一、实验目的
1、观察夫琅和费单缝衍射现象，加深对光的衍射理论的理解； 2、学习利用衍射图样测光波波长。
二、实验仪器
光学平台，He-Ne激光器，单缝装置，微尺。
三、实验原理
光的衍射现象是光波动性的一个重要标志，也是光波在传播过程中的重要属性之一。光的衍射在近代科学技术中已获得了极其重要的应用。本实验仅研究单缝的夫琅和费衍射（即平行光衍射）研究光的衍射不仅有助于加深对光的波动特性的理解，也有助于进一步学习现代光学实验技术（如光学仪器的设计、光谱学的测量与分析，晶体结构分析等）。
光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，当障碍物（小孔、狭缝、毛发、细针等）的线度与光的波长相差不多时，所发生的偏离直线传播的现象，即光可绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区域中，并在障碍物后的观察屏上呈现出光强的不均匀分布。通常将观察屏上的不均匀光强分布称为衍射图样。本实验涉及的是光通过单缝时的衍射，即单缝衍射。单缝衍射可分为两类：菲涅耳衍射、夫琅和费衍射。夫琅和费衍射是指狭缝和障碍物与观察屏的距离都是无限远的。在夫琅和费衍射中，入射到狭缝的光是平行光，传播到观察屏的也是平行光，即入射光和衍射光都是平行光，所以夫琅和费衍射是平行光的衍射，在实验中可以借助两个透镜来实现。
本实验只研究夫琅和费单缝衍射，实验装置如右图所示。将与单缝平行的单线光源放置在透镜的前焦平面上，经后变成的单平行光垂直照射在单缝低通滤波器设计
上，通过单缝后在透镜的后焦平面上可以观察到单缝的夫琅和费衍射图样，它是一组平行于狭缝的明暗相间的直条纹。与光轴平行的衍射光会聚于观察屏（位于的后焦平面处）上的起重安装处，它是中央亮条纹的中心，光强最大。与光轴成角的衍射光会聚于屏上处，从理论上可以得出 中央明条纹
明条纹
暗条纹
上式中为单缝的宽度，为衍射角，为入射光的波长。
当衍射角时对应于观察屏上的点，是光强的中央主极大，即中央明条纹。
当时，衍射光强为次极大，对应于屏上除中央明纹外的其它各级明明纹，为衍射级数，依次为第一级明条纹、第二级明条纹、第三级明条纹…，其中“”表示各级明条纹对称地分布在中央明条纹的两侧。
当时，衍射光强有极小值，对应于屏幕上的暗条纹，依次为第一级暗条纹、第二级暗条纹、第三级暗条纹…，其中“”表示各级暗条纹对称地分布在中央明条纹的两侧。同时可以推知，中央明纹的宽度（中央明纹两侧的两条一级暗条纹中心间的距离）为，为透镜的焦距。而其它明条纹的宽度（任意两条相邻暗条纹中心间的距离）为，这说明中央明纹的宽度是其它明纹宽度的两倍。
由上可知，对应给定波长的单光，狭缝宽度愈小，与各级条纹对应的衍射角愈大，即衍射愈明显。反之，当愈大，与各级条纹对应的衍射角愈小，衍射愈不明显。因此，当逐渐增大缝宽时，条纹会愈来愈密集，最终无法分辨，只能观察到一条明条纹，即光是直线传播的。
实验中通常采用测量暗条纹的方法。因为衍射角很小，因此，如果第级暗条纹对应的衍射角为，则有
其中为第级暗纹与中央明纹中心的间距，由于我们实验中用的是激光作为光源，并且单缝与显示屏之间的距离比较远，因此可以不用加透镜，这样就可以将单缝与光屏之间的距离作为。
如果将狭逢竖直放置，并规定式中负号表示位于中央亮条纹左边的条纹，正号表示位于中央亮条纹右边的条纹，那么，对于左边第条暗条纹和右边第条暗条纹有
所以
其中左边第条暗条纹和右边第条暗条纹之间的距离。
故
只要测定了单缝的宽度，并选择一定的暗条纹数和，测出它们之间的距离和透镜与光屏之间的距离后，即可以计算出单光的波长。
四、实验内容及步骤
1、调节各光学元件同轴等高
⑴、在光学平台上放置激光管，使其高度适当（20～证据智能系统22cm），目测调节激光管的仰角及左右偏向，使激光管与光学平台平行。
⑵、开启He-Ne激光器电源，调节其工作电流在8左右。
⑷、将单缝放在光学平台上，调节狭缝垂直于光学平台。
使激光束垂直照射在单缝上，观察衍射条纹的分布情况，再改变单缝与观察屏的距离，观察衍射条纹的分布（疏密）与屏距变化的关系。然后调节一个适当的屏距，使中央明纹两侧有6黄大飞～8级衍射条纹。最后保持单缝位置不变，仅转动单缝面，当观察到的衍射条纹数（单位长度上的条纹数）最多时，激光束严格与单缝面垂直。
4、测量
(1)测量单缝与观察屏的距离。
(2)观察衍射图像，然后调节微尺，将竖直红线调至左边第9条暗纹处，再从左边第6条暗纹起到右边第6条暗纹止，依次读出各条暗纹的位置，尽量使红线对准暗纹中央读数。为了避免空程误差的存在，测量中应使鼓轮单方向运动。
表格 各级暗条纹中央位置处的读数记录
／左 | 6 | 5 | 非晶硅薄膜电池4 | 3 | 2 | 1 |
／mm | | | | | | |
／右 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
／mm | | | | 止推垫圈 | | |
／mm | | | | | | |
| | | | | | |
五、数据处理
根据表中测量数据，由公式
计算单光波长，其中nm，,取六次测量的平均值。
将计算所得波长与公认值663nm比较，并计算百分误差
﹪
最后，分析实验中哪些因素可能引起误差，并且提出改进措施。
注意事项
1、实验中应使激光器与单缝的距离、单缝与显示屏的距离较大，以满足产生夫琅和费衍射的条件。
2、测量条纹间距的过程中，应缓慢转动微尺的鼓轮，并且只能沿一个方向转动，中途不要反向。因为丝杆与螺母的罗纹间有空隙，称为螺距差。当反向旋转时，必须转过此间隙后分划板（叉丝）才能跟着螺旋移动。所以在测量的过程中若转过了的头，必须退回一圈，再沿原方向旋转推进。不得移出刻度尺所示的刻度范围，如已到达刻度尺一端，则不能再强行旋转鼓轮。
３、点燃激光管需要几千伏的直流高压，因此实验时注意不要碰到激光管上的电极，以免触电。另外，一定不要让激光直接射入眼睛，以免强光灼伤眼睛。
思考题
1、什么叫夫琅和费衍射？用He-Ne激光做光源是否满足夫琅和费衍射的条件？
2、当缝宽增加一倍时，衍射图样的和条纹宽度将会怎样改变？
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