CN208284127U - 一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，包括：底座，设置在所述底座上的读数圆盘，设置在所述读数圆盘上方中间位置的多缝衍射屏装置，望远镜和平行光管。本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置适用于普通物理实验教学，同时，由于增加了CCD投影放大系统，也适合课堂演示，受益面广；功能全，能做单缝、多缝和动态的夫琅禾费衍射涉及到的所有内容，且可定量测量，将实验结果与理论计算结果进行比较，测量精度满足教学要求；体积小，节省空间，共轴调节方便、快捷，实验现象清晰；装置配件更换方便便捷，实验内容丰富，有利于学生自主设计实验方案，有利于学生动手能力、理论联系实际能力及创新能力的培养。

Description

一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种物理实验装置，特别涉及一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置。

背景技术

衍射系统由光源、衍射屏和接收屏组成，其中夫琅禾费衍射是指光源和接收屏都距离衍射屏为无穷远，在实验室常常在衍射屏前后各放置一块会聚透镜，将无穷远转化为有限远以实现夫琅禾费衍射。多缝夫琅禾费衍射部分内容是光学课程中的重要知识点，涉及到大量的实验现象，用简单的语言是难以描述的。

现有的夫琅禾费衍射实验装置的缺点如下：

现有的多缝夫琅禾费衍射演示实验仪是用激光直接照到多缝上，在远处用屏接收。该演示实验仪只适用于课堂演示，不能定量计算，不能给出理论分析结果；由于距离远，需要两个人以上互相配合做演示实验，还要受场地大小的限制；装置结构固定，学生不能自己组装，不利于动手能力的培养。

现有的单缝夫琅禾费实验装置是在大于1.5米长的光导轨上利用光学元件组装而成，仪器占用空间大，由于距离远，共轴调节费时费力。且该装置只有单缝夫琅禾费衍射实验内容，不能实时地观察多缝夫琅禾费衍射花样及其动态变化过程；没有体现主极强、缺级、干涉因子、衍射因子等概念的实验内容。

实用新型内容

本实用新型要解决现有技术中的技术问题，提供一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案具体如下：

一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，包括：

底座，设置在所述底座上的读数圆盘，设置在所述读数圆盘上方中间位置的多缝衍射屏装置，望远镜和平行光管；

所述多缝衍射屏装置包括：单缝板I、单缝板II以及十缝板III；所述单缝板I 设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_I，缝间距为b_I，其右边的缝位于板边缘；所述单缝板II设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_II，缝间距为b_II，其左边的缝位于板边缘；所述十缝板III设有竖直设置的十条缝，缝宽为a_III，缝间距为b_III；所述单缝板I和所述单缝板II分别设置在测微目镜中原来放置的固定分划板和可动分划板的位置；所述十缝板III设置在测微目镜中原来放置的固定分划板的位置；

所述望远镜的一端设有望远镜物镜，另一端设有测微目镜；所述望远镜上设有望远镜伸缩装置，其通过望远镜伸缩调节手柄的调节可将测微目镜伸出或缩回；所述望远镜通过望远镜平移滑道与所述读数圆盘下方的转盘相连，望远镜可以通过转盘绕仪器中心轴转动，同时通过设置在所述望远镜平移滑道上的望远镜平移调节手柄的调节可将所述望远镜沿径向平移；

所述平行光管的一端设有单狭缝，另一端设有平行光管物镜；所述平行光管上设有平行光管伸缩装置，其通过平行光管伸缩调节手柄的调节可将单狭缝伸出或缩回；所述平行光管通过平行光管平移滑道与所述读数圆盘上方固定架相连，通过设置在所述平行光管平移滑道上的平行光管平移调节手柄的调节可将所述平行光管沿径向平移。

