2)用自纸（或坐标纸）贴在光屏上，并放在光具座的另一端用螺丝灯固定。 (3)选择单缝为0.04cm的狭缝，调节激光的位置，使之正好射在单缝的中央，这样光屏 上能看到清晰的衍射图。 (4)测出单缝与光屏之间的距离D,并标出衍射光斑的暗条纹的位置，据此测出第1级， 第2级对应的Y1、Y2的值
1 实验 1 单缝衍射 引言 光子是一种基本粒子，在传播过程中具有波粒二相性，满足测不准光子，当通过狭小的 单缝时，表现出清晰的衍射现象，即光强在空间的重新分布。 实验仪器 光具座（导轨），光屏及白纸，激光（二极管式），单缝板，用于固定安装在线转换仪上 单缝板的夹座。光孔盘，可调节感光器接入光线量的大小。转动传感器用来测定位置，光感 应传感器测量光强，两者均需与计算机连续，500 接收器及电脑。 实验目的 学习并掌握单缝的衍射规律，并由此证明极小值的位置与理论预测的一致。 实验原理 如图 1.1 所示，第 m 级极小值（即暗纹） 对应的位置θ满足如下关系： aSinθ = mλ (m=1,2,3,……) 又因为θ较小，故有 D y θ ≈ tgθ = 故有 y m D a λ = (m=1,2,3,……) 实验内容 1.手工测量 （1） 如图 1.2 所示，安装好仪器，将单缝置于激光之前 3cm 处。 （2） 用自纸（或坐标纸）贴在光屏上，并放在光具座的另一端用螺丝灯固定。 （3） 选择单缝为 0.04cm 的狭缝，调节激光的位置，使之正好射在单缝的中央，这样光屏 上能看到清晰的衍射图。 （4） 测出单缝与光屏之间的距离 D，并标出衍射光斑的暗条纹的位置，据此测出第 1 级， 第 2 级对应的 Y1、Y2 的值。 图 1.1 图 1.2
(5)数据记录表格如下： D= 第一级(m=1) 第二级(m=2) 两边对应级的距离 单边暗纹到中心的距离 元=6700A 算出单缝宽度a 误差E (6)将单缝换成0.02mm及0.08mm再重复上述内容。 2.计算机自动处理。 (1)如图13所示，将光屏拆下，用光感应器记录光强。 Light Sensor on Aperture Bracket Slit Accessory Optics Bench Diode Laser Linear Translator Rotary Motion Sensor 图1.3 (2)打开电脑启动光谱测量程序（连击两下科学工作室图标），看到如图1.4的图案。 爹科学工作室 档来实位星米说明 无标题.Ss国 ex 岛园 500m起ce 一ANALOG CH4 WNELS 数 102 的的部 DIGITAL CHANNELS- 按下共把这个粒码式精送移到 按下并拒这个模拉式新头裕到 深过上用作移动、的射 一条通减上作压，热、 链转孵· 23口圈圆園2月 数位仪表示波器「「T表格图表 拉下并把个2示图宁移到通 道或感应器上以显示数据， 图1.4 的 选择感应器。 N 电压传感器 电源放大器 官力传感器 店加速率传感器 鲁光传感器 图1.5 取消 确定
2 （5） 数据记录表格如下： D= 第一级(m=1) 第二级(m=2) 两边对应级的距离 单边暗纹到中心的距离 算出单缝宽度 a 误差 E （6） 将单缝换成 0.02mm 及 0.08mm 再重复上述内容。 2．计算机自动处理。 （1） 如图 1.3 所示，将光屏拆下，用光感应器记录光强。 （2） 打开电脑启动光谱测量程序（连击两下科学工作室图标），看到如图 1.4 的图案。 6700A o λ = 图 1.3 图 1.4 图 1.5
(3)在图1.4的界面中，按下模拟插头并移到通道A、B或C中任一个（如A)并点击A 选择感应器为光传感器如图1.5， 此时选择的就是测量光强的接收 洗择感应器 系统，同样按下数码式插头并移到 臂产碰撞(2光门) 通道1、2上，并点击1或2选择 米旋转移动传感器 感应器为旋转移动传感器。如图 智能滑艳（旅转） 1.6所示，此时选择的就是测量角 益旋转动力学装置 盖香制： 度的接收系数，但通过线性转换器 变成位移。 秋泊 确定 (4)在图1.4中的界面上找到图表处并 图1.6 移到光感应传感器上，得到如图 17的坐标显示，点击横轴钟面上，并选择数码式输入1，跳出小界面，然后选择位 置，如图1.8，纵轴上点击一下，选择模拟式输入A,选中强度，如图1.9，完成后 变成图1.10。 