upd
This commit is contained in:
16
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/assets/1.svg
Normal file
16
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/assets/1.svg
Normal file
@@ -0,0 +1,16 @@
|
||||
<svg width="236" height="64" viewBox="0 0 236 64" fill="none" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
||||
<g clip-path="url(#clip0_145_1646)">
|
||||
<path d="M61.8346 28.1432H79.1647V63.5715H91.8565V28.1432H109.512V16.809H61.8346V28.1432Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M57.7332 16.7128H44.927V63.5715H57.7332V16.7128Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M0.338501 16.7128V63.5715H13.1447V16.7128H0.338501Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M32.455 16.7128L13.1445 63.5715H26.3468L44.9179 16.7128H39.8219H32.455Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M169.979 16.7128H168.28H160.904L148.195 47.5584L135.486 16.7128H128.119H123.023H113.605V63.5715H126.411V25.2659L141.594 63.5715H154.796L169.979 25.2659V63.5715H182.785V16.7128H173.367H169.979Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M51.3257 -3.83679e-06C50.088 0.024117 48.885 0.410962 47.8677 1.11198C46.8504 1.813 46.0642 2.79696 45.6076 3.94038C45.1511 5.0838 45.0446 6.33573 45.3015 7.53906C45.5584 8.7424 46.1673 9.84353 47.0518 10.7043C47.9363 11.565 49.0569 12.147 50.273 12.3771C51.4891 12.6073 52.7465 12.4755 53.8875 11.9982C55.0285 11.5208 56.0022 10.7192 56.6864 9.69404C57.3705 8.66884 57.7347 7.4657 57.7332 6.23558C57.7147 4.56475 57.0294 2.96955 55.828 1.80038C54.6266 0.631208 53.0073 -0.0163285 51.3257 -3.83679e-06Z" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
<path d="M222.919 40.7991C222.752 48.0054 217.894 52.8417 210.844 52.8417H210.58C206.786 52.7717 203.662 51.5561 201.541 49.3435C199.419 47.1309 198.328 43.86 198.398 39.977C198.316 38.3586 198.58 36.7412 199.173 35.2317C199.767 33.7223 200.676 32.3553 201.841 31.221C203.006 30.0868 204.399 29.2112 205.93 28.6521C207.461 28.0931 209.094 27.8633 210.721 27.9781C212.342 27.9213 213.959 28.1928 215.472 28.7761C216.985 29.3594 218.363 30.2424 219.522 31.3714C220.695 32.6415 221.6 34.1327 222.182 35.7567C222.764 37.3807 223.012 39.1043 222.911 40.8253L222.919 40.7991ZM223.914 19.9934C219.994 17.7426 215.538 16.5769 211.011 16.6176C209.835 16.6204 208.659 16.6876 207.49 16.8187C200.616 17.5709 195.089 20.4219 191.058 25.2932C187.273 29.8671 185.636 35.4468 186.059 42.3295C186.217 47.0961 187.932 51.6821 190.944 55.3954C195.784 61.2724 202.386 64.0797 211.812 64.2284H211.918H212.023L213.247 64.071C214.89 63.8888 216.519 63.5966 218.123 63.1964C222.931 62.0028 227.227 59.3047 230.374 55.5004C233.437 51.6638 235.166 46.9446 235.303 42.0497C235.717 32.0185 231.888 24.5586 223.923 19.9934" fill="#1D1D1B"/>
|
||||
</g>
|
||||
<defs>
|
||||
<clipPath id="clip0_145_1646">
|
||||
<rect width="235" height="64" fill="white" transform="translate(0.338501)"/>
|
||||
</clipPath>
|
||||
</defs>
|
||||
</svg>
|
||||
|
After Width: | Height: | Size: 2.4 KiB |
4057
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/report.pdf
Normal file
4057
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/report.pdf
Normal file
File diff suppressed because it is too large
Load Diff
484
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/report.typ
Normal file
484
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/report.typ
Normal file
@@ -0,0 +1,484 @@
|
||||
|
||||
