實(shí)驗(yàn)單縫衍射

實(shí)驗(yàn)單縫衍射第1頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理及背景知識(shí)介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)儀器介紹實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)實(shí)際操作思考題第2頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

了解單縫衍射現(xiàn)象及其應(yīng)用。運(yùn)用計(jì)算機(jī)及傳感器測定單縫衍射光強(qiáng)度分布與單縫縫寬。培養(yǎng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)及科學(xué)工作室接口進(jìn)行綜合物理實(shí)驗(yàn)的能力。第3頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)原理及背景知識(shí)介紹：

光在傳播過程中經(jīng)過障礙物，如狹縫、小孔、不透明物體的邊緣、細(xì)線等時(shí)，一部分光會(huì)傳播到幾何陰影中去，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

單縫衍射有兩種：一種是菲涅耳衍射，單縫距光源和接收屏均為有限遠(yuǎn)；另一種是夫瑯和費(fèi)衍射，單縫距光源和接收屏均為無限遠(yuǎn)或者相當(dāng)于無限遠(yuǎn)，此時(shí)入射光與衍射光均可看做平行光。本實(shí)驗(yàn)單縫與采光屏的距離遠(yuǎn)大于單縫寬度，所以可以看成是夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象。

第4頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月夫瑯和費(fèi)(JosephFaunhofer)

1787.3～1826.6。德國人。天體物理學(xué)之父。他于1815年制成第一架分光鏡；第一個(gè)用鈉火焰的黃光作為單色光源；并制造出許多當(dāng)時(shí)最佳的折射望遠(yuǎn)鏡。于1821年研究單縫衍射(夫瑯和費(fèi)衍射)現(xiàn)象，并制成衍射光柵。1823年得出光柵方程式。1824年創(chuàng)制配有轉(zhuǎn)儀鏡的赤道式裝置的望遠(yuǎn)鏡。

第5頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)用散射角極小的激光器產(chǎn)生激光束，通過一條很細(xì)的狹縫（0.1～0.3毫米寬），在狹縫后１.0米左右的地方放上觀察屏，就可看到衍射條紋，它實(shí)際上就是夫瑯和費(fèi)衍射條紋，如圖１所示。圖１單縫衍射光強(qiáng)分布曲線圖第6頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

由惠更斯-菲涅耳原理可嚴(yán)格計(jì)算出單縫衍射光強(qiáng)相對分布：單縫衍射各級(jí)明紋光強(qiáng)分布不同，中央明紋和其它明紋的角寬度不同，暗條紋等間距；而次極大彼此不等間距，但隨著級(jí)數(shù)k的增加，趨于等間距。本實(shí)驗(yàn)通過測量±Ｋ極暗紋的間距Ｄk，根據(jù)衍射現(xiàn)象中暗紋形成原理得出縫寬的計(jì)算公式：

（k=1、2、3…）

（１）

第7頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：１．觀察不同縫寬的單縫衍射現(xiàn)象利用配有不同縫寬的演示單縫裝置，觀察不同縫寬的單縫衍射現(xiàn)象，并記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。２．單縫縫寬度的測量

利用單縫裝置，測量出±２級(jí)以上暗紋之間的距離Ｄ±k，重復(fù)讀數(shù)8次以上。用光具座上米尺測量單縫位置和采光屏的位置各一次。根據(jù)公式（１）可算出縫寬。第8頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器介紹：

１．光傳感器２．旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器３．科學(xué)工作室500型接口第9頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月光傳感器

光傳感器用于檢測光的相對光強(qiáng)度。傳感器的增益分為可以改變的1、10、100三個(gè)檔位，其信號(hào)輸出端接入科學(xué)工作室的模擬接口。傳感器通光口采光屏處安裝有光圈調(diào)節(jié)裝置。光傳感器通光口第10頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月光傳感器與光圈調(diào)節(jié)裝置的連接第11頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月光圈調(diào)節(jié)裝置

該裝置由6個(gè)寬度不同的通光縫構(gòu)成，用來調(diào)節(jié)進(jìn)入傳感器的光強(qiáng)度。使用時(shí)通過靈活選擇增益以及通光縫的寬度，可以使傳感器的可測量范圍變得較大。通光縫越寬，進(jìn)入光傳感器的光強(qiáng)度越大，反之越小。第12頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月光圈裝置中狹縫的調(diào)節(jié)：