篱学工空 鸭区 档美特不裤2苏过明 (5)点击记录图标REC,此时 计算机准备数据采样，缓缓 aa画 120 转动旋转移动传感器上的 滑轮，此时光感应传感应随 着旋转移动传感器一起移 动，从而记录到衍射光斑的 光强，从一边转到另一边， (即过0位置，记录好两边 器网 的衍射花样)点一下Stop 压 0 针简#】 图标，此时此记录到图1.11 的衍射图。 图1.7 %科学工什室 (6)科学工作室提供了处理 游 数据的一些方法，如界面 图因圆 的左下角有一组图标，如 阅的 图1.12其中(a)有统计 题图示 功能，(b)可以求到指定 图转动次热.counts,coun啦次数对 点的坐标。(c)还原等。 为g双0Fom于1g 角速球和，限形 南正区字，、，度结2 (7)将狭缝的大小调换，再重 拉就14林厘米) E堂1iv1i4重米秒y 档623064约 复上述内容。 数式我人 (8)数据处理表格自拟。 2事数鸦式第入2 第模拉式输入A 一O时可旅入 图1.8 3
3 （3） 在图 1.4 的界面中，按下模拟插头并移到通道 A、B 或 C 中任一个（如 A）并点击 A 选择感应器为光传感器如图 1.5， 此时选择的就是测量光强的接收 系统，同样按下数码式插头并移到 通道 1、2 上，并点击 1 或 2 选择 感应器为旋转移动传感器。如图 1.6 所示，此时选择的就是测量角 度的接收系数，但通过线性转换器 变成位移。 （4） 在图 1.4 中的界面上找到图表处并 移到光感应传感器上，得到如图 1.7 的坐标显示，点击横轴钟面上，并选择数码式输入 1，跳出小界面，然后选择位 置，如图 1.8，纵轴上点击一下，选择模拟式输入 A，选中强度，如图 1.9，完成后 变成图 1.10。 （5） 点击记录图标 REC，此时 计算机准备数据采样，缓缓 转动旋转移动传感器上的 滑轮，此时光感应传感应随 着旋转移动传感器一起移 动，从而记录到衍射光斑的 光强，从一边转到另一边， （即过 0 位置，记录好两边 的衍射花样）点一下 Stop 图标，此时此记录到图 1.11 的衍射图。 （6） 科学工作室提供了处理 数据的一些方法，如界面 的左下角有一组图标，如 图 1.12 其中（a）有统计 功能，（b）可以求到指定 点的坐标。（c）还原等。 （7） 将狭缝的大小调换，再重 复上述内容。 （8） 数据处理表格自拟。 图 1.6 图 1.7 图 1.8
餐科学工作 离间☒ AE ■口厨前萄 鱼10 电教 画 题示 数码》2 萄快凉德入·门沿庆像大州 ⑦蛛输入 运密司*®a" 国 图1.9 餐科学工作区 ☒ 恩圈 "8行202岁004600 达可 丹粒登，4ngP球（花南 图1.10 ∑@ 20 3.0 40 救挖#1明 粒置n户o5厘米 图1.11
4 图 1.9 图 1.10 图 1.11
(a) (b) (c) (d) 图1.12 注意事项 在光具座导轨上放置仪器时应轻放，不可用力过猛，以免损坏仪器，特别是狭缝板和光 孔板应绕轴心转动，切不可用力撬。 思考题 当光通过的单缝增大时，两边暗纹的距离是增大还是减小的？
5 注意事项 在光具座导轨上放置仪器时应轻放，不可用力过猛，以免损坏仪器，特别是狭缝板和光 孔板应绕轴心转动，切不可用力撬。 思考题 当光通过的单缝增大时，两边暗纹的距离是增大还是减小的？ (a) (b) (c) (d) 图 1.12
实验2双缝干涉实验 引言 波的干涉现象是一种常见的现象，当两列叠加的波具有相同的频率，且有固定的相位差 时，就会产生稳定的干涉现象。 实验仪器 除将单狭缝板换成双狭缝板外，其余均与实验一相同。 实验目的 本实验是为了验证激光通过双缝所产生的衍射及干涉图像，并证明干涉中的最大值的位 置与理论预测的一致。 实验原理 如图21，当激光通过双缝时，从两个狭缝产生的两束光相叠加而产生干涉图形。 -D- diffraction minimum m=4 central envelope m=3 m=2 m=1 m=0 screen dotted line is diffraction envelope 图2.1 图2.2 干涉极大值（明纹）对应的位置0满足： dSin0=m入 (m=0,1,2,3…） 其中d称为缝宽，又因为0较小，因而有： sin0≈tg0=y/D 故 d=miD (m=0,1,2,3…) y 注意到：双缝除干涉外，每一单缝又产生衍射，如图22所示，当满足一定的条件时， 会看到干涉的包络图形中产生衍射条纹。 实验内容 scree 1.手动测量 (1)如图2.3安装好仪 器，将双缝板置于激 光前3cm处。 (2)将自纸（或坐标纸） 图2.3 6