#show math.equation: set text(size: 16pt, weight: "light", top-edge: "ascender", bottom-edge: "descender")
|
||||
|
||||
|
||||
#set page(
|
||||
paper: "a4",
|
||||
margin: (x: 1.8cm, y: 1.5cm),
|
||||
)
|
||||
#set text(
|
||||
font: "New Computer Modern",
|
||||
size: 14pt,
|
||||
lang: "ru",
|
||||
weight: "light"
|
||||
)
|
||||
#set par(
|
||||
// first-line-indent: (
|
||||
// amount: 1.5em,
|
||||
// all: true
|
||||
//),
|
||||
justify: true,
|
||||
leading: 0.52em,
|
||||
)
|
||||
|
||||
|
||||
#set page(footer: context {
|
||||
if counter(page).get().first() > 1 [
|
||||
#align(left)[
|
||||
#counter(page).display("1")
|
||||
]
|
||||
]
|
||||
})
|
||||
|
||||
#table(stroke: none, fill: none, columns: 2, gutter: 160pt)[#text(size: 0.5em)[#align(bottom)[#align(center)[*Университет ИТМО \ Физико-технический мегафакультет \ Физический факультет*]]]][#align(left)[#image("assets/1.svg")]]
|
||||
|
||||
#line(length: 100%)
|
||||
|
||||
#align(center)[
|
||||
#table(stroke: none, fill: none, columns: 2, column-gutter: 50pt)[
|
||||
#align(left)[Группа: _К3221_]
|
||||
][
|
||||
#align(left)[К работе допущен: ]
|
||||
][
|
||||
#align(left)[Студенты: _Дощенников Никита_]
|
||||
][
|
||||
#align(left)[Работа выполнена: ]
|
||||
][
|
||||
#align(left)[Преподаватель: _Попов Антон Сергеевич_]
|
||||
][
|
||||
#align(left)[Отчет принят: ]
|
||||
]
|
||||
]
|
||||
|
||||
#align(center)[#text(size: 20pt)[*Рабочий протокол и отчет по \ лабораторной работе №4.07 \ \ Изучение дифракции Фраунгофера на одной и многих щелях*]]
|
||||
|
||||
#line(length: 100%)
|
||||
#line(length: 100%)
|
||||
|
||||
/*
|
||||
|
||||
=== 1. Цель работы.
|
||||
|
||||
1. Изучение дифракции Фраунгофера на одной щели, на четырех щелях, на одномерной и двумерной дифракционных решетках.
|
||||
2. Исследование распределения интенсивности в дифракционной картине.
|
||||
|
||||
=== 2. Задачи работы.
|
||||
|
||||
1. Получить картины дифракции Фраунгофера от различных объектов.
|
||||
2. Определить размеры щели.
|
||||
3. Определить ширину центрального дифракционного максимума.
|
||||
4. Определить интенсивности порядков дифракции.
|
||||
5. Объяснить изменение дифракционной картины при наклонном падении лучей.
|
||||
|
||||
===== Линейные положения минимумов
|
||||
|
||||
Для одной щели $alpha eq 0 degree$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
x_1 eq 12.4 "мм" eq 0.0124 "м" \
|
||||
x_2 eq 25.0 "мм" eq 0.0250 "м" \
|
||||
x_3 eq 37.6 "мм" eq 0.0376 "м"
|
||||
$
|
||||
|
||||
Центральный максимум лежит в $x eq 0$. Ширина центрального максимума $Delta x_0 eq 2 x_1 eq 24.8 "мм" eq 0.0248 "м".$
|
||||
|
||||
Расчет ширины щели $b$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
Delta x_0 eq 2 frac(lambda F, b) arrow.double b eq 2 frac(lambda F, Delta x_0)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Подставив значения получим:
|
||||
|
||||
$
|
||||
lambda &eq 632.8 "нм" eq 6.328 times 10^(-7) "м" \
|
||||
F &eq 200 "мм" eq 0.200 "м" \
|
||||
Delta x_0 &eq 24.8 "мм" eq 0.0248 "м"
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
b approx 10.21 "мкм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
Условие минимума:
|
||||
|
||||
$
|
||||
b sin phi_m eq m lambda arrow.double phi_m eq arcsin(frac(m lambda, b))
|
||||
$
|
||||
|
||||
Подставив числа получим:
|
||||
|
||||
$
|
||||
m eq 1: sin phi_1 eq 0.062 arrow.double phi_1 eq 3.5546 degree \
|
||||
m eq 2: sin phi_2 eq 0.124 arrow.double phi_2 eq 7.1230 degree \
