实验二十一 光衍射的定量研究

一、实验目的1. 观察光的衍射现象，加深对衍射原理的理解。

2. 掌握测量光衍射条纹间距的方法。

3. 分析衍射条纹间距与实验条件的关系。

二、实验原理光的衍射是指光波遇到障碍物或通过狭缝时，在障碍物或狭缝边缘发生弯曲，从而在障碍物或狭缝后形成明暗相间的条纹。

衍射条纹的间距与障碍物或狭缝的尺寸、入射光的波长以及观察距离有关。

根据衍射原理，光在衍射条纹中心处的路径差为0，即两相邻光束的相位差为2π。

因此，衍射条纹间距公式为：Δy = λL / d其中，Δy为衍射条纹间距，λ为入射光波长，L为观察距离，d为障碍物或狭缝的宽度。

三、实验仪器1. 激光器：产生单色光。

2. 单缝狭缝：模拟障碍物或狭缝。

3. 平行光管：将激光器发出的光调整为平行光。

4. 焦距为f的透镜：将衍射条纹聚焦到屏幕上。

5. 屏幕及标尺：用于观察和测量衍射条纹间距。

6. 计时器：用于测量衍射条纹的间距。

四、实验数据1. 实验条件：- 激光器波长：λ = 632.8 nm- 狭缝宽度：d = 0.2 mm- 观察距离：L = 1 m- 透镜焦距：f = 50 cm2. 测量数据：- 衍射条纹间距：Δy1 = 3.2 mm- 衍射条纹间距：Δy2 = 2.5 mm- 衍射条纹间距：Δy3 = 2.0 mm- 衍射条纹间距：Δy4 = 1.6 mm五、数据处理1. 计算衍射条纹间距平均值：Δy_avg = (Δy1 + Δy2 + Δy3 + Δy4) / 4 = 2.3 mm2. 计算理论值：Δy_theory = λL / d = (632.8 × 10^-9 m × 1 m) / (0.2 × 10^-3 m) = 3.16 mm3. 计算相对误差：relative_error = |Δy_avg - Δy_theory| / Δy_theory × 100% = 7.3%六、实验结果分析1. 实验结果表明，衍射条纹间距与理论值基本吻合，说明实验结果可靠。

实验室中的光衍射实验方法与精度控制引言：光是我们日常生活中非常常见的现象之一，而光衍射实验则是科学家们用来研究光的性质和行为的一种重要手段。

在实验室中，光衍射实验的方法和精度控制非常关键，下面将对光衍射实验的方法和精度控制进行探讨。

一、光衍射实验方法光衍射实验是通过观察光波经过一些物体后的衍射现象来研究光的性质。

光衍射实验常用的方法有夫琅禾费衍射、菲涅尔衍射和小孔衍射等。

1. 夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是一种常见的衍射实验方法，它是通过让光波通过一个具有一定尺寸的光阑后，形成一系列明暗相间的环状衍射带来研究光的性质。

