Лабораторная работа № 5
_____________________________________________________________________________________________
Изучение дифракции света на одной щели
1. Цель работы.
Определение ширины щели по дифракционной картине.
2. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Д
ифракцией
называется огибание волнами препятствий,
встречающихся на их пути, или в более
широком смысле – любое отклонение
распространения волн вблизи препятствий
от законов геометрической оптики.
Явление дифракции объясняется с помощью
принципа Гюйгенса, согласно которому
каждая точка, до которой доходит волна,
служит центром вторичных волн, а огибающая
этих волн задает положение волнового
фронта в следующий момент времени.
Согласно принципу Гюйгенса-Френеля,
световая волна, возбуждаемая каким-либо
источником, может быть представлена
как результат суперпозиции когерентных
вторичных волн, «излучаемых» фиктивными
источниками. Таким образом, волны,
распространяющиеся от источника,
являются результатом интерференции
всех когерентных вторичных волн.
Поскольку дифракция свойственна всякому
волновому движению, то ее открытие в
XVII
веке итальянским физиком и астрономом
Ф. Гримальди и последующее объяснение
в начале XIX
века французским физиком О. Френелем
явились одним из основных доказательств
волновой природы света.
П
риближённая
теория дифракции света основана на
применении принципа Гюйгенса-Френеля.
Для качественного рассмотрения простейших
случаев дифракции может быть применено
построение зон Френеля. При прохождении
света от точечного источника через
небольшое круглое отверстие в непрозрачном
экране (рис. 5.1) или вокруг круглого
непрозрачного экрана (рис. 5.2) наблюдаются
дифракционные полосы в виде концентрических
окружностей. Если отверстие оставляет
открытым чётное число зон, то в центре
дифракционной картины получается тёмное
пятнышко, при нечётном числе зон —
светлое. В центре тени от круглого
экрана, закрывающего не слишком большое
число зон Френеля, получается светлое
пятнышко.
Различают два случая дифракции: дифракция сферической волны — при которой размер отверстия сравним с размером зоны Френеля (дифракция Френеля), и дифракция света в параллельных лучах — при которой отверстие много меньше одной зоны Френеля, (дифракция Фраунгофера). В последнем случае при падении параллельного пучка света на отверстие пучок становится расходящимся.
Большое практическое значение имеет случай дифракции света на щели.
3. Дифракции света на щели.
При освещении щели параллельным пучком монохроматического света на экране АВ получается ряд тёмных и светлых полос, быстро убывающих по интенсивности. Если свет падает перпендикулярно к плоскости щели, то полосы расположены симметрично относительно центральной полосы (рис. 5.3), а освещенность меняется вдоль экрана периодически с изменением угла падения φ, обращаясь в нуль при углах φ, для которых sin φ= mλ/b (m = 1, 2, 3....), λ – длина волны падающего света, b – ширина щели. При промежуточных значениях освещённость достигает максимальных значений. Главный максимум имеет место при m = 0, при этом sin φ = 0, т. е. φ = 0. С уменьшением ширины щели центральная светлая полоса расширяется, а при данной ширине щели положение минимумов и максимумов зависит от λ, т. е. расстояние между полосами тем больше, чем больше длина волны падающего света. Поэтому в случае белого света имеет место совокупность соответствующих картин для разных цветов. При этом главный максимум будет общим для всех длин волн и представится в виде белой полоски, переходящей в цветные полосы с чередованием цветов от фиолетового к красному.