|
||||
m eq 3: sin phi_3 eq 0.186 arrow.double phi_3 eq 10.7194 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
По формуле $phi_m approx frac(x_m, F)$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
phi_1 &approx 3.5523 degree \
|
||||
phi_2 &approx 7.1620 degree \
|
||||
phi_3 &approx 10.7716 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
#align(center)[
|
||||
#figure(
|
||||
table(columns: 6, inset: 10pt)[$L, "мм"$][$alpha, "град"$][$m$][$x, "мм"$][$b, "мм"$][$frac(J_max, J_0)$][200][0][0][0][10,2][1][200][0][1][12,4][10,2][0,81][200][0][2][25,0][10,2][0,45][200][0][3][37,6][10,2][0,20][200][5][0][0][10,2][0,98][200][5][1][12,6][10,2][0,80][200][5][2][25,3][10,2][0,44][200][5][3][38,0][10,2][0,19],
|
||||
supplement: [Табл.],
|
||||
caption: []
|
||||
) <table1>
|
||||
]
|
||||
|
||||
#align(center)[
|
||||
#figure(
|
||||
table(columns: 2, inset: 10pt)[$alpha, "град"$][$frac(J, J_0)$][0][0.159][15][0.159][30][0.156][45][0.200][60][0.366],
|
||||
supplement: [Табл.],
|
||||
caption: []
|
||||
) <table2>
|
||||
]
|
||||
|
||||
По формуле для однощелевой дифракции:
|
||||
|
||||
$
|
||||
frac(J, J_0) eq (frac(sin beta, beta))^2, space.quad beta eq frac(pi b sin theta, lambda)
|
||||
$
|
||||
|
||||
- Первый боковой максимум: $frac(J_1, J_0) approx 0.045$
|
||||
- Второй боковой максимум: $frac(J_2, J_0) approx 0.016$
|
||||
- Третий боковой максимум: $frac(J_3, J_0) approx 0.008$
|
||||
|
||||
Для дифракции на двух щелях положение максимума первого порядка задается формулой:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d sin theta_k eq k lambda, space.quad k eq 1
|
||||
$
|
||||
|
||||
Эффективная ширина щели изменяется как:
|
||||
|
||||
$
|
||||
b_"эфф" eq frac(b, cos alpha)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Подставив числа, получим:
|
||||
|
||||
$
|
||||
alpha = 0 degree: space.quad b_"эфф" = 10.21 "мкм" space.quad arrow.double space.quad theta_1 approx frac(lambda, b_"эфф") = frac(6.328 dot 10^(-7), 1.021 dot 10^(-5)) approx 0.0620 "рад" approx 3.55 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
alpha = 15 degree: space.quad b_"эфф" = frac(10.21, cos 15^degree) approx 10.57 "мкм" space.quad arrow.double space.quad theta_1 approx frac(6.328 dot 10^(-7), 1.057 dot 10^(-5)) approx 0.0599 "рад" approx 3.43 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
alpha = 30 degree: space.quad b_"эфф" = frac(10.21, cos 30 degree) approx 11.79 "мкм" space.quad arrow.double space.quad theta_1 approx frac(6.328 dot 10^(-7), 1.179 dot 10^(-5)) approx 0.0537 "рад" approx 3.08 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
alpha = 45 degree: space.quad b_"эфф" = frac(10.21, cos 45 degree) approx 14.44 "мкм" space.quad arrow.double space.quad theta_1 approx frac(6.328 dot 10^(-7), 1.444 dot 10^(-5)) approx 0.0438 "рад" approx 2.51 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
alpha = 60 degree: space.quad b_"эфф" = frac(10.21, cos 60 degree) approx 20.42 "мкм" space.quad arrow.double space.quad theta_1 approx frac(6.328 dot 10^(-7), 2.042 dot 10^(-5)) approx 0.0310 "рад" approx 1.78 degree
|
||||
$
|
||||
|
||||
Для одной щели ширина центрального максимума на экране определяется как расстояние между первыми минимумами по обе стороны от центра:
|
||||
|
||||
$
|
||||
Delta x_"эксп" eq x_"мин"^((+1)) - x_"мин"^((-1))
|
||||
$
|
||||
|
||||
где $x_"мин"^((plus.minus 1))$ - линейные координаты первых минимумов дифракционной картины.
