1、大学物理实验教案实验名称：应用计算机测定单缝衍射的光强度分布 1 实验目的：A 了解单缝衍射现象及其应用；B 学会用计算机及传感器测定光强度分布；C 培养学会运用计算机来进行综合物理实验的能力。2 实验仪器半导体激光器、单缝装置、科学工作室 500 型接口及软件、光传感器、旋转位移传感器、光具座、计算机3 实验原理及方法当一束波长为 的平行光垂直射向一宽度为 a 的单缝时，将产生光的衍射现象。由惠更斯-菲涅耳原理可以推出单缝衍射图像中沿垂直于入射光方向的光强度分布规律。其中产生暗纹的条件为 （k= 1，2， 3，） ；产生明纹的条件为 （k=0，1，2，3，） ，式中 k为 k 级条纹的衍射角
2、。图 1 示出了单缝衍射及光强度分布。图 1 单缝衍射光路及光强度分布图中 Dk表示第 k 级暗纹之间的距离， L 为单缝到衍射屏的距离，由于实际上往往 LDk，可近似地认为 kktgsin。于是若可由暗纹的产生条件，解出单缝缝宽 a， 即（k=1， 2， 3，） ；同理，若已知第 k 级明纹之间的距离为 Dk，则也可由明纹的产生条件解得缝宽 a，即 （k=0，1，2，3，） 。本实验采用已知波长为 的单色光来测量单缝缝宽的方法。实验装置如图ka光强度LDk( a ) ( b )2(sinkasinkkDLa2kDL)12(2 所示。由半导体激光器发出的单色光通过单缝装置产生衍射现象，调整透光
3、屏及光传感器的位置（位置调整可旋转装在光传感器下的旋转位移传感器） ，通过计算机实时观测光衍射明、暗条纹的光强分布图并测量第k 级的衍射明、暗条纹间距 Dk，衍射距离 L 由光具座上的标尺读数。根据上述公式即可求出缝宽a。图 2 实验装置示意图4 教学内容1） 观察与分析单缝衍射现象A、 调节入射激光束与光具座平行；B、按单缝夫朗和费衍射条件，布置待测单缝与衍射屏，且使之与激光束垂直；C、调出最佳的单缝衍射图样，观察衍射条纹的变化规律； 2）应用计算机测量单缝衍射的光强度分布A、将科学工作室 500 型接口连接到计算机上，打开接口和计算机电源；B、将光传感器连接到 500 型接口的模拟通道，旋
4、转移动传感器则连接到数字通道；C、进行科学工作室的初始化和各项参数设置；D、调节单缝衍射图样与光传感器上光阑高度相同，且呈水平分布；E、点击“记录” ，同时转动旋转位移传感器，采集衍射图样的光强度分布图F、在 Word 文档上打印出采集到的理想衍射光强度分布图3）测量第k 级的衍射明、暗条纹间距 Dk和衍射距离 LA、 在采集到的最佳衍射图样上，找出第k 级的明纹或暗纹，选择 ，点击鼠标左键选中+k 级条纹，并按住移动到对称的-k 级条纹的位置，读出Dk。重复测量 10 次，并记录数据B、 从光具座上读出单缝位置到衍射屏的距离 L，并记录5 实验教学组织及教学要求光传感器旋转移动传感器半导体激
5、光器 单缝装置科学工作室接口计算机1、 教学组织1）检查学生的预习实验报告，同时给学生 5 分钟时间熟悉仪器及科学工作室的使用2）讲解实验要点、难点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的疑问及突发情况。4）按实验结果检查方法检查每个学生的实验数据，记录实验情况。5）学生整理相关仪器，并登记实验情况使用表2、教学要求1） 了解单缝衍射图样的光强度分布规律，并按衍射条件，布置衍射光路，调出最佳衍射现象。2） 学会正确使用科学工作室系统，并测定出单缝衍射光强度分布。3） 在 Word 文档上打印出衍射图
6、样；用科学工作室重复 10 次测量出3级暗纹的距离 D3，单次测量衍射距离 L。4） 利用相关公式计算单缝缝宽及不确定度。6 实验教学的重点及难点1）重点： A、观察单缝衍射现象B、测量单缝衍射图样的光强度分布2）难点：A、调出最佳衍射现象B、采集到理想的衍射图样的光强度分布7 实验中容易出现的问题A、单缝衍射条纹左右不对称，零级明纹出现削峰或凹陷等问题B、科学工作室的软件设置中常出现未调整取样选项设置C、打印光强度分布图时未做页面设置8 实验参考数据（1） 、单缝衍射光强度分布图#2,linPos ()-5.4 -5.2 -5.0 -4.8 -4.6 -4.4 -4.2 -4.0 -3.8
7、-3.6 -3.4 -3.2 -3.0 -2.8 -2.60246810121416182022426#2 (%)D3图 3 单缝衍射光强度分布图表 1 单缝衍射 3 级暗纹间距 D3和衍射距离 L 的测量数据次序 D3 ( cm ) L ( cm ) (nm) k9 实验结果检查方法1) 单缝衍射光强度分布是否左右对称，是否不出现削峰，不出现凹陷2) 测得的3 级暗纹的距离 D3，单次测量衍射距离 L 是否合理3) 是否按照规范，完整的记录实验相关数据10 课堂实验预习检查题目1）单缝衍射图样中明纹和暗纹的产生条件？2）若采用白光为照射光和单色光照射相比，衍射图样有何不一样？ 11、思考题1）当单缝缝宽增加时，k 级暗纹的距离有何改变？2）请设计测定发丝直径的实验方案？365076.11123456789101.4271.4251.4271.4251.4201.4211.4201.4211.4251.421