在上述技术方案中，所述多缝衍射屏装置中的双缝缝宽连续可调或缝间距连续可调。

在上述技术方案中，所述测微目镜连接有CCD图像传感器；所述CCD图像传感器连接有显示器，其用来显示CCD图像传感器接收到的图像信号。

在上述技术方案中，所述望远镜伸缩装置上设有标识测微目镜相对位置的望远镜刻度尺。

在上述技术方案中，所述平行光管伸缩装置上设有标识单狭缝相对位置的平行光管刻度尺。

在上述技术方案中，所述测微目镜物方焦平面上设有带标尺的分划板，该带标尺的分划板连接有亮十字物电源。

在上述技术方案中，所述望远镜通过设置在所述望远镜平移滑道上的望远镜平移调节手柄的调节可将所述望远镜沿径向平移。

在上述技术方案中，所述平行光管通过设置在所述平行光管平移滑道上的平行光管平移调节手柄的调节可将所述平行光管沿径向平移。

本实用新型具有以下的有益效果：

1、本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置适用于普通物理实验教学，同时，由于增加了CCD投影放大系统，也适合课堂演示，受益面广。

2、本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，实验仪功能全，能做单缝、多缝和动态的夫琅禾费衍射涉及到的所有内容，且可定量测量，将实验结果与理论计算结果进行比较，测量精度满足教学要求。

3、本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，实验仪体积小，节省空间，共轴调节方便、快捷，实验现象清晰。

4、本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，装置配件更换方便便捷，实验内容丰富，有利于学生自主设计实验方案，有利于学生动手能力、理论联系实际能力及创新能力的培养。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置光路原理示意图。

图2为多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置结构示意图。

图3(a)为单缝板I的结构示意图。图3(b)为单缝板II的结构示意图。图3 (c)为十缝板III的结构示意图。

图4(a)为缝间距或缝宽连续可调的衍射屏装置G的侧视剖面图。图4(b) 为缝间距或缝宽连续可调的衍射屏装置G的俯视图。

图5(a)～图5(c)分别为缝间距d不变、缝宽a连续变化的双缝结构和双缝夫琅禾费动态衍射花样示意图。

图6中的(a)～(c)分别为对应图5(a)中缝宽a不变、缝间距d连续变化时，双缝夫琅禾费动态衍射花样示意图。

图7为三缝夫琅禾费衍射花样示意图。

图8为十缝结构和夫琅禾费衍射花样示意图。

图中的附图标记表示为：

12-望远镜平移滑道、13-望远镜平移调节手柄、14-带标尺的分划板、15-亮十字物电源、16-测微目镜、17-望远镜刻度尺、18-望远镜物镜、19-平行光管物镜、20-单狭缝、21-平行光管平移滑道、22-平行光管平移调节手柄、23-多缝衍射屏装置、24-读数圆盘、25-底座、26-望远镜、27-平行光管、28-望远镜伸缩调节手柄、29-平行光管伸缩调节手柄、30-平行光管刻度尺、31-CCD图像传感器、32-显示器；

33-单缝板I、34-单缝板II、35-通光孔；36-雁尾槽；37-滑块；38-鼓轮； 39-丝杠，40-十缝板III。

具体实施方式

本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置原理光路图如图1所示，其中：Q为单色光源，S为单狭缝，位于透镜L₁的焦平面上，屏幕M放在透镜L₂的焦面上，G为多缝衍射屏，在屏幕上得到的多缝夫琅禾费衍射光强分布公式为：

其中：

为单缝衍射因子；为缝间干涉因子；

a、d、N、θ分别为缝宽、缝间距、缝数和衍射角。

通过多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置可以实时地观察多缝夫琅禾费衍射花样的动态变化过程，确定主极强数目及缺级位置，能定量测量衍射角、缝宽、缝间距，可以直观地显示出干涉因子的特点、衍射因子的作用和缺级现象等多种动态衍射特征。

本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，缝宽a和缝间距d可连续改变的多缝衍射屏装置G的结构设计为：

