VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA

Samankaltaiset tiedostot
Työn tavoitteita. 1 Johdanto

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

12.3 KAHDEN RAON DIFFRAKTIO. Yhden kapean raon aiheuttama amplitudi tarkastelupisteeseen P laskettiin integraalilla E = ò,

Kuva 1. Kaaviokuva mittausjärjestelystä. Laserista L tuleva valonsäde kulkee rakojärjestelmän R läpi ja muodostaa diffraktiokuvion varjostimelle V.

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

Diffraktio. Luku 36. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

YHDEN RAON DIFFRAKTIO. Laskuharjoitustehtävä harjoituksessa 11.

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 TIETOTEKNIIKKA / SALO FYSIIKAN LABORATORIO V

VALON DIFFRAKTIO JA POLARISAATIO

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

HILA JA PRISMA. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn teoriaa

Interferenssi. Luku 35. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

YOUNGIN KOE. varmistaa, että tuottaa vaihe-eron

24AB. Lasertutkimus ja spektrianalyysi

Valon diffraktio yhdessä ja kahdessa raossa

7 VALON DIFFRAKTIO JA POLARISAATIO

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

12 DIFFRAKTIO 12.1 FRAUNHOFERIN DIFFRAKTIO KAPEASSA RAOSSA

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

35. Kahden aallon interferenssi

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

FYSA2031/K2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

ja siis myös n= nk ( ). Tällöin dk l l

Fysiikan valintakoe klo 9-12

Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

Todennäköisyys ja epämääräisyysperiaate

Valo aaltoliikkeenä DFCL3 Fysiikan hahmottava kokeellisuus kokonaisuus 12

2 paq / l = p, josta suuntakulma q voidaan ratkaista

35 VALON INTERFERENSSI (Interference)

267 Rengasprofiilin muoto, eli transmittanssin (11.4.2) muoto d :n funktiona, riippuu siten ensisijaisesti heijastuskertoimen r arvosta:

KIERTOHEILURI JA HITAUSMOMENTTI

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Fysiikan kotityöt. Fy 3.2 ( ) Heikki Juva, Aarne Niittyluoto, Heidi Kiiveri, Irina Pitkänen, (Risto Uusitalo)

Seuraa huolellisesti annettuja ohjeita. Tee taitokset tarkkaan,

Avainsanat: geometria, kolmio, ympyrä, pallo, trigonometria, kulma

Valo, laser ja optiikka -havaintovälineistö

1 Johdanto (1) missä 0 on. interferenssi. mittauksen tarkkuudeksi Δ

π yd cos 2 b) Osoita, että lauseke intensiteetille sirontakulman funktiona on I

YO-KYSYMYKSIÄ KURSSISTA FY3: Aallot

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

FY3: Aallot. Kurssin arviointi. Ryhmätyöt ja Vertaisarviointi. Itsearviointi. Laskennalliset ja käsitteelliset tehtävät

Ajattele julkisivu jonka kauneus on ikuista

Kertaustehtävien ratkaisuja

11.1 MICHELSONIN INTERFEROMETRI

[MATEMATIIKKA, KURSSI 8]

- 3 välikoetta, jokaisessa 4 tehtävää, yht. 12 teht. - 6 pistettä yhdestä tehtävästä - max pisteet 72 (+ lisät harjoituksista)

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Aallot. voima F on suoraan verrannollinen venymään x. k = jousivakio Jousivakion yksikkö [k] = 1 N/m = 1 kg/s 2

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

MIKSI ERI AINEET NÄYTTÄVÄT TIETYN VÄRISILTÄ? ELINTARVIKEVÄRIEN NÄKYVÄN AALLONPITUUDEN SPEKTRI

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) E a 2 ds

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Kuva 1. Michelsonin interferometrin periaate.

Fysikaalisen kemian syventävät työt CCl 4 -molekyylin Ramanspektroskopia

Mekko. Koot: 80(92)104(116)128(140)152 cm.

Tarkastellaan neliötä, jonka sivun pituus on yksi metri. Silloinhan sen pinta-ala on 1m 1m

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Spektroskopia. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Kirjanen. TAKE-hanke. Kirsi Träskelin

Ajotaitomerkkisäännöt matkailuautolle voimaan

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

LUKUJONOT. 1) Jatka lukujonoja. 0, 1, 2,,,, 6, 8, 10,,,, 8, 12, 16,,,, 18, 15, 12,,,, 30, 25, 20,,,, 2) Täydennä lukujonoihin puuttuvat luvut.

2.1 Yksinkertaisen geometrian luonti

Radiointerferometria. Plateau de Bure (millimetrialue) Very Large Telescope (näkyvä valo ja infrapuna)

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Tekijät: Tarja Kokkila, Maija Salmivaara OuLUMA, sivu 1

VALONTAITTOMITTARIN KÄYTTÖ

Mittaustulosten tilastollinen käsittely

Asiaa käsitteleviä artikkeleita on koottu kansioon, jonka saa lainaan oppilaslaboratorion kopista. s ja kontaktipotentiaalierosta K.

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Fiskars Boordilävistäjä

Antennit ja syöttöjohdot

Energiapuun mittaus. Antti Alhola MHY Päijät-Häme

Tee itse: Kangashuppu Serla Talousarkki -pakkaukselle

SOTILASPENKKIPUNNERRUS

KUITUPUUN PINO- MITTAUS

KESKEISIMMÄT OPPIMISTAVOITTEET KOROSTETTAVAT YDINKOHDAT. TEKNISET TAIDOT kuljettaminen

Paradise 6K ja 8K. Asennusohjeet Huvimajoille. Tarvittavat työvälineet asennuksessa. Perustus. Pohja

A* Reitinhaku Aloittelijoille

Rakennusprojekti Rakenna penkki, joka on samalla säilytyslaatikko

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Transkriptio:

1 VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA MOTIVOINTI Tutustutaan laservalon käyttöön aaltooptiikan mittauksissa. Tutkitaan laservalon käyttäytymistä yhden ja kahden kapean raon takana. Määritetään laservalon aallonpituus. Laseria voidaan käyttää prosessiteollisuudessa jatkuvana ja tarkkana mittalaitteena. TEORIAA I Valon taipuminen (diffraktio) kapeassa raossa Rako AB (ks. Kuva 1.) on kohtisuorassa paperin tasoa vastaan. Raon tasossa on laserin valolla joka kohdassa sama vaihe. Huygensin periaatteen mukaan jokaisesta raon pisteestä lähtee raon taakse etenemään samassa vaiheessa oleva valoaalto. Nämä aallot interferoivat keskenään. Interferenssin seurauksena syntyy raon takana olevalle varjostimelle jaksottainen intensiteettijakautuma. Kuva 1. Kuvaan on piirretty raon AB taakse pisteeseen P kolmen valonsäteen reitit. Ylimmän ja alimman valonsäteen kulkema matkaero on = a sin θ. Koska valoaaltojen matkat raon AB takana sijaitsevan varjostimen keskipisteessä olevaan leikkauspisteeseen ovat raon reunoilta lukien pareittain yhtä pitkät, saadaan tähän intensiteettijakautuman keskipisteeseen valaistu kohta. Ensimmäisen kerran valo häviää kohdassa P, jos reunasäteiden matkaero on käytetyn valon aallonpituus λ. Voimme nimittäin ajatella raon jaetuksi suun-

nassaan esimerkiksi 100 osaan (yhtä hyvin 1000, 10000, jne.). Ensimmäisen ja 51. säteen matkaero on λ/2 samoin 2. ja 52., jne. joten valoaallot hävittävät toisensa pisteessä P. Toisen kerran valo häviää, kun matkaero on 2λ; kolmannen kerran, kun matkaero on 3λ. Kuvan (1) mukaan saadaan intensiteettiminimien paikat määräävä yhtälö missä k = 1, 2, 3,. a sinθ = kλ, (1) 2 Kuva 2. Kuvassa varjostimelle syntyvä taipumis- eli diffraktiokuvio yhden kapean raon tapauksessa. Minimien avulla voidaan määrätä käytetyn laservalon aallonpituus λ, jos tunnetaan raon leveys a sekä mitataan minimien poikkeamat y i (i=1,2,3, ) intensiteettijakautuman keskikohdasta ja varjostimen etäisyys D raosta AB. asinθ y 1 λ = a, (2) k D k missä k = 1, 2, 3,. Jos y on paljon pienempi kuin D, niin yhtälön (2) likimääräinen yhtäsuuruus pätee. II Valon taipuminen (diffraktio) kahdessa kapeassa raossa Kuva 3. Kaksi kapeaa rakoa, joiden leveydet ovat a ja niiden välimatka on d.

