单缝衍射的光强分布(完整版+空白打印版+真实实验数据)

1深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验（一）实验名称：单缝衍射的光强分布学院：专业：班级：组号：指导教师：报告人：学号：实验时间：年月日星期实验地点科技楼90实验报告提交时间：得分教师签名批改日期2一、实验目的１．观察单缝衍射现象及其特点；２．测量单缝衍射的光强分布；３．用单缝衍射的规律计算单缝缝宽；二、实验原理：光在传播过程中遇到障碍物时将绕过障碍物，改变光的直线传播，称为光的衍射。当障碍物的大小与光的波长大得不多时，如狭缝、小孔、小圆屏、毛发、细针、金属丝等，就能观察到明显的光的衍射现象，亦即光线偏离直线路程的现象。光的衍射分为夫琅和费衍射与费涅耳衍射，亦称为远场衍射与近场衍射。本实验只研究夫琅和费衍射。理想的夫琅和费衍射，其入射光束和衍射光束均是平行光。单缝的夫琅和费衍射光路图如下图所示。a.理论上可以证明只要满足以下条件，单缝衍射就处于夫琅和费衍射区域：La82或82aL式中：a为狭缝宽度；L为狭缝与屏之间的距离；为入射光的波长。可以对L的取值范围进行估算：实验时，若取ma4101，入射光是NeHe激光，其波长为632.80nm，cmcma26.12，所以只要取cmL20，就可满足夫琅和费衍射的远场条件。但实验证明，取cmL50，结果较为理想。b.根据惠更斯－费涅耳原理，可导出单缝衍射的相对光强分布规律：20)/(sinuuII式中：/)sin(au暗纹条件：由上式知，暗条纹即0I出现在/)sin(au，2，…即暗纹条件为3kasin，1k，2k，…明纹条件：求I为极值的各处，即可得出明纹条件。令0)/(sin22uudud推得uutan此为超越函数，同图解法求得：0u，43.1，46.2，47.3，…即0sina，43.1，46.2，47.3，…可见，用菲涅耳波带法求出的明纹条件2/)12(sinka，1k，2，3，…只是近似准确的。单缝衍射的相对光强分布曲线如下图所示，图中各级极大的位置和相应的光强如下：sin0a/43.1a/46.2a/47.3I0I0047.0I0017.0I0018.0.Ic.应用单缝衍射的公式计算单缝缝宽由暗纹条件：kasin并由图有：kkLXtan由于很小，所以akLLXkk/4令aLXXbkk/1（b为两相邻暗纹间距），则bLa/（或1/XLa，1X为中央明纹半宽度）由此可见，条纹间距b正比于L和，反比于缝宽a。由实验曲线测出b（取平均值），即可算出缝宽a。d.实验证明，若将单缝衍射的光路图中的单缝换成金属细丝，屏上夫琅和费花样和同样宽度的单缝衍射花样是一样的，故只需将单缝宽度a用金属细丝直径d代替，就可完全应用以上的理论和公式。三、实验仪器：导轨、激光电源、激光器、单缝二维调节架、小孔屏、一维光强测量装置、WJH型数字式检流计。5四、实验内容和步骤：1.实验主要内容是观察单缝衍射现象，测量单缝衍射的光强分布，并计算出缝宽a。实验中用硅光电池作光强I的测量器件。硅光电池能直接变为电能，在一定的光照范围内，光电池的光电流i与光照强度I成正比。本实验用的是WJH型数字式检流计，以数字显示来检测光电流。它是采用低漂移运算放大器、模/数转换器和发光数码管将光电流a进行处理，从而将光强I以数字显示出来。a．按下图接好实验仪器，先目测粗调，使各光学元件同轴等高，要注意将激光器调平；b．激光器与单缝之间的距离以及单缝与一维光强测量装置之间的距离均置为50cm左右，加上本实验采用的是方向性很好，发散角rad53101~101的NeHe激光作为光源，这样可满足夫琅和费衍射的远场条件，从而可省去单缝前后的透镜1L和2L。；c．点亮NeHe激光器，使激光垂直照射于单缝的刀口上，利用小孔屏调好光路，须特别注意的是：观察时不要正对电源，以免灼伤眼睛。d．将WJH接上电源开机预热15min，将量程选择开关置I档，衰减旋钮置校准为止（顺时针旋到底，即灵敏度最高）。调节调零旋钮，使数据显示器显示“-000”（负号闪烁）。以后在测量过程中如果数码管显示“999”，此为超量程知识，可将量程调高一档。如果数字显示小于190，且小数点不在第一位时，可将量程减少一档，以充分利用仪器分辨率。e.将小孔屏置于光强测量装置之前，调二维调节架，选择所需的单缝缝宽a，观察小孔屏上的衍射花纹，使它由宽变窄及由窄变宽重复几次，一方面观察在调节过程中小孔屏上的各种现象和变化规律，另一方面调节各元件，使小孔屏上的衍射图像清晰、对称、条纹间距适当，以便测量。这一步是测量效果是否理想的关键。f.移去小孔屏，调整一维光强测量装置，使光电探头中心与激光束高度一致，移动方向与激光束垂直，起始位置适当。g.关掉激光电源，记下本底读数（即初读数）再打开激光电源，开始测量。为消除空程，减小误差，应转动手轮使光电探头单方向移动，即沿衍射图像的展开方向（X轴方向），从左向右或从右向左，每次移动0.200mm，单向、逐点记下衍射图像的位置坐标X和相应的光强。h.