1)单缝板和十缝板的制作

利用光刻技术制板，制成如图3(a)～3(c)所示的一对单缝板I 33、单缝板II 34和一块十缝板III 40。其中，单缝板I 33设有两条缝，缝宽为a_I，缝间距为 b_I，右边的缝位于板边缘；单缝板II 34同样设有两条缝，缝宽为a_II，缝间距为b_II，但是其左边的缝位于板边缘。十缝板III 40设有十条缝，缝宽为a_III，缝间距为b_III。

2)缝宽a和缝间距d可连续改变的单缝、双缝和三缝衍射屏的制作

采用测微目镜的丝杠测微器部分，将测微目镜中原来放置的固定分划板和可动分划板改换为图3(a)所示的单缝板I 33和图3(b)所示的单缝板II 34。图 4(a)、图4(b)分别为缝间距或缝宽连续可调的衍射屏装置G的侧视剖面图和俯视图。

图4(a)中通光孔35上固定有单缝板I 33；滑块37设置在雁尾槽36内，能沿雁尾槽36滑动，中部有另一通光孔，其上固定单缝板II 34，单缝板II 34随滑块37 可沿左右方向平移；转动丝杠测微器的鼓轮38可带动丝杠39顶住滑块37，使滑块37和可动的单缝板II 34随着丝杠39沿左右方向平移，从而实现连续改变双缝衍射屏缝宽或缝间距的目的。鼓轮38上刻有l00个分格，其最小分度值为0.01mm，当鼓轮38转一周时，可动的单缝板II 34相对固定单缝板I 33平移1mm，因此由鼓轮38上的读数便可实时测量出多缝衍射屏装置G上缝宽或缝间距变化量。通过该装置可制成：

(1)缝宽a在a₁～0之间连续变化的单缝衍射屏；

(2)缝间距d＝3a_l不变，缝宽a在a_l～0之间连续变化的双缝衍射屏；

(3)缝宽a＝a_l不变，缝间距d在3a_l～5a_l之间连续变化的双缝衍射屏；

(4)缝宽a＝a_l，缝间距d＝3a_l的三缝衍射屏；

3、十缝衍射屏装置的制作

如图4(a)所示，将I更换为III，II去掉即成十缝衍射屏装置。

下面结合附图对本实用新型做以详细说明。

本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置如图2所示，其中包括：底座25，设置在所述底座25上的读数圆盘24，设置在所述读数圆盘24上方中间位置的多缝衍射屏装置23，望远镜26和平行光管27；

所述多缝衍射屏装置23包括：单缝板I 33、单缝板II 34以及十缝板III40；所述单缝板I 33设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_I，缝间距为b_I，其右边的缝位于板边缘；所述单缝板II 34设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_II，缝间距为b_II，其左边的缝位于板边缘；所述十缝板III40设有竖直设置的十条缝，缝宽为a_III，缝间距为b_III；所述单缝板I 33和所述单缝板II 34分别设置在测微目镜16中原来放置的固定分划板和可动分划板的位置；所述十缝板III 40设置在测微目镜16中原来放置的固定分划板的位置；

所述望远镜26的一端设有望远镜物镜18，另一端设有测微目镜16；所述望远镜26上设有望远镜伸缩装置，其通过望远镜伸缩调节手柄28的调节可将测微目镜16伸出或缩回；所述望远镜26通过望远镜平移滑道12与所述读数圆盘24下方的转盘相连，望远镜26可以通过转盘绕仪器中心轴转动，同时通过设置在所述望远镜平移滑道12上的望远镜平移调节手柄13的调节可将所述望远镜26沿径向平移；所述测微目镜16连接有CCD图像传感器31；所述CCD图像传感器31连接有显示器32，其用来显示CCD图像传感器31接收到的图像信号。所述测微目镜16物方焦平面上设有带标尺的分划板14，该带标尺的分划板14连接有亮十字物电源15。

所述平行光管27的一端设有单狭缝20，另一端设有平行光管物镜19；所述平行光管27上设有平行光管伸缩装置，其通过平行光管伸缩调节手柄29的调节可将单狭缝20伸出或缩回；所述平行光管27通过平行光管平移滑道21与所述读数圆盘24上方固定架相连，通过设置在所述平行光管平移滑道21上的平行光管平移调节手柄22的调节可将所述平行光管27沿径向平移。

