试验十八PASCO组合光学试验

1、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

2、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：d sinm(m1,2,3)(28-1)其中， d 是狭缝宽度，是条纹中心到第m 级极小值的张角，为光波波长， m 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，sintg，又有三角关系得，tgy / D ，其中， y 为条纹中心到第 m 级暗纹的距离，D 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：m D( m 1,2,3,)(28-2)dyDm=2m=1yd单

3、缝m= - 1m=- 2屏幕图 28-1单缝衍射-140-【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】1、 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。2、 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。3、 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。4、 打开激光器，调节激光器与单缝衍射屏的位置，使激光器通

4、过单缝得到清晰的衍射图样。5、 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。6、 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。 ）7、 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。8、

5、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。9、 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=

6、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。-141-【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

7、干涉条纹时，干涉条纹极大值对应的角度 有下列关系：d sinm(m 1,2,3 )（ 28-3）Dm=2m=1ydm=0双m= - 1缝图 28-2 双缝干涉光强分布m=- 2-142-其中， d 是双缝间距，是条纹中心极大到第 m 级极大值的张角，为光波波长， m 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sintan，又有三角关系得，tany / D ，其中， y 为零级明条纹中心到第 m 级明条纹中心的距离，D 是狭缝到屏的距离。由干涉方程可得到双缝间距：dm D( m 1,2,3 )(28-4)y尽管干涉条纹是由两个狭缝射出的光束相互作用产生的，但

8、也存在单缝衍射的影响（关于单缝衍射光强分布的分析见本实验第一部分），故产生如图28-3 所示的包络。m=2m=1m=0m=- 1m= - 2图 28-3单缝衍射包络在本实验中， 利用光传感器测量由单色激光通过电镀的双缝以后产生的干涉花样的光强极大值的强度。而由线性运动附件的转动传感器测量干涉花样光强极大值的相对位置。Science workshop 程序记录和显示光强极大值的强度和相对位置，并绘出其强度随位置变化的曲线。【实验仪器】Science WorkshopInterface 750 （传感器数据采集接口电路），二极管激光器、双缝圆盘，基座和支撑杆附件托架（用于放置衍射屏），衍射屏，光传

9、感器，转动传感器，线性运动附件（用于 RMS ），计算机。-143-【实验内容】1、 把激光器安装在光具座的一端，将单缝圆盘支架换成双缝圆盘，并置于激光器前3厘米处。2、 打开激光器，调节激光器与双缝干涉屏的位置，使激光通过双缝得到清晰的干涉图样。3、 调节光传感器与双缝干涉屏的高度，使它们等高，并在线性移动附件上运动保持水平。将采光圆盘转到合适的位置（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。4、 将光传感器和转动传感器接到科学工作站上（前者接入模拟通道，转动运动传感器接入数字通道） 。启动数据工作室，按所使用传感器设置科学工作站（光传感器采样频率改为 20

10、0 Hz）。5、 选择缝宽为0.04 毫米，缝间距为0.25 毫米的双缝（以能够观察到清晰的干涉图样为准），调整激光束的位置， 使激光刚好通过双缝的中心。 并按下数据工作室的 “开始”按钮，缓慢、平稳地移动线性移动附件，使干涉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。本实验数据的记录使用图表的形式。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及间距变化的规律。【数据与结果】（ 1）分别记录第一级极大和第二级极大到条纹中心的距离，数据填入表28-2。表 28-2 测量双缝宽度0.04mm、间距 0.25mm的数据及结果双缝到屏之间的距离D=_ ，激光波长为630nm测量第一级 ( m=1)第二级 ( m=2)极大值间距中心到极大的距离双缝间距