6 实验 2 双缝干涉实验 引言 波的干涉现象是一种常见的现象，当两列叠加的波具有相同的频率，且有固定的相位差 时，就会产生稳定的干涉现象。 实验仪器 除将单狭缝板换成双狭缝板外，其余均与实验一相同。 实验目的 本实验是为了验证激光通过双缝所产生的衍射及干涉图像，并证明干涉中的最大值的位 置与理论预测的一致。 实验原理 如图 2.1，当激光通过双缝时，从两个狭缝产生的两束光相叠加而产生干涉图形。 干涉极大值（明纹）对应的位置θ满足： dSinθ = mλ (m=0,1,2,3……) 其中 d 称为缝宽，又因为θ较小，因而有： sinθ ≈ tgθ = y / D 故 Y m D d λ = （m=0，1，2，3…） 注意到：双缝除干涉外，每一单缝又产生衍射，如图 2.2 所示，当满足一定的条件时， 会看到干涉的包络图形中产生衍射条纹。 实验内容 1．手动测量 （1） 如图 2.3 安装好仪 器，将双缝板置于激 光前 3cm 处。 （2） 将自纸（或坐标纸） 图 2.1 图 2.2 图 2.3
贴在光屏上，并放在光具座导轨的另一端。 (3)选择狭缝宽为0.04mm的双缝，且狭缝的中心相距d为0.25mm,并调整到狭缝固定 架的中央，调节激光的位置，使光束正射到双狭缝的中央之上。 (4)测出双缝到光屏之间的距离（双缝板位置实际是编离双缝架固定架的中心位置）在 自纸上标出光的干涉条纹的极大值所处的位置，据此测出第1级，第2级对应的位 置。 (5)数据记录表格如下： D= 第一级(m=1) 第二级(m=2) 两边对应级的距离 单边暗纹到中心的距离 1=6700A 算出单缝宽度a 误差E (6)描出干涉图形。 (7)将狭缝调到宽为0.04mm而缝距为0.5mm的双缝，再做上述实验。 (8)再将狭缝调到宽为0.08mm,而缝距为0.25mm的双缝，再做上述实验。 2.电脑自动测量： 所有操作与实验1相同，得如图2.4和图2.5的记录 A ② 次煎855 的A 区@ 3025 820 知挖#1： 网性 图2.4双缝干涉图样 注意事项 因多缝板上有多组双狭缝，在选择时，应尽量只让光束照亮一组狭缝，不然将直接影响 实验的精确测量。其它与实验1相同。 问题 1.当双缝距离d增加时，极大值之间的距离是变大，变小还是不变？ 2.狭缝的宽度增大时，极大值之间的距离是变大，变小还是不变？ 3.当d变大时，在包络中的衍射暗纹的距离是变大，变小还是不变？ >
7 贴在光屏上，并放在光具座导轨的另一端。 （3） 选择狭缝宽为 0.04mm 的双缝，且狭缝的中心相距 d 为 0.25mm，并调整到狭缝固定 架的中央，调节激光的位置，使光束正射到双狭缝的中央之上。 （4） 测出双缝到光屏之间的距离（双缝板位置实际是编离双缝架固定架的中心位置）在 自纸上标出光的干涉条纹的极大值所处的位置，据此测出第 1 级，第 2 级对应的位 置。 （5） 数据记录表格如下： D= 第一级(m=1) 第二级(m=2) 两边对应级的距离 单边暗纹到中心的距离 算出单缝宽度 a 误差 E （6） 描出干涉图形。 （7） 将狭缝调到宽为 0.04mm 而缝距为 0.5mm 的双缝，再做上述实验。 （8） 再将狭缝调到宽为 0.08mm，而缝距为 0.25mm 的双缝，再做上述实验。 2．电脑自动测量： 所有操作与实验 1 相同，得如图 2.4 和图 2.5 的记录 注意事项 因多缝板上有多组双狭缝，在选择时，应尽量只让光束照亮一组狭缝，不然将直接影响 实验的精确测量。其它与实验 1 相同。 问题 1． 当双缝距离 d 增加时，极大值之间的距离是变大，变小还是不变？ 2． 狭缝的宽度增大时，极大值之间的距离是变大，变小还是不变？ 3． 当 d 变大时，在包络中的衍射暗纹的距离是变大，变小还是不变？ 6700A o λ = 图 2.4 双缝干涉图样
4.当狭缝的宽度增大时，在包络中的衍射暗纹之间的距离是变大，变小还是不变？ =47858y=3.7111 国标准小趣 图2.5单缝衍射的包络图受到双缝干涉图的调制 8
8 4． 当狭缝的宽度增大时，在包络中的衍射暗纹之间的距离是变大，变小还是不变？ 图 2.5 单缝衍射的包络图受到双缝干涉图的调制