所述望远镜伸缩装置为与所述测微目镜16相连的望远镜伸缩滑道，其上设有标识测微目镜16相对位置的望远镜刻度尺17，可在望远镜伸缩调节手柄28的调节下移动所述测微目镜16的位置。

所述平行光管伸缩装置为与所述单狭缝20相连的平行光管伸缩滑道，其上设有标识单狭缝20相对位置的平行光管刻度尺30，可在平行光管伸缩调节手柄 29的调节下移动所述单狭缝20的位置。

本实用新型的多功能型夫琅禾费动态衍射实验的具体实验内容和实验步骤如下：

l、单缝衍射花样的动态变化的观测及缝宽的测量

按图2布置光路，用钠光源照亮单狭缝20，将多缝衍射屏装置G置于多缝衍射屏装置23处，并转动衍射屏装置G的手动鼓轮38，使多缝衍射屏装置G中两个单缝重合在一起，此时多缝衍射屏装置G就变成一个缝宽a在a_l～0之间连续可调的单缝衍射屏装置了。调节图2中望远镜26、平行光管27以及调节系统共轴(参考分光计调节望远镜和平行光管的方法)，再微调多缝衍射屏装置G上的手动鼓轮 38，改变缝宽，同时通过望远镜目镜可观察到单缝衍射花样随缝宽变化的动态变化过程，还可测零级衍射条纹宽度或直接测衍射角，计算出单缝缝宽，与几何光学方法或用显微镜直接测量单缝缝宽结果进行比较验证。

2、缝间距d不变，缝宽a逐渐变大(或变小)时，双缝衍射花样动态变化的观测以及缝宽和缝间距的测量。

旋转多缝衍射屏装置G上的手动鼓轮38，使单缝板II34右移，移到图5(a)所示位置，此时，单缝衍射屏变缝宽或缝间距连续可变的双缝衍射屏，如在图5(a) 所示位置附近单向微调手动鼓轮38，使单缝板II 34向右移动，可以观察到缝间距 d不变，缝宽a连续变小时，双缝衍射花样的动态变化过程如图5(b)、图5(c)所示。

从实验中观察到：由于d不变，条纹间距不变，但由于a由大变小，单缝衍射零级主极强宽度变大，其内包含条纹数目逐渐变多，缺级位置向两侧移动，远离中心；还可以通过图2中的读数圆盘24和望远镜转动可以测衍射角，计算出缝宽和缝间距。

3、缝宽a不变，缝间距d连续变化时，双缝衍射花样的动态变化

如图5(a)～(c)所示，转动多缝衍射屏装置G上的手动鼓轮38，使图5(a) 中的双缝宽达到最大，再继续微调手动鼓轮38，使单缝板II34左移，则此时缝宽 a不变a＝a_l，缝间距d可在3a₁～5a₁之间连续变化，可观察到缝宽不变，缝间距连续变化时，双缝动态衍射花样的动态变化如图6(a)、(b)、(c)所示。

从实验中可观察到：单缝宽度a不变，单缝衍射因子的作用不变，单缝衍射零级斑大小不变，缺级位置不动。当d＝3a_l时，缺级发生在±3、±6等级上，即第三级，第六级亮纹消失。在单缝衍射零级主级强内有5个亮纹如图6(a)；随着d的增大，零级亮纹不动，其它条纹向零级靠拢，条纹变密，单缝衍射零级主极强内亮纹数增多，当d增至4a_l时，出现第四级、第八级亮纹消失，即在±4、±8级上发生缺级，单缝衍射零级主极强内条纹数增至7条如图6(b)；继续增加 d时，条纹变化同上，当d＝5a_l时，出现第五级，第十级亮纹消失，即在±5、±10级上发生缺级，单缝衍射零级主极强内条纹数增至9条如图6(c)。实验直观地显示出干涉因子的特点、衍射因子的作用和缺级现象等多种动态衍射特征。

