Порядок выполнения работы

1. Тщательно ознакомиться с экспериментальной установкой, продумать методику измерения и заготовить формы таблиц для записи наблюдений и результатов измерений.

2. Поставить все выключатели и тумблеры в положение «выключено» и показания счетчика на нуль.

3. Проверить подключение заземления на задней панели установки.

4. Вставить газовый счетчик в соответствующие гнезда.

5. Включить шнур питания в розетку сети и тумблер. После этого должна загореться сигнальная лампочка. Прибор необходимо прогреть.

6. Установить регулятор напряжения на минимальное значение, близкое к U=0,5 кВ.

7. Если газовый счетчик начал работать, то нужно нажать кнопку сброса и установить ручкой нужный коэффициент пересчета.

8. Включить тумблер пуска и одновременно с ним секундомер и подсчитать число импульсов в течении 5 мин. Выключить тумблер и подсчитать общее число импульсов.

9. Построить графическую зависимость числа импульсов N от напряжения U в минуту.

10. Определить на полученном графике рабочий участок характеристики (плато).

11. Прикрыть газовый счетчик прилагаемыми металлическими экранами, снять показание счетчика, сравнить с полученными показаниями без экранов и определить степень поглощения космических частиц экраном.

12. Проанализировать полученные результаты и сделать соответствующие выводы.

Контрольные вопросы

1. Какова природа космического излучения?

2. Из каких частиц состоят жесткая и мягкая компоненты лучей?

3. Как можно определить поглощение космических частиц экраном?

Работа № 3.15 изучение явления дифракции света от щели и нити.

Цель работы: изучить явление дифракции света от узкой прямоугольной щели и тонкой нити в параллельных лучах.

Приборы и принадлежности: оправа с щелью, оправа с нитью, лазер, микрометр, экран с миллиметровой бумагой.

Введение.

Явление огибания светом преград и его проникновение в область геометрической тени называют дифракцией света. Рассмотрим дифракцию света от узкой прямоугольной щели (рис.15.1). Пусть на щель шириной b падает плоская волна (параллельный пучок лучей). По принципу Гюйгенса каждая точка щели, до которой дошла волна, является источником вторичных сферических волн. Поэтому из каждой точки щели по всем направлениям будут распространяться волны. Рассмотрим волны, падающие от всех точек щели в точку D экрана. Если расстояние от щели до экрана L значительно больше ширины щели, то можно считать, что все они дифрагируют под одним и тем же углом φ (рис.15.1). В точке D накладывающиеся волны интерферируют.

Результат интерференции зависит от разности хода волн Δ=AC, попадающих в точку D от краев щели. Для нахождения разности хода волн из точки В опустим перпендикуляр ВС на прямую А, проходящую через точку А₀. Из треугольника АВС (рис.15.1а) следует:

Δ = b sinφ, (15.1)

где b - ширина щели,

φ – угол дифракции.

Рис.15.1

1. Пусть угол дифракции φ=0, тогда все волны приходят в точку О экрана без разности хода (в одной фазе). Они усиливают друг друга, образуя нулевой максимум.

2. С увеличением угла φ растет разность хода волн, распространяющихся от краев щели. Пусть угол φ такой, что разность хода волн от краев щели Δ = b sinφ = 2λ/2. Мысленно разобьем щель на две одинаковые зоны АЕ и ЕВ (рис.15.2). Волны от соответствующих точек соседних зон в этом случае идут с разностью хода λ/2 (рис.15.2). Такие волны накладываются в противоположных фазах и гасят друг друга – получается первый минимум.

3. Пусть угол φ таков, что Δ = 3λ/2. Разобьем щель на три зоны. Волны от двух соседних зон погасят друг друга, а волны от третьей зоны образуют первый максимум.