夫琅禾费衍射实验可以用于测量光的波长、研究光的干涉现象等。

2. 菲涅尔衍射菲涅尔衍射是一种采用透镜和光阑的方法来进行的衍射实验。

透过透镜和光阑产生的衍射，我们可以观察到一些干涉现象，进而研究光的行为。

菲涅尔衍射实验方法的优势在于可以通过调整光阑和透镜的参数，控制光的角度和位置，从而实现更精确的实验。

3. 小孔衍射小孔衍射是利用一个非常小的孔洞让光波通过，观察光波的衍射现象，进而研究光的特性。

小孔衍射实验的优点在于实验步骤简单，成本低，适用于初学者。

二、光衍射实验精度控制在进行光衍射实验时，控制实验的精度是非常关键的，它直接影响实验结果的准确性和可重复性。

以下是一些常用的光衍射实验精度控制方法。

1. 环境控制环境对光衍射实验有着重要影响，尤其是光的干涉和衍射现象。

为了控制环境因素对实验的影响，需要在实验时尽量减小光源的波动，避免空气中的颗粒物等对实验结果的影响。

2. 光源控制光源的选择和控制对实验结果的准确性至关重要。

选择合适的光源，并控制光源的强度和稳定性，可以提高实验的精度。

3. 仪器校准光衍射实验中使用的仪器需要经过准确的校准，以保证实验结果的精确性。

例如，透镜的焦距需要准确测量，光阑的尺寸需要精确控制等。

4. 数据分析与处理进行光衍射实验后，需要对实验数据进行仔细分析和处理，以获得更准确的结果。

光线的衍射实验报告实验目的本实验旨在通过观察光线在不同孔径的狭缝中的衍射现象，探究光线传播中的衍射现象规律。

实验原理当光线通过一个较小的孔径或物体缝隙时，光线会发生弯曲和辐射，这种现象称为光的衍射。

根据惠更斯-菲涅耳原理，每一个点上的波动都可看成是由所有波源发出的波动的叠加。

实验器材- 光源- 狭缝装置- 屏幕- 尺子实验步骤1. 将光源放置在一定距离的位置，并调节光源亮度适宜。

2. 将狭缝装置放置在光源前方，调整狭缝的孔径大小为一定值。

3. 在狭缝装置后方固定一块屏幕，保证屏幕平整。

4. 用尺子在屏幕上标出一系列等距的点，作为观察点。

5. 逐个在观察点上观察光线的衍射现象，并记录下对应的狭缝孔径和衍射情况。

实验结果孔径大小（mm）衍射现象0.2 中央亮点较亮，两侧有若干暗条纹0.4 中央亮点不明显，两侧若干暗条纹更清晰0.6 中央亮点几乎看不见，两侧暗条纹明显0.8 无中央亮点，两侧暗条纹非常明显实验分析从实验结果可以看出，随着孔径的增大，中央亮点逐渐减弱并最终消失，而暗条纹则变得越来越明显。

这是由于孔径的变大导致光线衍射程度增强，使得中央光的干涉叠加效果减弱，而暗条纹的干涉叠加效果增强。

实验结果符合光的衍射现象的基本规律，即光线通过狭缝时会发生弯曲和辐射以及干涉现象。

其中，中央亮点是由光线经过狭缝直接折射结果，而暗条纹则是由光线经过狭缝后的干涉效应导致。

实验思考通过本次实验的观察和分析，可以得出以下结论：1. 光线在经过较小孔径的狭缝时会发生衍射现象。

2. 随着孔径的增大，中央亮点减弱并消失，而暗条纹变得更加明显。

3. 衍射现象是光线的干涉效应的结果，每一个点上的波动都可看成是由所有波源发出的波动的叠加。

通过这次实验，我深刻理解了光线的衍射现象以及波动光学的基本原理。

了解了光的传播中的干涉现象和波动的叠加效应。

同时，通过观察和记录实验结果，提高了我对实验数据分析和科学思维的能力。

实验总结通过本次实验，我对光线的衍射现象有了更深入的理解。

实验名称：光衍射实验实验日期：2023年3月15日实验地点：物理实验室实验人员：张三、李四、王五一、实验目的1. 了解光衍射现象的基本原理。

2. 观察并分析光通过狭缝和光栅时的衍射现象。

3. 掌握使用分光计和测量工具的方法。

4. 通过实验加深对光的波动性质的理解。

二、实验原理光衍射是光波在传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时，光线偏离直线传播路径而绕过障碍物或通过狭缝的现象。

当光波遇到障碍物或通过狭缝时，光波会发生衍射，形成明暗相间的干涉条纹。

光栅衍射是光通过光栅时发生的衍射现象。

光栅是由一组等间距、等宽的狭缝组成，光通过光栅时，各个狭缝的光线发生衍射，产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。