若光圈裝置狀態(tài)如右圖所示，此時(shí)圖中通光縫1的后方正對光傳感器的通光口，即入射光只有通過圖中縫1的位置后才能被光傳感器所接收。若要增加進(jìn)入光傳感器的光強(qiáng)，可用兩手指輕輕捏著光圈裝置的兩外側(cè)a、b處輕輕旋轉(zhuǎn)，直至所需通光縫旋轉(zhuǎn)到光傳感器的通光口正前方為止，如下一張圖中所示。

ab第13頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月

左圖中光圈裝置的狹縫４做為光圈裝置的通光縫。此時(shí)，對相同的光源而言，進(jìn)入光傳感器的光強(qiáng)比上一張圖中光經(jīng)過狹縫１進(jìn)入光傳感器的光強(qiáng)更強(qiáng)。光圈裝置中央的十字螺絲可固緊光圈裝置面板。

光圈裝置的高度調(diào)節(jié)請參看旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的使用。光圈裝置的高度以所有需采集的光都能入射到通光縫的中央，且光圈架能穩(wěn)固、直立，底部不接觸光具座、可靈活移動(dòng)為宜。第14頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器

旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器測量旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)。該傳感器上的分格有一個(gè)光學(xué)編碼器，每旋轉(zhuǎn)一分格最大可產(chǎn)生1440個(gè)脈沖。旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出線接入科學(xué)工作室的1、2口。

第15頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的使用：此實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的a處插入光圈裝置的光圈架，而b處的螺絲可松開或固緊光圈架，以調(diào)節(jié)光圈裝置的高度（如下一張圖所示）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，勻速、輕緩地轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器上的大滑輪，可改變和它固定在一起的光傳感器及光圈調(diào)節(jié)裝置的位置，從而采集到不同位置的光強(qiáng)度。ab第16頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)工作室500型接口

A、B、C口可分別輸入模擬信號(hào)1、2口可輸入數(shù)字信號(hào)

通過傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸入到科學(xué)工作室接口，信號(hào)經(jīng)過接口變換后送到計(jì)算機(jī)上的科學(xué)工作室軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示結(jié)果。第18頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)工作室接口與傳感器的連接科學(xué)工作室接口中A、B、C口與各模擬信號(hào)傳感器的連接采用梅花式插頭和插座，連接或插入時(shí)，要對準(zhǔn)確，看清楚箭頭或Top標(biāo)志，連接或插入的方向具有唯一性，不許錯(cuò)位強(qiáng)行插入。實(shí)際操作時(shí)，光傳感器的插頭可任意連接A、B或C口，盡量避免拔、插梅花式插頭，以免損壞接口。梅花式插座箭頭或Top標(biāo)志第19頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)工作室500型接口的開啟500型接口的使用需特別小心。其接口開關(guān)應(yīng)在所有實(shí)驗(yàn)儀器開關(guān)都已開啟后，并準(zhǔn)備開啟500型接口配套軟件scienceworkshop前開啟（開啟開關(guān)后，接口前端指示燈亮，如下一圖所示）。而在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，應(yīng)最先關(guān)閉500型接口開關(guān)，然后再關(guān)閉其它實(shí)驗(yàn)儀器的開關(guān)。第20頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月工作中的科學(xué)工作室接口接口指示燈亮第21頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體激光器

在激光器電源的標(biāo)簽上可查詢該激光的波長及其它參數(shù).激光器電源激光發(fā)射器第22頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性表座

磁性表座上方可插入二維調(diào)節(jié)架或單縫等裝置，調(diào)整好所需高度后，由固緊螺絲a固緊。表座下方的磁性開關(guān)可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)磁性的“開”或“關(guān)”狀態(tài)。如需在光具座上移動(dòng)磁性表座時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉其磁性，用手握著表座的底部緩慢移動(dòng)，但不可在光具座上拖動(dòng)。而一旦確定了磁性表座的位置或需調(diào)節(jié)其它儀器時(shí)，應(yīng)立即開啟表座磁性，使其牢固地固定在光具座上，以免在實(shí)驗(yàn)中打翻固定在磁性表座上方的激光發(fā)射器或單縫等裝置。固緊螺絲a磁性開關(guān)第23頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月二維調(diào)節(jié)架二維調(diào)節(jié)架上兩個(gè)螺絲可分別微調(diào)置于其中的激光發(fā)射器的上下與左右方向。實(shí)驗(yàn)前或儀器粗調(diào)時(shí)，應(yīng)將兩螺絲調(diào)至中央位置，為后續(xù)微調(diào)激光方向留有空間，切記兩螺絲起微調(diào)作用，不可將其大幅調(diào)至其中鋼珠脫落。第24頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月單縫裝置左圖是置于磁性表座上的單縫裝置。切記不可用手觸摸中央刀口上的單縫位置。第25頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)步驟：１．熟悉各實(shí)驗(yàn)儀器，調(diào)整激光器發(fā)射出的激光光線與光具座平行，并能被光傳感器的接收孔準(zhǔn)確接收。２．依據(jù)實(shí)驗(yàn)教材或手冊完成科學(xué)工作室軟件中的各項(xiàng)設(shè)置。３．調(diào)出符合要求的單縫衍射圖案，利用科學(xué)工作室軟件及各儀器采集、記錄所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第26頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月注意事項(xiàng)：激光發(fā)射器不能正對眼睛，以免受到傷害。嚴(yán)禁用手觸摸單縫裝置。

