普通物理實驗

GENERAL PHYSICS LABORATORY

 

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latest update 2022/04/18

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雷射光之折射與繞射
Refraction and Diffraction
 

課程目標:

  • 折射率 / Index of Refraction

  • 狹縫干射 與繞射 / Slit Interference and Diffraction

實驗目的:

利用雷射光觀察之繞射、折射等現象,並了解單狹縫、雙狹縫、光柵等光學元件的功能。

 

原理:

本實驗將應用Snell's Law,利用光的折射現象來推算一平板玻璃的折射率。並利用繞射、干涉等現象,對單狹縫、雙狹縫或多狹縫(光柵)等進行定性與定量的實驗。

 

A. Snell's Law

這個在幾何光學中相當重要的定律,描述光線行進於不同介質間的行進方向變化的關係。如圖(一)所示:

圖一、光束照射至物體表面時的反射與折射光路簡圖。

光線由介質1入射至介質2,有穿透也有反射。θiθrθt,分別代表入射角、反射角與折射角,而 n1n2 則分別為介質1與介質2的折射率。Snell's Law指出,它們之間應遵守以下關係式

                                                  (1)

                                    (2)

 我們將使用雷射光束照射一平板玻璃,驗證 Snell's Law與量測未知玻璃的折射率。

 

B. 繞射與干涉

請見講義

 

 

實驗項目:

A. 平板玻璃的折射率測量

  1. 利用圖一的折射光路圖,測量平板玻璃的折射率。

  2. 先自行設定一個大約的入射角,將雷射光以此角度入射至平板玻璃。

  3. 分別標示以下幾個光點位置:
    ☉    雷射光在雷射出口的「發射點」
    ☉    平板玻璃上的「入射點」
    ☉    折射後離開平板玻璃的「出射點」
    ☉    反射光束上的任一點。

  4. 由以上所標示的各點位置,推算入射角、折射角與反射角等。

  5. 利用 Snell’s Law推算平板玻璃的折射率。

  6. 請重複上述測量過程三至五次,計算折射率的測量平均值與測量誤差。

  7. 請查出平板玻璃可能的折射率為多少。

B. 狹縫與光柵的繞射

 

(本實驗的雷射光波長為 632.8 nm)

  1.  實驗裝置的位置如上圖所示。
    S1為單狹縫、雙狹縫與光柵的位置;S2為觀察繞射圖形的觀察平面。
    z為S1、S2之間的距離。

  2. 雷射光束照射於上述之狹縫與光柵時,必須注意光束的入射角度。建議與這些光學元件保持垂直的關係。
    另外,對於雙狹縫的繞射,請確定雷射光的光束有同時涵蓋兩個狹縫。

  3. 請先在單狹縫、雙狹縫與光柵三者之中,選其中一個放在S1的位置。

  4. 將雷射光束與S1上的元件對準之後,請於觀察平面S2觀察繞射(或干涉)的圖形。並請辨認中央亮帶的位置、暗紋的位置等。

  5. 量測觀察平面S2繞射(或干涉)圖形的條紋間距 Dx

  6. 量測S1、S2之間的距離z。

  7. 由上述測量結果,推算S1位置上的狹縫寬度、狹縫間隔等規格。

  8. 重複上述的測量過程三到五次,計算測量的平均值與誤差。

  9. 更換S1位置上的元件,重複3~8的實驗程序。

※ 調整光路時,請注意將雷射光束限制在自己的實驗桌範圍內,千萬不要外漏到其他同學的實驗範圍中。請各位保護自己的眼睛,避免受到雷射光束的傷害 !!

 

參考資料: