单缝衍射实验

一。实验简介

单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。如果波长与缝、孔或障碍物尺寸相当或者更大时，衍射现象最明显。 二。实验原理

波长为λ的单色平行光垂直照射到单缝上，在接收屏上，将得到单缝衍射图样，即一组平行于狭缝的明暗相间条纹。单缝衍射图样的暗纹中心满足条件：

𝑓

(1) 𝑥=±𝑘𝜆 (k=1,2,3,…)

𝑎式中，x为暗纹中心在接收屏上的x轴坐标，f为单缝到接收屏的距离；a为单缝的宽度，k为暗纹级数。在±1级暗纹间为中央明条纹。中间明条纹最亮，其宽度约为其他明纹宽度的两倍。

实验装置示意图如图1所示。

图1 实验装置示意图

光电探头（即硅光电池探测器）是光电转换元件。当光照射到光电探头表面时，在光电探头的上下两表面产生电势差ΔU，ΔU的大小与入射光强成线性关系。光电探头与光电流放大器连接形成回路，回路中电流的大小与ΔU成正比。因此，通过电流的大小就可以反映出入射到光电探头的光强大小。

三。实验内容

1.观察单缝衍射的衍射图形； 2.测定单缝衍射的光强分布；

3.利用光强分布图形计算单缝宽度。

四。实验仪器

单缝衍射实验装置包括：He-Ne激光器、衍射狭缝、光具座、白屏、光电探头、光功率计。

He-Ne激光器：

用途：氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖作为工作物质的气体激光器。以连续激励方式输出连续激光。在可见光和近红外区主要有0.6328um、3.39um和1.15um三条谱线，其中0.6328um的红光最常用。氦氖激光器的输出功率一般为几毫瓦到几百毫瓦。本实验中使用632.8nm的红光进行实验。

衍射狭缝：

用途：衍射狭缝是基本光学实验之一，其单缝的宽度可调，可以在光具座上移动。 实际照片和程序中的显示：

光具座：

用途：光具座是一种多功能的通用光学仪器。主要是为了能够进行光学实验提供一个较为平稳的测试平台，可以充分保证光路的通透性。 实际照片和程序中的显示： 白屏：

用途：用于观察衍射图样的白板，作光学成像屏板之用。 实际照片和程序中的显示：

光电探头：

用途：用光电探头（硅光电探测器）进行相对光强测量，测量的波长范围：200~1050nm。

光功率计：

用途：通过XS12K3P接插件（航空插头）与光传感器连接，可在与测量相对光强有关的实验中实验。

实际照片和程序中的显示：

实验指导

实验重点、难点：

1.测定单缝衍射的光强分布； 2.利用光强分布图形计算单缝宽度。 辅助功能介绍：

界面的右上角的功能显示框：当在普通做实验状态线，显示实验实际用时、记录数据按钮、结束实验按钮、注意事项按钮；在考试状态下，显示考试所剩时间的倒计时、记录数据按钮、结束考试按钮、显示试卷按钮（考试状态下显示）、注意事项按钮。

右上角工具箱：各种使用工具，如计算器等。

右上角help和关闭按钮：help可以打开帮助文件，关闭按钮功能就是关闭实验。

实验仪器栏：存放实验所需的仪器，可以点击其中的仪器拖放至桌面，鼠标触及到仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不允许拖动仪器栏中的仪器了。

提示信息栏：显示实验过程中的仪器信息，实验内容信息，仪器功能按钮信息等相关信息，按F1键可以获得更多帮助信息。

实验状态辅助栏：显示实验名称和实验内容信息(多个实验内容依次列出)，当前实验内容显示为红色，其他实验内容为蓝色；可以通过单击实验内容进行实验内容之间的切换。切换至新的实验内容后，实验桌上的仪器会重新按照当前实验内容进行初始化。

实验操作方法：

主窗口介绍：

成功进入实验场景窗体，实验默认条件：（1）所有的连线均已经连接好；（2）衍射狭缝与滑座已经固定在一起，并已经放置在导轨上；（3）白屏已经和滑座固定在一起，并已

经放置在桌面上；（4）He-Ne激光器和光电探头，已经固定在导轨上；实验场景的主窗体如下图组所示：

1.打开He-Ne激光器电源

1）在实验主场景中，双击He-Ne激光器图片，打开He-Ne激光器大视图；

2）鼠标左击激光器电源开关，激光器电源打开，激光器开始预热，预热时间：5分钟。He-Ne激光器大视图左上角显示预热剩余时间。当剩余时间显示为：0:00时，预热完成，实验主场景中出现红色的虚线。

2.调节衍射狭缝

1）在实验主场景中，双击衍射狭缝图片，打开衍射狭缝大视图；

2）鼠标右击底座固定螺丝，解除衍射狭缝的锁定，在实验主场景中，移动衍射狭缝至合适位置，然后鼠标左击底座固定螺丝，固定衍射狭缝在光具座上的位置；

3）鼠标左击狭缝宽度调节千分尺，使狭缝的宽度合适，在白屏上可观察到清晰对称的衍射图样。

3.观察衍射图样

在实验主场景中，双击白屏图片，打开白屏大视图，观察衍射图样。

4.打开并调零光功率计

1）将白屏从光具座上取下，放置在桌面上； 2）双击光功率计，打开光功率计大视图；

3）移动光电探头的位置，使中央明纹进入光电探头接收孔中；

4）鼠标左击电源开关，打开功率计电源开关；

5）根据中央明纹光强将光功率计选定在合适的档位；

6）将白屏重新放回到光具座上，调节光功率计的调零旋钮，进行调零； 7）光功率计调零结束后，将白屏从光具座上取下，放置在桌面上。

5.移动光电探头接收口

1）转动鼓轮，横向移动光电探头，使衍射图形中央主极大，进入光电探头接收口，同时，观察光功率测试仪读数的变化，找到读数最大值时；

2）调节光电探头的限光狭缝调节螺旋，使光功率计的读数在1.0-2.0mW。

6.记录数据

1）将光电探头接收口移动到超过衍射图样一侧的第3级暗纹处，记录此处的位置读数x（此处的位置读数定义为0.000）及光功率计的读数I；

2）转动鼓轮，每转半圈（即光电探头每移动0.5mm），记录光功率测试仪读数，直到光电探头移动到超过另一侧第3级衍射暗纹处为止；在测量过程中，移动鼓轮的转动方向始终要单向转动，以避免空程差；

3）根据记录的数据，计算出单缝的宽度。

五、原始数据及数据处理过程

数据记录表格：（不够自己加列） X(mm) P/(MV) 0 0 0.5 0.01 1.0 0.01 1.5 0.01 2.0 0.01 2.5 0.01 3.0 0 3.5 0 4.0 0.01 P/Pmax 0.0000 0.0063 0.0063 0.0063 0.0063 0.0063 0.0000 0.0000 0.0063 X(mm) P/(MV) X(mm) P/(MV) X(mm) P/(MV) P/Pmax X(mm) P/(MV) P/Pmax

18.0 0 18.5 0.02 19.0 0.05 19.5 0.07 20.0 0.07 20.5 0.05 21.0 0.02 21.5 0. 22.0 0 13.5 1.52 14.0 1.59 14.5 1.48 15.0 1.20 15.5 0.84 16.0 0.49 16.5 0.22 17.0 0.06 17.5 0.06 9.0 0.08 9.5 0.07 10.0 0.04 10.5 0.01 11.0 0.09 11.5 0.28 12.0 0.58 12.5 0.94 13.0 1.29 4.5 0.02 5.0 0.02 5.5 0.03 6.0 0.02 6.5 0.01 7.0 0 7.5 0..01 8.0 0.03 8.5 0.06 P/Pmax 0.0126 0.0126 0.0189 0.0126 0.0063 0.0000 0.0063 0.0189 0.0377 P/Pmax 0.0503 0.0440 0.0252 0.0063 0.0566 0.1761 0.3648 0.5912 0.8113 0.9560 1.0000 0.9308 0.7547 0.5283 0.3082 0.1384 0.0377 0.0377 0.0000 0.0126 0.0314 0.0440 0.0440 0.0314 0.0126 0.0000 0.0000

单缝宽度：0.137mm

实测缝宽：0.141mm 相对误差：2.8％

六、误差分析

接收屏上的中间亮条纹与置物轨的位置存在细小偏差，可能未完全做到在同一直线上。

在实验时出现了空回误差导致实验重新进行。

对于第3级暗纹的位置由于是人眼观测导致会出现偏差。