第27頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)習(xí)題：實(shí)驗(yàn)中光傳感器的插頭應(yīng)連接到科學(xué)工作室的哪個(gè)口？實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的插頭應(yīng)連接到科學(xué)工作室的哪個(gè)口？有哪些方法可確定激光光線已水平傳播？本實(shí)驗(yàn)中如何操作？如何確定光傳感器的通光狹縫和增益選擇已處于最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)如何操作旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器（包括動(dòng)作與移動(dòng)范圍）才能采集到最佳的單縫衍射圖案？第28頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作1．熟悉完各實(shí)驗(yàn)儀器后，連接電路并確保正確。調(diào)整兩表座處于光具座橫向中央位置、并盡量遠(yuǎn)離光傳感器的接收屏，表座磁性應(yīng)處于開啟狀態(tài)。第29頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

2．調(diào)整各儀器的初狀態(tài)位置至最合適：將旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器移至光具座水平中央位置（左圖）；任意選擇一狹縫做為光圈裝置的通光縫；關(guān)閉單縫裝置下方表座磁性，移開該表座及單縫裝置（右圖）；打開激光器電源，旋松激光發(fā)射器下方磁性表座的固緊螺絲a，調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)架的方向與高度，使激光盡可能地入射到光圈裝置的通光縫（下一張圖）。第30頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

３．移動(dòng)單縫裝置及磁性表座至光具座上靠近激光發(fā)射器處，注意此時(shí)單縫裝置下方的表座磁性應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，否則將使裝置和操作者處于極危險(xiǎn)狀態(tài)。記住激光照射在單縫裝置上的位置和其下方的磁性表座在光具座上的橫向位置（可以米尺或光具座邊緣作參照物，下一張圖）。第32頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作4．移動(dòng)單縫裝置及磁性表座至光具座上靠近接收屏、且在光具座上的橫向位置應(yīng)與移動(dòng)前完全一致。注意在移動(dòng)磁性表座時(shí)動(dòng)作應(yīng)輕緩、不可在光具座表面拖動(dòng)，且單縫裝置的高度不可在此時(shí)調(diào)整。第34頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作5．調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)架上兩微調(diào)螺絲，使激光照射到單縫上的位置與單縫裝置移動(dòng)前激光照射到單縫上的位置（左圖）完全一致。可重復(fù)操作3~５步驟直至該步驟要求完全符合止，說明激光已水平傳播。此后不得再調(diào)整激光發(fā)射器的狀態(tài)，包括二維調(diào)節(jié)架高度、其上螺絲及其下表座。否則需重新調(diào)整3~５步驟。第35頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作6．移動(dòng)單縫裝置及其磁性表座至光具座上靠近激光發(fā)射器處，調(diào)整單縫高度及其下方磁性表座位置，使激光能垂直穿過單縫中央位置，激光光斑應(yīng)均勻分布在單縫中央（左圖）。此時(shí)在接收屏上可看到清晰的單縫衍射圖案（右下圖）。第36頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

7．打開科學(xué)工作室500型接口開關(guān)，接口前端指示燈亮。第37頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

