Лабораторнаробота
ДОСЛІДЖЕННЯЯвище дифракції
СВІТЛА НАКОМПАКТ-ДИСКУ
Метароботи: Поглибити уявлення про явище дифракції хвиль (обгрунтування,види прояви, умови спостереження, моделі та основи теоретичних розрахунків).Провести експериментальні спостереження і вимірювання на прикладі дифракціїсвітлових хвиль.
Обладнання .Транспортир, лазер-брелок, освітлювач з лампою розжарювання, фрагменткомпакт-диска, екран (аркуш із білого картону).
1. Компакт диск - дифракційні грати
1.1. Теоретична частина.
Дзеркальна поверхня компакт-диска являє собоюспіральну доріжку, крок якої порівняємо з довжиною хвилі видимого світла. Натакий впорядкованої і дрібноструктурні поверхні у відбитому світлі помітнопроявляються дифракційні і інтерференційні явища, що і є причиноюрайдужної забарвлення створюваних ним відблисків.
Промінь лазера займає накомпакт-диску настільки малу площу, що ця ділянка можна вважати одномірноїдифракційними гратами (рис.1). Вона характеризується постійним кроком d , і умова максимумів у відбитому на ній світлівизначається за відомою формулою d sinП† k = kl, де k -номер (порядок) максимуму, lдовжина хвилі падаючого світла. Формула справедлива при нормальному падінні променяна диск. У даному випадку спостерігаються по два дифракційних максимуму з кожноїсторони від падаючого променя.
Малюнок 1.
1.2. Експериментальна частина
1.2.1.Експериментальна установка.
Стенд для проведення експериментальних спостережень (малюнок 3) складається зтранспортира 1, на якому жорстко закріплені лазер-брелок 2 і фрагменткомпакт диска 3. Дзеркальні доріжки компакт-диска, що мають форму дуг, настенді орієнтовані близько до вертикального напрямку. Фрагмент закріплений унульової точки транспортира. Брелок орієнтований так, що лазерний промінь падаєперпендикулярно площині фрагмента.
Дифраговані промені потрапляють на бічні сторони транспортира, їх кути відхиленнявизначаються за показаннями транспортира. Підготовкаприладу включає перевірку юстировки лазера. Вона вважається нормальною, якщовідбитий промінь повертається в його вихідне вікно. Перевірити це можна поположенню плями на смужці білого паперу, розміщеної поблизу віконця.
Малюнок 3.
Оскількидзеркальні доріжки мають дугоподібну форму, то дифраговані промені не лежатьстрого в площині транспортира і тому для їх спостереження також слідкористуватися білим екраном, поміщаючи його поблизу шкали і орієнтуючиперпендикулярно площині транспортира. Натиснувши на кнопку вмикача лазераперевірте точність установки його корпусу і поспостерігайте інтерференційні максимумиліворуч і праворуч від осі приладу.
1.2.2.Методика і результати вимірювань.
Включивши лазер, виміряйте кути дифракції для максимумів першого і другогопорядку. Виконайте це спочатку по лівій (О± 1 і О± 2 ),а потім - по правій (О± 3 і О± 4 ) частинам шкалитранспортира. Результати занесіть у таблицю. Обчисліть середні значення кутівП† 1 = (О± 1 + О± 3 )/2 і П† 2 = (О± 4 + О± 2 )/2.
Довжина хвилі світла, випромінюваного лазером (наведена на його корпусі), займаєдіапазон 620-680 нм. Для розрахунків можна скористатися середнім значеннямдовжини хвилі О» = 650 нм = 0.65 мкм.
Завдання 1 . За отриманими значеннями кутів дифракції визначте період d дифракційної структуридзеркальній поверхні компакт-диска.
Оцініть похибку методу та запишіть отриманий результат із зазначеннямінтервалу.
Таблиця 1. Результати спостережень дифракції світла накомпакт-диску .............
Кут
відхилення
О±, град
Середнє значення
П†, град
Період дифракційної структури, d , мкм
Середнє значення
періоду
мкм
Відносна похибка вимірювання
%
Абсолютна похибка вимірювання
мкм
1
О± 1
2
О± 3
3
О± 2
4
О± 4
Результати вимірювань:
1. Період дифракційної структури компакт-диска d = ......... В± ........;
2. Уздовж радіуса диска на кожному міліметрі розміщується n = ......... В± ...... дзеркальних доріжок.
Завдання2 (рівень УІРС). Поспостерігайте, як змінюються поперечні розміридифракційних максимумів нульового, першого і другого порядків. Пояснітьпричини помічених змін. Які геометричні параметри дзеркальних доріжокможна визначити з цих спостережень.
2. Компакт-диск -зонна пластинка.
2.1. Теоретична частина.
2.1.1.Зонна пластинка. Зонна пластинка являє собою сукупність концентричнихпрозорих і непрозорих або дзеркальних і недзеркальних кілець (зон), радіусияких особливим чином впорядковані [1].Зонна пластинка поєднує в собі одночасно властивості збирає ірассеивающей лінз і має кілька фокусів, володіє великими значеннямихроматичної аберації. Фокусні відстані зонної пластинки розраховуються заформулою f k = R k 2 / kО». Оскільки крок спіральної доріжки компакт-дискапостійний, то геометрична структура його дзеркальній поверхні, суворокажучи, не відповідає параметрам зонної пластинки, тим не менш, компактдиск можна представити як безперервну послідовність зонних пластинок змонотонно змінними параметрами. Але якщо на поверхні компакт-диска здопомогою спеціальної маски залишити відкритим кільцевої ділянку дуже малої ширини,то ця відкрита частина цілком задовільно демонструє властивості зонноїпластинки.
2.1.2.Фокусує дію компакт-диска.
Стосовно до компакт-диска теорія дозволяє ототожнити йогоз одночасно з увігнутим і опуклим дзеркалами, кожне з яких також маєкілька фокусів. На малюнку 4 показано, як перетвориться паралельний пучоксвітла, нормально падає на диск. Відбиті промені утворюють з віссю диску двадійсних фокуса, які можна спостерігати на малому екрані діаметромблизько 3см.
Малюнок 4.
При переміщенні екрану вздовж оптичної осі установки, фокуси легковиявляються, як місця з максимальною концентрацією світла. Найбільш яскравимє найдальший з них (перший фокус). Якщо на диск падає біле світло,то легко спостерігається хроматична аберація - залежність фокусної відстанівід довжини хвилі. У даному випадку для червоного кольору фокуси розташовуються ближче додиску, ніж для синьо...