4、三缝夫琅禾费衍射花样的观察和缝间距的测量

当d由5a_l增至6a₁时，双缝就过渡到缝宽相同缝间距相同的三缝了，观察三缝夫琅禾费衍射花样如图7所示，从实验中可观察到：在相邻主极强之间有一个次极强，缺级发生在±3、±6等级上，即第三级，第六级亮纹消失，验证了理论和实验结果吻合。

5、十缝衍射花样的观察和缝间距的测量如图8所示。

从上述实验中可观察到：主极强宽度随缝数N增大变锐，可以确定缺级发生的位置，能定量测量衍射角，计算缝宽a和缝间距d，给出干涉因子的特点、衍射因子的作用和缺级现象等多种动态衍射特征。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，包括：

底座(25)，设置在所述底座(25)上的读数圆盘(24)，设置在所述读数圆盘(24)上方中间位置的多缝衍射屏装置(23)，望远镜(26)和平行光管(27)；

所述多缝衍射屏装置(23)包括：单缝板I(33)、单缝板II(34)以及十缝板III(40)；所述单缝板I(33)设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_I，缝间距为b_I，其右边的缝位于板边缘；所述单缝板II(34)设有竖直设置的两条缝，缝宽为a_II，缝间距为b_II，其左边的缝位于板边缘；所述十缝板III(40)设有竖直设置的十条缝，缝宽为a_III，缝间距为b_III；所述单缝板I(33)和所述单缝板II(34)分别设置在测微目镜中原来放置的固定分划板和可动分划板的位置；所述十缝板III(40)设置在测微目镜中原来放置的固定分划板的位置；

所述望远镜(26)的一端设有望远镜物镜(18)，另一端设有测微目镜(16)；所述望远镜(26)上设有望远镜伸缩装置，其通过望远镜伸缩调节手柄(28)的调节可将测微目镜(16)伸出或缩回；

所述望远镜(26)通过望远镜平移滑道(12)与所述读数圆盘(24)下方的转盘相连，望远镜(26)可以通过转盘绕仪器中心轴转动，同时通过设置在所述望远镜平移滑道(12)上的望远镜平移调节手柄(13)的调节可将所述望远镜(26)沿径向平移；

所述平行光管(27)的一端设有单狭缝(20)，另一端设有平行光管物镜(19)；所述平行光管(27)上设有平行光管伸缩装置，其通过平行光管伸缩调节手柄(29)的调节可将单狭缝(20)伸出或缩回；

所述平行光管(27)通过平行光管平移滑道(21)与所述读数圆盘(24)上方固定架相连，通过设置在所述平行光管平移滑道(21)上的平行光管平移调节手柄(22)的调节可将所述平行光管(27)沿径向平移。

2.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，多缝衍射屏装置(23)中的双缝缝宽连续可调或缝间距连续可调。

3.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述测微目镜(16)连接有CCD图像传感器(31)；所述CCD图像传感器(31)连接有显示器(32)，其用来显示CCD图像传感器(31)接收到的图像信号。

4.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述望远镜伸缩装置上设有标识测微目镜(16)相对位置的望远镜刻度尺(17)。

5.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述平行光管伸缩装置上设有标识单狭缝(20)相对位置的平行光管刻度尺(30)。

6.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述测微目镜(16)物方焦平面上设有带标尺的分划板(14)，该带标尺的分划板(14)连接有亮十字物电源(15)。

7.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述望远镜(26)通过设置在所述望远镜平移滑道(12)上的望远镜平移调节手柄(13)的调节可将所述望远镜(26)沿径向平移。

8.根据权利要求1所述的多功能型夫琅禾费动态衍射实验装置，其特征在于，所述平行光管(27)通过设置在所述平行光管平移滑道(21)上的平行光管平移调节手柄(22)的调节可将所述平行光管(27)沿径向平移。