在坐标格子上以横轴为距离，纵轴为光强，将记录下来的数值（减去初读数）描绘出来。就得单缝衍射的光强分布图。若以光强最大值0I除各数值，也可得出单缝衍射的相对光强分布图。i.测出狭缝到硅光电池的距离L，并从光强分布图上测出b（多测几个，取平均值）或1X，算出狭缝缝宽a。6j.用读数显微镜直接测出缝宽，测5次，取平均值，与衍射测量结果比较，求相对误差。7五、数据记录：组号：；姓名λ=________坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I89六、数据处理：mcmcmL5.005.050mnm71050.6650中央明纹半宽度为：mmmmmmmX31107.1700.12800.12200.16则：mmmmXLa43711091.1107.11050.65.0/10七、实验结果与讨论：八：问答题1当缝宽增加一倍时，衍射花样的光强和条纹宽度将会怎样改变？如果缝宽减半，又怎样改变？答：由bLa/可知，当a增加一倍时，L、保持不变，b变为原来的1/2，光强增加，条纹变细。当a减半时，b变为原来的两倍，光强减弱，条纹变宽。2激光输出光强如有变动，对单缝衍射图像和光强分布曲线有无影响？有何影响？答：激光输出的光强增大时，衍射图像明纹变亮，光强分布曲线变陡，当输出光强减弱时，衍射图像明纹变暗，光强分布曲线变平缓。3用实验中的方法是否可测量细丝直径？其原理和方法如何？证：光程差，即LaL222得LLaL242222由于2极小，故舍去，得La242即18/2La4本试验中，λ=632.80mm，缝宽约为0.005cm,屏距L约为50cm试验证是否满足夫琅和衍射条件：答：可以，把单缝换成要测量的金属丝，屏上夫琅和费衍射花样和同样宽度的单缝衍射花样的一样，故只需将单缝宽度a换成细丝直径d，则可计算出d。11指导教师批阅意见：成绩评定：预习（20分）操作及记录（40分）数据处理及思考题（40分）报告整体印象总分数据处理25分结果与讨论5分思考题10分注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充；2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后10日内；3、教师可根据实验报告整体情况酌情扣分（10分）。12深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验（一）实验名称：单缝衍射的光强分布学院：专业：班级：组号：B7指导教师：报告人：学号：实验时间：201年月日星期实验地点科技楼90实验报告提交时间：得分教师签名批改日期13一、实验目的二、实验原理：1415三、实验仪器：16四、实验内容和步骤：17五、数据记录：组号：B7；姓名λ=________坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I1819六、数据处理：七、实验结果与讨论：20八：问答题1当缝宽增加一倍时，衍射花样的光强和条纹宽度将会怎样改变？如果缝宽减半，又怎样改变？2激光输出光强如有变动，对单缝衍射图像和光强分布曲线有无影响？有何影响？3用实验中的方法是否可测量细丝直径？其原理和方法如何？4本试验中，λ=632.80mm，缝宽约为0.005cm,屏距L约为50cm试验证是否满足夫琅和衍射条件：21指导教师批阅意见：成绩评定：预习（20分）操作及记录（40分）数据处理及思考题（40分）报告整体印象总分数据处理25分结果与讨论5分思考题10分注：1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充；2、教师批改学生实验报告时间应在学生提交实验报告时间后10日内；3、教师可根据实验报告整体情况酌情扣分（10分）。22五、数据记录：组号：B7；姓名λ=6.5x10-7mm本底=0.05L=516.0-35.0=481.0mm单缝衍射的光强分布实验数据表坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I坐标X(mm)相对强度I991.331.83989.531.13987.730.16985.930.20991.131.88989.330.96987.530.14985.730.20990.931.92989.130.86987.330.13985.530.20990.731.83988.930.72987.130.12985.330.20990.531.74988.730.58986.930.14985.130.19990.331.67988.530.46986.730.15984.930.18990.131.53988.330.35986.530.16984.730.17989.931.43988.130.27986.330.17984.530.16989.731.27987.930.20986.130.19984.330.1523单缝衍射相对光强度曲线图