大学物理试验丨利用单丝衍射测量细丝直径

大 学 物 理 实 验 报 告利用单丝衍射测量细丝直径一、 实验目的：1. 观察单丝夫琅和费衍射现象。2. 利用简单工具，测量细丝直径。二、实验原理：波在传输过程中其波振面受到阻碍时，会绕过障碍物进入几何阴影区，并在接收屏上出现强度分布不均匀的现象，这就是波的衍射。机械波、电磁波等波动都会产生衍射，而光的衍射能更直观地观察到。对光的衍射现象进行研究，有助于我们深入理解光的波动性与传播特征，还有助于我们进一步学习近代各种光学实验技术，如光谱分析、光信息处理、晶体结构分析等等。1. 夫朗和费衍射衍射通常分为两类：一类是菲涅耳衍射，其条件为光源与衍射屏、衍射屏与接收屏的距离为有限远；另一类是夫琅和费衍射，其条件为光源到衍射屏、衍射屏到接收屏的距离均为无限远，或者说入射光和衍射光都是平行光。夫琅和费衍射计算结果的过程很简单，所以一般实验中多采用夫琅和费衍射。如果使用激光器作为光源（如普通的激光笔），其发射的光可以近似认为是平行光；一般衍射物是 0.1mm 的数量级，如果衍射屏与接收屏的距离大于 1m，则衍射光大致上是平行光，这样就基本上满足了夫琅和费衍射的条件。2. 单缝衍射如图 1 所示，根据惠更斯－菲涅尔原理，狭缝上各点可以看成是新的波源，由这些点向各方发出球面次波，这些次波在接收屏上叠加形成一组明暗相间的条纹，按惠更斯－菲涅尔原理，可以导出屏上任一点 Pθ 处的光强为（图 2）：，式中 a为狭缝宽度，λ 为入射光波长，θ 为衍射角，I0 称为主极强，它对应于 P0 处的光强。从曲线上可以看出：（1）当 θ = 0 时，光强有最大值 I0，称为主极强，大部分能量落在主极强上。（2）当 sinθ = kλ/a (k =±1, ±2,……)时，Iθ = 0，出现暗条纹。因 θ 角很小，可以近似认为暗条纹在 θ = kλ/a 的位置上。还可看到主极强两侧暗纹之间的角距离是 Δθ = 2λ/a，而其他相邻暗纹之间的角距离均相等（均为 Δθ = λ/a）。（3）两相邻暗纹之间都有一个次极强。在波长已知的情况下，通过测量相邻暗纹之间的角距离 Δθ，可以测得狭缝宽度 a 为 λ/Δθ。3. 单丝衍射根据巴比涅原理，位于屏障所在平面后方任意点处的场，加上用互补屏障替换后在同点处的场，等于全无屏障时该点处的场。所以在夫琅禾费衍射中，两个振幅互补的衍射屏在接收屏上的衍射花样，在远离衍射中心时是相同的。单丝和单缝正好是互补屏，所以它们的衍射图样除了最...