波的衍射专题实验论文
波的衍射专题实验论文
专业：机械工程及自动化姓名：李远非学号：12221071 摘要：人们对光的认识经历了漫长的过程，直到1690年惠更斯提出光的波动说，光的本质才渐渐为人所知。衍射（Diffraction）又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。通过对干涉，衍射现象的研究，可以更深刻地认识电磁波和物质波的本质。本文通过对波的衍射专题实验的介绍，提出对实验的一点改进，并延伸拓展衍射在测试和物质结构分析方面的应用。
关键词：线阵CCD，光栅，夫琅禾费衍射，光谱
背景：产生衍射现象的条件是：缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时，能观察到明显的衍射现象。衍射现象应用得很广泛，可以通过双缝干涉实验来测定波的波长，应用晶体衍射研究晶体的原子分布，微波布拉格实验正是应用了晶体衍射原理，而实验中用到的CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle）和乔治·史密斯所发明的，全称为电荷耦合元件，也称为CCD图像传感器，能够把光学影像转化为数字信号，实验用另外一个重要仪器便是光栅，它由多条等间距，等宽的平行细缝构成，分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等，刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。这些优秀的实验仪器使实验过程更加容易，实验现象更加明显。
论述：一：夫琅禾费单缝衍射是指衍射物与光源及接受屏无穷远
时，光波绕过障碍物前进的现象。试验中使平行光经过狭缝衍射，在光屏上形成一组明暗相间的条纹。实验中测出从中央明纹到二级暗纹处不同位置的光电流，作出0I I —θsin 曲线，观察单缝衍射光强分布，利用暗纹公式a
n λθ±=sin 计算缝宽。利用CCD 作为衍射光接收元件，在示波器中观察单缝衍射光强分布曲线，画出0I I —θsin 曲线，计算缝宽，最后用读数显微镜测出缝宽，与两种方法做出比较。此实验原理简单，设计巧妙，让人很直观的观察到衍射现象的特点，并且应用此原理可测量细丝半径，比较精确。
二：透射光栅衍射实验利用光栅这一特殊光学元件，复色光衍射时由于各波长不同，各波长的光按照不同角度排列，形成光栅光谱，可通过实验测出一级谱线的衍射角，并测量纳双线的角色散率。用这种实验方法可以观察光栅的光谱特性，测定光栅常数及角色散率，并且准确度高。
三：微波布拉格衍射实验利用微波发射器，微波探测器以及微波分光计等仪器，应用晶体衍射原理测量微波波长，测量（100）面衍射一级与二级极大值掠射角，验证布拉格公式：2dsinθ=m λ。通过这个实验，我们观察到了晶体衍射实验现象，验证了布拉格公式，学会一种测量微波波长的方法。
三个实验均设计得很巧妙，并且准确度高，但实验中遇到一点问题。在做夫琅禾费衍射实验时，需要调节单缝宽度，调节过程中我发现单缝需调节到很窄才会出现明暗相间的条纹，但条纹清楚时，明暗条纹相距较近，二者相距较远时，条纹又不太清晰，因此想要得到满意的
条纹，调节单缝宽度难度较大；在测量单缝宽度时容易碰到调节旋钮，使测量前功尽弃，而每个人测量单缝时读数不尽相同，实验误差较大。我通过各种途径查阅相关资料后，发现可以用光栅代替单缝。首先，它的宽度固定，直接可以出现让人满意的衍射图样，虽然它是由多条单缝组成，但经过波的叠加也可以出现对应衍射光强分布；其次，它每条单缝的宽度已知，省去了测量单缝宽度的步骤；最后，将光栅衍射与线性CCD，示波器相结合，可以测出各光谱谱线强度，解决了透射光栅衍射的课后思考题。这只是我在做实验过程中的一点想法，在查阅相关资料后，发现这种方法有可行性，解决了实验过程中的一点小问题。
结论分析：通过波的衍射专题实验的学习，我了解到衍射现象在测试和物质结构分析方面的应用：
（一）在现代应用光学分析技术中，科学家根据衍射图样与障碍物的结构间一一对应的关系，利用X射线穿过晶体后发生晶格衍射时，不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析得到的衍射图样，从而推理得出组成晶体的原子是如何排列的。
（二）DNA的双螺旋结构的发现过程：弗兰克林这位具有非凡才能的物理化学家，成功地拍摄了不同温度下DNA晶体的X射线衍射照片，把这些各种局部的结构形状汇总，终于发现两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们联结在一起。因此他们获得了诺贝尔奖。
（三）光的衍射原理启发了后人光栅，可以用光栅的光谱来分辨元素。
就像大家都知道的光谱分析仪中，各种元素或化合物通过发光，产生自己特定的波长。借助与光栅光谱可以测定这些特定的波长和相应的波强度，从而获得各种元素或化合物的成分以及含量。这项技术广泛的运用与天文、考古等行业中。
在这次专题实验中，我也掌握了一些实验仪器的使用方法，拓展了自己设计实验的思路，学会独立思考分析的能力，我从中获益很多。参考文献：《物理实验》牛原《物理实验》杂志2005年11期撰写日期：2013年10月15日