|
||||
|
||||
По формуле для ширины центрального максимума:
|
||||
|
||||
$
|
||||
Delta x_"теор" eq frac(2 lambda L, b) eq frac(2 dot 6 dot 10^(-7) dot 1, 2 dot 10^(-4)) eq 6 "мм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
$
|
||||
Delta x_"эксп" eq 3.1 - (-3.0) eq 6.1 "мм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
По интерференциальной формуле для $N$ щелей.
|
||||
|
||||
Для одной щели: $frac(J_max^((1)), J_0)$, тогда для $N$ щелей:
|
||||
|
||||
$
|
||||
J_max^((N)) eq J_max^((1)) dot N^2
|
||||
$
|
||||
|
||||
- Центральный максимум одной щели: $frac(J_max^((1)), J_0) eq 1$
|
||||
- Две щели: $frac(J_max^((2)), J_0) eq 4$
|
||||
- Три щели: $frac(J_max^((3)), J_0) eq 9$
|
||||
- Четыре щели: $frac(J_max^((4)), J_0) eq 16$
|
||||
|
||||
По формуле постоянной решетки:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d eq frac(k lambda, sin theta_k)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Рассчитаем для $k eq 1$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d eq frac(1 dot 632.8 "нм", sin 10 degree) approx 3.65 "мкм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
Для $k eq 2$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d eq frac(2 dot 632.8, sin 20 degree) approx 3.7 "мкм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
Для $k eq 3$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d eq frac(3 dot 632.8, sin 30) approx 3.80 "мкм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
Постоянная решетки $d approx 3.7 "мкм"$.
|
||||
|
||||
Для двумерной дифракционной решетки максимумы распределяются по обеим осям, и их положение задаётся углами $theta_x$ и $theta_y$ или линейными координатами $x_1$, $y_1$ на экране.
|
||||
|
||||
По формуле для периода решетки по осям:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d_1 eq frac(k_1 lambda L, x_1), space.quad d_2 eq frac(k_2 lambda L, y_1)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Подставив числа, получим:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d_1 eq frac(1 dot 6.328 dot 10^(-4) dot 1000, 10) approx 63.3 "мкм" \
|
||||
d_2 eq frac(1 dot 6.328 dot 10^(-4) dot 1000, 12) approx 52.7 "мкм"
|
||||
$
|
||||
|
||||
*/
|
||||
|
||||
=== Контрольные вопросы.
|
||||
|
||||
*1. В чем заключается явление дифракции?*
|
||||
|
||||
Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями (малыми отверстиями, непрозрачными экранами и т.п.) и связанных с отклонениями от прямолинейного распространения света. Дифракция происходит во всех случаях, когда изменение амплитуды или фазы световой волны не одинаково на поверхности волнового фронта. Поэтому это явление возникает при любом -- амплитудном или фазовом -- локальном нарушении волнового фронта. В результате дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.
|
||||
|
||||
*2. Объяснитепринцип Гюйгенса-Френеля. Приведите его математическую формулировку.*
|
||||
|
||||
Принцип Гюйгенса-Френеля заключается в том, что каждая точка волнового фронта световой волны является источником вторичных когерентных волн, распространяющихся во все стороны под углами дифракции $phi.alt_1, phi.alt_2, phi.alt_3$, т.е. свет дифрагирует при прохождении сквозь щель. Фазы и амплитуды этих элементарных волн будут одинаковы. Дифракционная картина представляет собой результат интерференции этих когерентных элементарных волн, который наблюдается на экране в виде периодического распределения интенсивности.
|
||||
|
||||
Колебание электрического поля, приходящее в точку наблюдения $P$ от элементарного участка волнового фронта $d S$, имеет вид:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d E eq K(phi) frac(A_0, r) cos (omega t - k dot r + alpha_0) d S,
|
||||
$
|
||||
|
||||
где $A_0$ -- амплитуда колебания на волновом фронте, $r$ -- расстояние от элемента $d S$ до точки наблюдения, $K(phi)$ -- коэффициент наклонности, зависящий от угла $phi$ между нормалью к элементу $d S$ и направлением на точку $P$, $omega$ -- циклическая частота, $k$ -- волновой вектор, $alpha_0$ - начальная фаза.