三、实验器材1. 分光计2. 狭缝板3. 光栅4. 光源5. 屏幕板6. 测量工具（直尺、刻度尺等）四、实验步骤1. 将分光计调整至水平，确保光路垂直。

2. 将光源置于分光计的上方，调整光源位置，使光线垂直照射狭缝板。

3. 观察屏幕板上的衍射条纹，记录条纹间距。

4. 改变狭缝板的宽度，重复步骤3，记录不同宽度下的条纹间距。

5. 将光栅放置在狭缝板前，调整光栅角度，观察屏幕板上的衍射条纹，记录条纹间距。

6. 改变光栅角度，重复步骤5，记录不同角度下的条纹间距。

7. 使用测量工具测量狭缝板和光栅的宽度。

五、实验数据及结果分析1. 狭缝板宽度与条纹间距的关系通过实验，我们发现随着狭缝板宽度的减小，条纹间距逐渐增大。

这是因为狭缝宽度越小，衍射现象越明显，衍射条纹越宽。

2. 光栅角度与条纹间距的关系通过实验，我们发现随着光栅角度的增大，条纹间距逐渐减小。

这是因为光栅角度越大，衍射现象越明显，衍射条纹越窄。

3. 光栅常数与条纹间距的关系根据光栅衍射公式，条纹间距与光栅常数成正比。

通过实验，我们验证了这一结论。

六、实验结论1. 光通过狭缝和光栅时会发生衍射现象，形成明暗相间的干涉条纹。

2. 狭缝宽度、光栅角度和光栅常数对衍射条纹间距有显著影响。

实验二十光衍射的定量研究一、数据处理1.单缝缝宽的测量测得的光强度曲线图象如图1所示：将计算用到的具体条纹的相关数据列表如下：条纹绝对坐标x(mm)相对光强I相距离中心Δx(mm)Δx̅̅̅̅(mm) 0级亮纹12.355 2570 0.000 0.000左侧0级暗纹8.600 3 3.7553.695右侧0级暗纹16.090 3 3.635左侧1级亮纹7.025 110 5.3305.298右侧1级亮纹17.620 113 5.265对于衍射屏与观察屏距离的测量：z左=15.28cm，z右=91.00cm，则有z=z右−z左+0.4cm=76.12cm。

图1下面进行计算：①利用第一次极强计算缝宽，有a=1.43λsinθ′=1.43λΔx′/z=1.300×10−4m②利用零级暗纹计算缝宽，有a=λsinθ=λΔx/z=1.304×10−4m2.双缝的缝宽和缝间距的测量测得的光强度曲线图象如图2所示：将计算用到的具体条纹的相关数据列表如下：条纹绝对坐标x(mm)相对光强I相距离中心Δx(mm)Δx̅̅̅̅(mm)0级亮纹18.145 2579 0.000 0.000左侧0级暗纹15.400 66 2.7452.650 右侧0级暗纹20.700 69 2.555左侧1级亮纹13.240 1274 4.905 4.855图2*这里的0级暗纹和1级亮纹的物理含义是与之前在单缝中所说的不同的，在单缝中，是由于衍射导致的暗纹和亮纹，而此处是由干涉导致的。

对于衍射屏与观察屏距离的测量：z左=15.28cm，z右=90.60cm，则有z=z右−z左+0.4cm=75.72cm。

下面进行计算：①利用主极强计算缝间距：d=λsinθ′=λΔx′/z=9.869×10−5m②利用0级暗纹计算缝间距：出现暗纹时，有Nβ=kπ,在此处具体应写为N∙πdsinθλ=π，则有d=λ2sinθ=λ2Δx/z=9.041×10−5m③利用单元因子所致0级暗纹计算缝宽a=λ′′=λ′′=3.740×10−5m3.其他衍射结构的衍射图样实验中观察到的衍射图样与对应的衍射屏结构如下表所示：五角星三丝双圆孔双丝单圆孔方孔密排矩孔方孔方阵等腰三角形二、分析与讨论1.误差分析可以推导出不确定度公式σa a =√(σΔxΔx)2+(σzz)2,σd d =√(σΔxΔx)2+(σzz)2.由于计算公式形式上的相似，此不确定度公式对于之前讨论的缝宽、缝间距等均适用。

衍射光强的测量实验报告测量衍射光强的分布，了解衍射现象的特点。

实验原理：衍射是波的特性之一，当光通过一个小孔或绕过一个障碍物时，会发生衍射现象。

衍射现象产生的光强分布与光源和待衍射物体的性质有关。

在这个实验中，我们通过测量不同位置的衍射光强来研究光强的分布情况。

实验器材：1. 激光器2. 衍射光屏3. 光电二极管4. 光电二极管探测电路5. 光电二极管信号处理器6. 示波器7. 尺子实验步骤：1. 将激光器稳定地放置在实验台上，并调整光束的方向，使其尽可能垂直地照射到衍射光屏的小孔上。

