Μέτρηση μήκους κύματος λέιζερ: 4 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Γεια σε όλους, καλώς ήλθατε σε ένα άλλο διδακτικό! Αυτή τη φορά ήθελα να κάνω ένα πραγματικά εύκολο εκπαιδευτικό που μπορείτε να κάνετε ως βραδινό ή σαββατοκύριακο έργο. Ως μέρος της συνεχούς εκμάθησής μου στη φασματοφωτομετρία, πειραματιζόμουν με σχάρες περίθλασης και μονοχρωματικούς, και έπεσα πάνω στο "πείραμα διπλής σχισμής του Young". Αυτή είναι μια συναρπαστική παρατήρηση για το πώς το φως ταξιδεύει (σε κύματα) και αποκαλύπτει την επίδραση της περίθλασης για διαφορετικά μήκη κύματος φωτός.

Αποφάσισα να δοκιμάσω και να επαναλάβω το πείραμα για να μάθω μόνος μου πώς λειτούργησε με κάποιους δείκτες λέιζερ και να δω αν θα μπορούσα να κάνω το πείραμα να λειτουργήσει.

Βήμα 1: Προαπαιτούμενα και ασφάλεια

Τα λέιζερ είναι πραγματικά δροσερά, αλλά μια προειδοποίηση πριν συνεχίσουμε! Κοιτάζοντας ένα λέιζερ ή μια ισχυρή δέσμη ακτίνας μπορεί να σας τυφλώσει. Όπου είναι δυνατόν, θα συνιστούσα τη χρήση γυαλιών ασφαλείας φιλτραρισμένων χρωμάτων για να αποφύγετε τα αδέσποτα δοκάρια να βλάψουν τα μάτια σας.

Οι δείκτες λέιζερ πωλούνται συχνά ως "παιχνίδια γάτας" και μου αρέσει να πειράζω τη γάτα μου με αυτό, αλλά βρήκα το πράσινο πολύ δυνατό (σχεδόν πολύ φωτεινό για να το κοιτάξω). Υποστηρίζουν επίσης ότι είναι μικρότερη από 5 mW ισχύος, αλλά βρήκα μεγάλη διαφορά μεταξύ των εντάσεων κάθε χρώματος (μπορώ να κάνω έναν οπτικό μετρητή ισχύος για να το μετρήσω αυτό σε ξεχωριστό οδηγό;). Αμφιβάλλω αν η ετικέτα ταιριάζει με την πραγματικότητα, την οποία σύντομα θα ανακαλύψουμε όταν μετρήσουμε τα μήκη κύματος.

Αγόρασα τα ακόλουθα υλικά για το πείραμα:

• x3 δείκτες λέιζερ (κόκκινο, πράσινο, μπλε)
• Μια στάση ανταπόκρισης
• Διαφάνεια σχάρας με περίθλαση (500 γραμμές ανά mm)
• Χαρτί και στυλό
• Μπουλντόγκ πιάνει
• Μετρητής χάρακας
• Γυαλιά ασφαλείας

Βήμα 2: Ρύθμιση εξοπλισμού

Η βάση πρέπει να είναι ρυθμισμένη έτσι ώστε ο δείκτης λέιζερ να είναι στραμμένος προς τα κάτω προς το πλέγμα περίθλασης. Το λέιζερ θα περάσει από το πλέγμα και θα προβληθεί σε ένα κομμάτι χαρτί στο κάτω μέρος (την οθόνη). Για να το ρυθμίσετε ακολουθήστε αυτά τα απλά βήματα:

1. Τοποθετήστε ένα κομμάτι χαρτί στο κάτω μέρος της βάσης για να φτιάξετε μια οθόνη
2. Τοποθετήστε τον κάτω βραχίονα της βάσης επαναφοράς περίπου 10 cm πάνω από τη βάση
3. Συνδέστε το πλέγμα περίθλασης στον κάτω βραχίονα και στερεώστε το με μια λαβή μπουλντόγκ
4. Τοποθετήστε τον άνω βραχίονα πάνω από το πλέγμα περίθλασης (η απόσταση πάνω από το πλέγμα δεν έχει σημασία)
5. Συνδέστε το λέιζερ στον άνω βραχίονα έτσι ώστε να στοχεύεται έτσι ώστε η δέσμη να περνά μέσα από το πλέγμα περίθλασης
6. Βάλτε τον εξοπλισμό ασφαλείας σας και, στη συνέχεια, είστε έτοιμοι να τραβήξετε μερικά λέιζερ!