|
||||
|
||||
Результирующее колебание в точке наблюдения $P$ определяется суперпозицией всех вторичных волн и выражается интегралом по всей поверхности волнового фронта $S$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
E eq integral.double_S K(phi) frac(A_0, r) cos(omega t - k dot r + alpha_0) d S
|
||||
$
|
||||
|
||||
*3. При каких условиях происходит дифракция Френеля? Дифракция Фраунгофера?*
|
||||
|
||||
Дифракция Френеля происходит, когда источник света и/или экран находятся на конечном, относительно небольшом расстояния от препятствия. В дифракции Френеля важны сферические волны от каждой точки края препятствия. Главное условие -- это наблюдение картины в ближней зоне дифракции, где волновой фронт еще не плоский, и картина меняется с расстоянием.
|
||||
|
||||
Дифракция Фраунгофера происходит, когда источник света и приемник находятся на бесконечно большом расстоянии от препятствия, и волны, приходящие в точку наблюдения, являются практически плоскими.
|
||||
|
||||
*4. Почему дифракционные полосы нельзя наблюдать при протяженном или при немонохроматическом источнике света?*
|
||||
|
||||
Дифракционные полосы нельзя наблюдать при немонохроматическом источнике света, потому что для волн разной длины полосы располагаются в разных местах, при этом, при смешении световых волн разной длины, дифракционные картины наедут друг на друга, и темные места будут засвечены. Таким образом картинка будет довольно сильно смазана.
|
||||
|
||||
Для протяженного источника ситуация аналогична. Освещенность на экране зависит от количества источников. Для каждого источника будет своя картинка и, в итоге, общая картинка смажется.
|
||||
|
||||
*5. Каким способом можно получить узкий параллельный пучок света?*
|
||||
|
||||
Для получения узкого параллельного пучка света, нужно поместить точечный источник в фокус собирающей линзы.
|
||||
|
||||
*6. Как получить без вычислений соотношение, определяющее направление на первый минимум при дифракции на щели $b$?*
|
||||
|
||||
Минимумы интенсивности при дифракции Фраунгофера на одной щели возникают тогда, когда разность хода между лучами от противоположных краёв щели равна целому числу длин волн.
|
||||
|
||||
$
|
||||
b dot sin theta eq lambda,
|
||||
$
|
||||
|
||||
где $lambda$ -- длина волны, а $theta$ -- угол между направлением падающего пучка и направлением первого минимума.
|
||||
|
||||
*7. Какой вид имеет дифракционная картина при наклонном падении плоской волны на щель?*
|
||||
|
||||
Дифракционная картина будет сдвинута. Максимумы и минимумы сместятся в направлении, соответствующему углу наклона падающей волны. Картина будет иметь форму полосы, суженной к краям щели.
|
||||
|
||||
*8. Объясните распределение интенсивности в дифракционной картине Фраунгофера от щели?*
|
||||
|
||||
Самая яркая полоса находится по оси перпендикулярной щели. Интенсивность уменьшается по мере удаления от центрального максимума. Длина полос уменьшается с увеличением угла наблюдения.
|
||||
|
||||
*9. Как изменится интерференционная картина, если: а) изменить ширину щели? б) увеличить число щелей? в) уменьшить расстояние между ними? г) изменить ширину всех щелей?*
|
||||
|
||||
а) Чем шире щель, тем уже главный максимум в дифракционной картине, потому что ширина дифракционного минимума обратнопропорциональна ширине щели. При узкой щели главный максимум растягивается. Таким образом ширина щели обратнопропорционально ширине интерференционной картины.
|
||||
|
||||
б) При увеличении числа щелей, увеличивается число возможных интерференционных максимумов, а сами полосы становятся более узкими и расположены ближе друг к другу. Таким образом, число щелей прямопропорционально количеству интерференционных полос и обратнопропорционально расстоянию между полосами.
|
||||
|
||||
в) Увеличение расстояния между щелями приводит к уменьшению углового интервала между максимумами, поэтому полосы раздвигаются, но интенсивность максимумов может уменьшаться, и картина становится менее четкой. Таким образом, расстояние между щелями прямопропорционально расстоянию между полосами.