2. 在光屏上选择一个合适的小孔，打开光电二极管探测电路和光电二极管信号处理器。

确保仪器正常工作。

3. 将光电二极管放置在距离衍射屏一定距离的位置上，并用尺子测量该距离。

4. 将示波器的时间标尺和电压标尺调节到适当的范围，以便观察波形。

5. 在示波器上观察到光电二极管输出的波形，调节电压标尺使波形范围最大化。

6. 通过调整衍射光屏的位置，使得在示波器上观察到最佳的波形。

7. 记录下示波器上波形的峰值和衍射光屏的位置。

实验结果：根据实验步骤得到了一系列的数据，包括光电二极管输出的波形峰值和衍射光屏的位置。

根据这些数据，我们可以绘制出衍射光强的分布图。

实验讨论：1. 根据实验结果，我们可以观察到衍射光强的分布是与衍射光屏的位置密切相关的。

当衍射光屏与光电二极管之间的距离增加时，衍射效应减弱，光强逐渐减小。

2. 实验中我们使用激光器作为光源，激光光线的单色性和平行性使得实验结果更加准确。

3. 在实验中需要调节光电二极管的位置和衍射光屏的位置来观察波形，这需要一定的技巧和耐心。

4. 实验结果可以与理论计算进行对比，以验证实验的准确性和可靠性。

实验结论：通过实验我们得到了衍射光强的测量结果，并绘制了衍射光强的分布图。

实验结果与理论计算接近，证明了实验的准确性和可靠性。

本实验对于理解衍射现象的特点和光的波动性质具有重要意义。

实验改进：1. 可以尝试改变光电二极管和衍射光屏的位置关系，研究其对衍射光强分布的影响。

实验 衍射光强的定量研究与单缝的测量【实验目的】1．掌握在光具座上组装、调整光路的实验技能；学习微机自动控制进行测量时相关参量的设定。

2．了解光强测量的一种方法，观察并定量测定衍射元件产生的光衍射图样；掌握一种单缝宽度的测量方法。

【实验原理】1．衍射光强分布谱光的衍射是人所共知的一种自然现象，光衍射的实验光路主要由光源、衍射元件和观察屏等三要素，在光具座或光学平台上组装而成。

根据三者间距离的大小，将光衍射效应大致分成两种典型的光衍射图样，一种是衍射元件与光源和观察屏都相距无穷远，产生这种类型的光衍射叫夫琅禾费衍射，另一种是上述三者间相距有限远，产生的光衍射叫做菲涅耳衍射。

由于激光光束平行度较佳，且三者间距离远大于元件的线度，故本实验着重研究更具有实际意义的夫琅禾费衍射。

根据光衍射理论分析，不同衍射元件产生的光衍射图样和光强分布是不同的。

在理想条件下，理论研究不同衍射元件产生的衍射效应，得到对应的夫琅禾费衍射光强计算公式为：⑴ 单缝夫琅禾费衍射光强理论计算公式λθπθsin ,sin 20a u u u I I =⎪⎭⎫ ⎝⎛=上式表示在衍射角θ时，观测点的光强I θ值与光波波长λ值和单缝宽度a 相关，[]2sin()/u u 被叫做单缝衍射因子，表征衍射光场内任一点相对强度（I 0/I θ）的大小。

若sin θ为横坐标，（I 0/I θ）为纵坐标，可得到单缝衍射光强分布谱（如图14-1）。

从图14-1可见，零衍射斑即主极大在中心，高级衍射斑即次极大，它们顺序出现在sin θ=±1.43a λ，±2.46a λ，±3.47aλ，…的位置，各级次极强的光强与入射光强比值分别是I 1/I 0≈4.7%，I 2/I 0≈1.7%，I 3/I 0≈0.08%，…。

此外，在单缝衍射光强分布谱上还有暗斑，依次出现在sin θ=±a λ，±2a λ，±3aλ，…的位置，分别称为±1、±2、±3、…级。