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 单 缝 衍1 射 实 验 2 双 缝 涉 实6 实 验 衍 多 及干涉图形 的比9 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。 实验原理 如图11所示，第m级极小值（即暗纹） 12 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=上 D 故有a=mAD (m=1,2,3,…） y 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： aSin = m (m=1,2,3,……) 又因为θ较小，故有 D y tg = 故有 y m D a = (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 1=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1.3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。 爹科学工作室想 档军实钻受养花朗 无标题SS霜 ▣x 岛 60me右ee】 一ANALOG CHANELS- 102 前的的 DIGITAL CHANNELS- 按下并把这个爱码式头存到 按下并把这个模弦式插移到 一深通过上用作格动、的对 一条通滋上作为龙压，热、 自细 2:@题圆園2 粒位仪表示波器「F表格图表 按下并把一个莹示的学移到素通 道或应器上以显示数据， 图1.4 的 选择感应器。 电压传感器 电源放大器 包力传感器 心店加速率传感器 ?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。 6700 A o = 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 选择感应器 系统，同样按下数码式插头并移到 产碰撞(2光门) 通道1、2上，并点击1或2选择 #症转移动传感器 感应器为旋转移动传感器。如图 智能滑轮（症转） 1.6所示，此时选择的就是测量角 急旋转动力学装置 盖霞剖： 度的接收系数，但通过线性转换器 变成位移。 取消 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 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。 学工室 醉☒ 超案酸星示谢 (5)点击记录图标REC,此时 10.. 计算机准备数据采样，缓缓 E图 翻时 转动旋转移动传感器上的 滑轮，此时光感应传感应随 ®3节 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 国区 的衍射花样)点一下Stop 时的谷) 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 数据的一些方法，如界面 aa画 的左下角有一组图标，如 圆萄留 图1.12其中(a)有统计 功能，(b)可以求到指定 迷转动次数，counts,counte然数 点的坐标。(c)还原等。 为g所no:试实 角证第，和6，G度利 南面加透军气，维度秒 (7)将狭缝的大小调换，再重 立或11ga理米) E率1inv.1n球黄米/秒 复上述内容。 ◆改的城输入了 国 (8)数据处理表格自拟。 :重数码式输入2 篇模拟式输入A， 。①时河输入 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
商间☒ 3 中顺圈前 鱼5 花用 画 题示 鲁数码式袖入 :事数码式输入？ 的换武箱·门维庆燥大州 ☑殊始入 图1.9 金科学工作室 ☒ 060然0站008 件校置.0Pos团度 图1.10 ✉DnB 公@区 2.0 30 t. 救据*1 区a 位置：nPo(便米) 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。 -D- diffraction minimum m=4 central envelope m=3 m=2 m=1 m=0 creen 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元 (m=0,1,23…） 其中d称为缝宽，又因为0较小，因而有： snB≈g0=y/D 故 d=mAD (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 screer 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： dSin = m (m=0,1,2,3……) 其中 d 称为缝宽，又因为θ较小，因而有： sin tg = y / D 故 Y m D d = （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 元=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 庆煎655 深的 区@ 30265 820 知挖#1： 齿司 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？ 个
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？ 6700 A o = 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？ =4.7050￥37111 国标准小感 厦为 图2.5单缝衍射的包络图受到双缝干涉图的调制
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