|
||||
|
||||
г) Более широкие щели дают более узкие дифракционные минимумы, из-за чего центральные и боковые полосы интерференции становятся шире, и сама картина растягивается. Таким образом, ширина всех щелей прямопорционально размеру интерференционных полос.
|
||||
|
||||
*10. Объясните на основе принципа Гюйгенса–Френеля, почему при дифракции на одной щели существуют углы дифракции, для которых интенсивность света равна нулю? Получить выражение для определения значений таких углов.*
|
||||
|
||||
Принцип Гюйгенса-Френеля утверждает, что каждая точка волнового фронта служит источником вторичных сферических волн. При прохождении света через щель эти волны интерферируют между собой. В некоторых направлениях происходит полная деструктивная интерференция, и интенсивность света в этих направлениях равна нулю. Углы, при которых возникают такие минимумы, определяются условием
|
||||
|
||||
$
|
||||
b sin theta = lambda,
|
||||
$
|
||||
|
||||
где $theta$ -- угол относительно центрального максимума, $lambda$ -- длина волны света, $b$ -- ширина щели.
|
||||
|
||||
*11. Найти угловое распределение интенсивности света при фраунгоферовой дифракции на решетке из $N$ щелей с периодом $d$ при условии, что световые лучи падают на решетку нормально, а ширина щели равна $b$.*
|
||||
|
||||
Дифракция на одной щели определяется
|
||||
|
||||
$
|
||||
I_1(theta) eq I_0 (frac(sin beta, beta))^2, space.quad beta eq frac(pi b, lambda) sin theta.
|
||||
$
|
||||
|
||||
Интерференция $N$ щелей решетки определяется
|
||||
|
||||
$
|
||||
I(theta) eq I_0 (frac(sin beta, beta))^2 dot (frac(sin(N delta \/ 2), sin (delta \/ 2)))^2, space.quad delta eq frac(2 pi d, lambda) sin theta.
|
||||
$
|
||||
|
||||
где первый множитель -- огибающая, а второй множитель -- усиление и распределение максимумов за счет интерференций $N$ щелей. При этом главные максимумы решетки
|
||||
|
||||
$
|
||||
d sin theta_k eq k lambda, space.quad k eq 0, 1, 2, dots.
|
||||
$
|
||||
|
||||
*12. Параллельный пучок монохроматического света падает нормально на дифракционную решетку с заданной полной шириной ее штрихованной поверхности. При каком значении отношения $b/d$ ширины щели $b$ к периоду решетки $d$ интенсивность главных дифракционных максимумов второго порядка будет максимальна?*
|
||||
|
||||
Угол $theta_2$ второго порядка:
|
||||
|
||||
$
|
||||
sin theta_2 eq frac(2 lambda, d).
|
||||
$
|
||||
|
||||
Подставив в огибающую (см. предыдущий вопрос) получим:
|
||||
|
||||
$
|
||||
beta eq frac(pi b, lambda) sin theta_2 eq frac(pi, b) dot frac(2 lambda, d) eq frac(2 pi b, d).
|
||||
$
|
||||
|
||||
Чтобы максимум огибающей совпал с вторым порядком решетки
|
||||
|
||||
$
|
||||
beta eq pi arrow.double frac(2 p b, d) eq pi arrow.double b/d eq 1/2.