Продолжая аналогичные рассуждения, получаем условие максимумов освещенности в виде:

b sinφ = 0, 3λ/2, 5λ/2, 7λ/2, … (15.2)

Условие образования минимумов получаем в виде:

b sinφ = λ, 2λ, 3λ, …

Или в общем виде:

b sinφ = кλ (15.3)

где к = 1,2,3…

Таким образом, дифракционная картина при освещении щели параллельным пучком лучей монохраматического света будет иметь вид чередующихся светлых и темных полос с широкой светлой полосой в центре.

Рис. 15.2

Теперь рассмотрим дифракцию от нити (проволоки). Воспользуемся для этой цели так называемой теоремой Бабинэ. Согласно этой теореме дифракционная картина от преграды и от равного ей отверстия (дополнительного экрана) должны быть совершенно одинаковы вне области свободного (прямого) пучка. Убедимся, что это действительно так. Рассмотрим некоторую точку экрана. Пусть в этой точке амплитуда волны, дифрагирующей от преграды в данном направлении, равна Ā, а для соответствующего дополнительного экрана в том же направлении амплитуда дифрагированной волны равна . В отсутствии обоих экранов (щели, преграды) амплитуды волн для всех направлений, кроме направления первоначального пучка, равны 0. Следовательно, Ā+ =0. Отсюда |Ā|=| |, а значит равны интенсивности света. Таким образом, дифракционная картина от нити (вне области прямого пучка) будет такой же, как и от щели, ширина которой равна толщине (проволоки) нити. Раз так, то для расчета дифракции от нити можно воспользоваться теми же формулами (15.2) и (15.3), что и для щели.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Источником света в данной работе является лазер. Он дает узкий пучок монохроматического света, прямое попадание которого в глаз опасно для зрения.

Порядок выполнения.

1. На столе располагают приборы по схеме, изображенной на рисунке 15.3, где 1-лазерная указка (лазер), 2- оправа с нитью или щелью, 3-экран, с укрепленной на нем миллиметровой бумагой. Лазер-указку располагают на расстоянии 0,5-2 метра от экрана.

2. Перпендикулярно лучу на расстоянии 1-0,5м от экрана устанавливают нить с известной толщиной d (толщину нити измеряют с помощью микроскопа или микрометра). На экране добиваются четкой дифракционной картины в виде светлых и темных пятен (максимумов и минимумов) располагающихся на экране по горизонтальной линии.

3. Линейкой измеряют расстояние L между экраном и нитью.

Рис. 15.3

4. На миллиметровой бумаге укрепленной на экране острием карандаша отмечаю середины хорошо заметных минимумов одного и того же порядка слева и справа от середины дифракционной картины. Порядок (номер) минимума отсчитывается от центрального максимума.

5. Измеряют расстояние l_к между минимумами к-го порядка.

Рассчитывают значения sin φ_к и значение λ. Заполняют таблицу 15.1(используя формулы 15.4 и 15.5).

Таблица 15. 1

k	d,м	L, м	lк ,м	sin φк	λ, м	λcр ,м

k- порядковой номер дифракционного минимума,

d- толщина нити,

L-расстояние между экраном и нитью,

l_к- расстояние между минимумами к-го порядка,

λ-длина световой волны.

(15.4)

(15.5)

6. Замените в опыте оправу с нитью на оправу с щелью. Добейтесь на экране четкой дифракционной картины. Измерьте значения L, l_k .

Заполните таблицу 15.2.

Таблица 15. 2

к	L,м	lк ,м	λcр ,м	sin φк	b,м	bср,м

k- порядковой номер дифракционного минимума,

d- толщина нити,

L-расстояние между экраном и нитью,

l_к- расстояние между минимумами к-го порядка,

λ-длина световой волны,

b-ширина щели.

По известной длине световой волны (вычисленной в п.5) определите ширину щели по формуле (15.6).

(15.6)

Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

2. Объясните явление дифракции света.

3. В чем заключается метод зон Френеля.

4. Какова предельная ширина щели, при которой еще будут наблюдаться минимумы интенсивности?

5. Отличается ли дифракция на щели при освещении ее монохроматическим светом и белым светом?

6. Условия получения максимума и минимума дифракции от щели.