8.軟件設(shè)置：雙擊計(jì)算機(jī)顯示屏上的科學(xué)工作室500型接口配套軟件scienceworkshop圖標(biāo)，屏幕上顯示如下。第38頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作當(dāng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測到科學(xué)工作室500型接口時(shí)，該軟件會(huì)自動(dòng)繼續(xù)到如下畫面。第39頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作設(shè)置接口1、2：用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)住數(shù)碼式插頭圖標(biāo)拖動(dòng)到接口1放開。第40頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作在彈出的選擇感應(yīng)器窗口中選擇“旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器”后，點(diǎn)“確定”。第41頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作在隨后彈出的如下窗口中選擇“分格/旋轉(zhuǎn)”為1440，點(diǎn)擊“確定”?？茖W(xué)工作室500型接口的1、2口設(shè)置完畢。第42頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作設(shè)置模擬信號(hào)口：明確光傳感器輸入的模擬信號(hào)口（A口、或B口、或C口），用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)住模擬式插頭圖標(biāo)，并拖至光傳感器輸入接口的對應(yīng)通道(本例中光傳感器接B口)，在彈出的“選擇感應(yīng)器”窗口中選中“光傳感器”，然后點(diǎn)“確定”(右下圖)。第43頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作設(shè)定取樣選項(xiàng)：點(diǎn)擊左下方圖中紅色區(qū)域（或“實(shí)驗(yàn)”菜單中）的“取樣選項(xiàng)”，設(shè)置取樣周期為100HZ或200HZ（右下方）后，按確定。第44頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作圖形顯示：當(dāng)科學(xué)工作室最大化后，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)住“圖表”不松開拖至光傳感器輸入口（本例為Ｂ口）再松開，彈出“圖形顯示”框。

第45頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作圖表大小調(diào)整：點(diǎn)擊左下圖中紅色箭頭的“向下還原”鈕，然后將“圖形顯示”框調(diào)整為右下方圖形大小所示。

第46頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作圖表X、Y軸設(shè)置：“圖形顯示”的X軸默認(rèn)為“時(shí)間”軸，修改時(shí)點(diǎn)擊左下圖中紅色區(qū)域旁邊的下拉菜單，然后點(diǎn)擊右下圖中“位置”，X軸即修改為“位置”，單位為“厘米”。Y軸如需修改，可以同樣方式將Y軸修改為“強(qiáng)度”。設(shè)置完畢如下一張圖所示。第47頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

9.試采集數(shù)據(jù)：移動(dòng)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器，同時(shí)調(diào)整光圈架的高度與方向，使得所有衍射光都能垂直照到光圈上通光縫中央，然后將通光縫移至衍射光斑區(qū)域的一側(cè)（如下圖）。第49頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作點(diǎn)擊電腦屏幕上scienceworkshop軟件的記錄按鈕，緩慢、勻速地旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器至光斑區(qū)域另一側(cè)對稱位置止（如下圖,以零級(jí)亮紋即中央亮斑為中心）。然后點(diǎn)擊scienceworkshop軟件的停止按鈕。第50頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作10.雙擊“圖表顯示”窗左下方的第四個(gè)最優(yōu)化小圖標(biāo)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)按需調(diào)整光圈調(diào)節(jié)裝置上的通光縫、或光傳感器的增益、或旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)傳感器的速度或采集區(qū)域,重復(fù)操作步驟9，使得最終能采集到如下一張圖所示數(shù)據(jù)，即：數(shù)據(jù)點(diǎn)不能太稀疏，零級(jí)亮紋的光強(qiáng)度（縱軸）應(yīng)大于30且小于46（不削峰），橫軸上顯示的衍射光級(jí)數(shù)應(yīng)大于3級(jí)，但不超過5級(jí)。注意：每采集完一次數(shù)據(jù)都要雙擊最優(yōu)化圖標(biāo)。第51頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作點(diǎn)擊“圖表顯示”窗左下方的第五個(gè)小圖標(biāo)。在彈出窗口的“名稱”欄中輸入：實(shí)驗(yàn)圖表名稱、班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)、實(shí)驗(yàn)桌號(hào)等圖表完整信息后，按“確定”。第53頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作

11.打印圖表：在確定圖表信息已經(jīng)輸入完整、并已最優(yōu)化后，點(diǎn)擊科學(xué)工作室“編輯”菜單中的復(fù)制（如下圖）。然后粘貼到一個(gè)新開啟的文檔中，無需調(diào)整大小（如下一張圖），直接打印即可。第54頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月同學(xué)無需查看已打印的圖表，更不可隨意重復(fù)打印，而應(yīng)抓緊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。教師會(huì)將簽完字后的打印圖表交給實(shí)驗(yàn)者。第55頁，課件共61頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際操作11.采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：⑴激光波長λ可由激光電源上直接獲得。⑵在已最優(yōu)化的圖表中，點(diǎn)