Βήμα 3: Πειραματιστείτε

Για να βρείτε το μήκος κύματος του λέιζερ πρέπει να μετρήσετε τον διαχωρισμό περιθωρίου. Για να το κάνετε αυτό ακολουθήστε αυτήν τη μέθοδο:

1. Όταν τα λέιζερ χτυπήσουν το χαρτί (οθόνη) γράψτε με ένα στυλό όπου εμφανίζονται τα φωτεινά σημεία (αυτά είναι γνωστά ως δάχτυλα). Βεβαιωθείτε ότι έχετε γράψει το μεσαίο και αυτά και στις δύο πλευρές.
2. Επαναλάβετε το βήμα 1 για κάθε χρώμα, σημειώνοντας τα περιθώρια στο χαρτί
3. Μόλις το κάνετε αυτό για όλα τα λέιζερ, μετρήστε την απόσταση μεταξύ του μεσαίου περιθωρίου και του 1ου περιθωρίου δίπλα του (αυτό είναι γνωστό ως περιθώριο 1ης τάξης).

(Θα παρατηρήσετε ότι υπάρχει μια ασυμφωνία μεταξύ της εικόνας και αυτού που έχω καταγράψει στα αποτελέσματά μου αργότερα. Αυτό συμβαίνει επειδή το έκανα μερικές φορές για να προσδιορίσω την αβεβαιότητα στη μέτρηση).

Πώς σχετίζεται όμως αυτό με το μήκος κύματος; Η εξίσωση είναι λάμδα = (a * x) / d, όπου «λάμδα» είναι το μήκος κύματος σε μέτρα, «α» είναι η απόσταση μεταξύ των σχισμών στο πλέγμα περίθλασης, «x» είναι ο διαχωρισμός περιθωρίου και «d» είναι την απόσταση μεταξύ της οθόνης και του πλέγματος. Όλα αυτά είναι διαθέσιμα για να τα αντικαταστήσετε στην εξίσωση για να σας δώσουμε το μήκος κύματος.

Αλλά μπορείτε να ρωτήσετε "πώς ξέρω τι είναι το" α ";". Λοιπόν, αν γνωρίζουμε ότι το πλέγμα έχει 500 'γραμμές' ανά mm, αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν 500, 000 γραμμές ανά m. Εάν διαιρέσουμε 1m με 500, 000 γραμμές, παίρνουμε την απόσταση μεταξύ τους που είναι 2 μm. Μαζί με τα x και d μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε το μήκος κύματος.

Θυμηθείτε ότι όλες αυτές οι αποστάσεις είναι σε μέτρα. Το μήκος κύματος εκφράζεται συνήθως νανομέτρα (10^-9 m), οπότε θα πρέπει να λάβετε υπόψη εάν θέλετε να μετατρέψετε την απάντησή σας σε νανομέτρα ή απλά να εκφράσετε ότι είναι κάτι φορές 10^-9.

Βήμα 4: Αποτελέσματα

Επανέλαβα αυτό το πείραμα για να μπορέσει να παραχθεί το παραπάνω γράφημα. Στον πίνακα μπορείτε να δείτε δύο σειρές (min και max). Αυτά είναι τα μέγιστα και τα ελάχιστα μήκη κύματος που υποδεικνύονται στα ίδια τα λέιζερ, οπότε ήξερα περίπου ποιο θα πρέπει να είναι το μήκος κύματος για να δω εάν πήρα τη σωστή απάντηση.

Κοιτάζοντας τους υπολογισμούς, οι μετρήσεις μου δεν βρίσκονται εντός του μέγιστου και του ελάχιστου ορίου, αλλά είναι τουλάχιστον συνεπείς. Η διαφορά μεταξύ του μετρηθέντος και του αναμενόμενου ήταν μεταξύ 4% και 10%. Δεν έκανα πλήρη μέτρηση αβεβαιότητας αλλά είναι προφανές ότι θα υπάρξει αβεβαιότητα από τις τεχνικές μέτρησης (δηλαδή η μέτρηση της απόστασης από την οθόνη στην οθόνη δεν είναι απόλυτα κάθετη κ.λπ.). Ακόμα και με κάποιο μη καταγεγραμμένο σφάλμα, πιστεύω ότι αυτή είναι μια δίκαιη αναπαράσταση των πραγματικών μηκών κύματος και αποδεικνύει τέλεια το πείραμα της διπλής σχισμής.

Εάν ενδιαφέρεστε να δείτε το πλήρες σύνολο αποτελεσμάτων, έχω επισυνάψει το αρχείο excel που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να εκτελέσετε τις δικές σας μετρήσεις. Είμαι τώρα στη διαδικασία να παίξω με φακούς και ανακλαστήρες, ενημερώστε με αν θα σας ενδιέφερε ένα εκπαιδευτικό σε αυτό και πείτε μου τι πιστεύετε για αυτό το γρήγορο οδηγό στα σχόλια.