|
||||
$
|
||||
|
||||
*13. Найти угловое распределение дифракционных максимумов придифракции на решетке, период которой равен $d$, а ширина щели равна $b$.*
|
||||
|
||||
Интенсивность одной щели:
|
||||
|
||||
$
|
||||
I(theta) eq I_0 (frac( sin(pi b sin theta \/ lambda) , pi b sin theta \/ lambda ))^2
|
||||
$
|
||||
|
||||
Интерференционная составляющая для $N$ щелей:
|
||||
|
||||
$
|
||||
I_N (theta) eq (frac( sin(N pi d sin theta \/ lambda) , sin(pi d sin theta \/ lambda) ))^2
|
||||
$
|
||||
|
||||
Общее распределение интенсивности:
|
||||
|
||||
$
|
||||
I(theta) eq I_0 (frac( sin(pi b sin theta \/ lambda) , pi b sin theta \/ lambda ))^2 dot (frac( sin(N pi d sin theta \/ lambda) , sin(pi d sin theta \/ lambda) ))^2
|
||||
$
|
||||
|
||||
Условие главных максимумов:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d sin theta_k eq k lambda, space.quad k eq 0, 1, 2, dots
|
||||
$
|
||||
|
||||
Условия минимумов огибающей одной щели:
|
||||
|
||||
$
|
||||
b sin theta_m eq m lambda, space.quad m eq 1, 2, 3, dots
|
||||
$
|
||||
|
||||
*14. Найти условие появления главного дифракционного максимума при наклонном падении лучей на решетку (угол падения $theta_0$). Какой вид принимает это условие, если $d gt.double lambda$, а порядок спектра $m lt.double d/lambda$?*
|
||||
|
||||
Главные максимумы наблюдаются, когда разность хода равна целому числу длин волн:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d(sin theta_0 - sin theta_m) eq m lambda, space.quad m eq 0, plus.minus 1, plus.minus 2, dots
|
||||
$
|
||||
|
||||
Если углы малые, то $sin theta approx theta, sin theta_0 approx theta_0$
|
||||
|
||||
$
|
||||
d(theta_0 - theta_m) approx m lambda arrow.double theta_m approx theta_0 - frac(m lambda, d).
|
||||
$
|
||||
|
||||
То есть при малых углах максимумы смещаются на величину $frac(m lambda, d)$ относительно направления падающего пучка.
|
||||
|
||||
*15. Могут ли перекрываться спектры первого и второго порядков дифракционной решетки при освещении ее видимым светом ($700˘400 " нм"$)?*
|
||||
|
||||
Уравнение для главного максимума дифракционной решетки:
|
||||
|
||||
$
|
||||
sin beta eq frac(m lambda, d)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Максимум первого порядка:
|
||||
|
||||
$
|
||||
sin beta_1^max eq frac(700, d)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Минимум второго порядка:
|
||||
|
||||
$
|
||||
sin beta_2^min eq frac(2 dot 400, d) eq frac(800, d)
|
||||
$
|
||||
|
||||
Так как $sin beta_1^max lt sin beta_2^min$, спектры не перекрываются.
|
||||
|
||||
*16. Найти условие равенства нулю интенсивности $m$-го максимума для дифракционной решетки с периодом $d$ и шириной щели $b$.*
|
||||
|
||||
Главный максимум решетки:
|
||||
|
||||
$
|
||||
d sin theta eq m lambda
|
||||
$
|
||||
|
||||
Минимум дифракции щели:
|
||||
|
||||
$
|
||||
b sin theta eq n lambda
|
||||
$
|
||||
|
||||
Если максимум решетки совпадает с минимумом щели, амплитуда равна нулю. Учитывая $N$ щелей, эффективный шаг уменьшается на $m b$:
|
||||
|
||||
$
|
||||
N d sin theta - m b sin theta eq m lambda
|
||||
$
|
||||
|
||||
Тогда:
|
||||
|
||||
$
|
||||
sin theta eq frac(m lambda, N d - m b)
|
||||
$
|
||||
|
||||
*17. Описать характер спектров дифракционной решетки, если ее постоянная равна: 1) удвоенной, 2) утроенной, 3) учетверенной ширине щели.*
|
||||
|
||||
Пусть ширина щели $b$ фиксирована, а период решетки $d$ меняется. Тогда при $d eq 2 b$, спектры ближе друг к другу, углы дифракции уменьшаются, спектры сужаются вдвое. Если $d eq 3 b$, спектры сужаются втрое. Если $d eq 4 b$, спектры сужаются вчетверо.
|
||||
|
||||
*18. Изменяется ли разрешающая сила решетки при изменении наклона первичного пучка, падающего на нее?*
|
||||
|
||||
Нет, так как разрешающая сила решетки не зависит от наклона первичного пучка, падающего на неё.
|
||||
|
||||
*19. Почему дифракция не наблюдается на больших отверстиях и дисках?*
|
||||
|
||||
Дифракция не проявляется, так как размеры отверстия значительно больше длины волны света. В этом случае интерференционный эффект практически отсутствует, и свет либо проходит через отверстие, либо отражается от диска, практически не изменяя направление своего распространения.
|
||||
|
||||
BIN
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/task.pdf
Normal file
BIN
archive/sem3/labs_done/lab4.07_done/task.pdf
Normal file
Binary file not shown.
Reference in New Issue
Block a user