Jos toinen kuvan (3) raoista peitetään, saadaan varjostimelle kuvan (2) mukainen yhden raon intensiteettijakautuma. Jos taas toinen peitetään, saadaan edellisen päälle sen kanssa yhtenevä intensiteettijakautuma (rakojen pieni välimatka -luokkaa 0,1 mm ei vaikuta varjostimen noin 20 cm kuvioon huomattavia eroja). Samaan aikaan vaikuttavina eri raoista lähtevät valoaallot interferoivat keskenään. Tästä on seurauksena, että yhden raon intensiteettijakautumaan syntyy uusia pimeitä kohtia. Yhden raon maksimit jakautuvat näin ollen osiin. Osamaksimit sattuvat kohdille, jotka saadaan yhtälöstä d sinθ = nλ, (3) missä n = 0,1,2,. Rakojen lukumäärän lisääntyessä osamaksimit tulevat terävimmiksi (kapenevat) säilyen paikoillaan (yhtälö (3) voimassa). Suuretta n nimitetään interferenssin kertaluvuksi. Jos käytetty valo sisältää useampia aallonpituuksia, suuretta n kutsutaan spektrin kertaluvuksi. Yhtälön (3) perusteella voidaan määrittää joko käytetyn valon aallonpituus tai, jos se tunnetaan, niin rakojen välimatka d λ D d = n n λ. (4) sinθ y Yhtälön (4) likimääräinen yhtäsuurus pätee, jos varjostimen etäisyys rakosysteemistä D on paljon suurempi kuin osamaksimien etäisyys y. 3 Kuva 4. Tämä on taipumiskuvio kahden kapean raon tapauksessa (d = 3a).

4 II Laserin käyttö valon suuntauksessa Lasersuihku voidaan jakaa suoraksi viivaksi suuntaamalla se kohtisuorasti keskelle ohutta (luokkaa 5 mm) umpinaista lasitankoa. Tapahtuma on esitetty kuvassa (5). Kuva 5. Laser-valon jakaminen suoraksi viivaksi. Laserviivaa voidaan käyttää teollisuudessa ja rakentamisessa esiintyvissä suuntaustilanteissa. Laserviiva on suhteellisen helppo saada liikkumaan ohjatusti esimerkiksi kuvan (6) mukaisella järjestelyllä. Kuva 6. Laserviivan liikuttaminen. Peiliä 2 kiertämällä saadaan lasersuihku liikkumaan pitkin lasitankoa ja laserviiva liikkumaan ylhäältä katsottuna kuvan (7) mukaisesti. Kuva 7. Laserviivan liike ylhäältä katsottuna.

5 TYÖN SUORITUS JA TULOSTEN ARVIOINTI ÄLÄ KOSKAAN KATSO SUORAAN LASERVALOA KOHTI! I) Aseta yhden raon elementti optiseen penkkiin siten, että laservalo osuu suoraan rakoon. Säädä raon ja varjostimen etäisyys sopivaksi tarkastelemalla silmämääräisesti varjostimelle syntyvän diffraktiokuvion terävyyttä. Aseta varjostimelle A4 paperiarkki, ja merkitse siihen jokainen havaittavissa olevan minimi sekä intensiteettijakautuman keskikohta. Määrää minimien poikkeamat y i mittaamalla paperiarkille merkityt välimatkat 2y i (i = 1,2,3, ) (ks kuva (2)). Mittaa myös varjostimen etäisyys D. II) Kahden raon tapauksessa aseta kahden raon elementti optiseen penkkiin ja tarkista rakosysteemin tiedoista rakojen välimatka d. Mittaa osamaksimien etäisyys intensiteettijakautuman keskikohdasta välimatkojen 2y 2, 2y 4, 2y 5 ja 2y 7 perusteella. Yhden raon tapauksessa määrää laservalon aallonpituus λ ja kahden raon tapauksessa määrää rakojen välimatka d virherajoineen.