ID: 00017584
Плоская монохроматическая световая волна падает по нормали на дифракционную решётку с периодом 5 мкм. Параллельно решётке позади неё размещена собирающая линза с фокусным расстоянием 25 см. Дифракционная картина наблюдается на экране в задней фокальной плоскости линзы. Расстояние между её главными максимумами 1-го и 2-го порядка равно 30 мм. Найдите длину падающей волны. Считать для малых углов $\sin\alpha \approx \mathrm{tg}\,\alpha \approx \alpha$.
Источник: ФИПИ
$d = 5$ мкм $= 5\cdot 10^{-6}$ м — период решётки
$F = 25$ см $= 0,25$ м — фокусное расстояние линзы
$\Delta x = 30$ мм $= 0,03$ м — расстояние между максимумами 1-го и 2-го порядков
малые углы: $\sin\alpha \approx \mathrm{tg}\,\alpha \approx \alpha$
Найти: длину волны $\lambda$
Решётка раскладывает свет на «лучики-направления»: для каждого порядка $m$ свой угол $\alpha_m$. Линза собирает все параллельные лучи одного направления в одну точку своей фокальной плоскости — то есть каждому углу соответствует своё пятно на экране, и чем больше угол, тем дальше пятно от центра. Найдём, на сколько сдвигается пятно при переходе от 1-го порядка ко 2-му, и из этого вытащим $\lambda$.
1) Условие максимумов решётки. Главный максимум порядка $m$ идёт под углом $\alpha_m$, где
$$d\,\sin\alpha_m = m\,\lambda.$$
Почему так: соседние щели дают волны, и чтобы они усилились, их «отставание» по пути ($d\sin\alpha$) должно укладываться целым числом длин волн $m\lambda$.
2) Где пятно на экране. Линза переводит угол в смещение: луч, идущий под углом $\alpha$, фокусируется в точке на расстоянии $x = F\,\mathrm{tg}\,\alpha$ от центра. Углы малые, поэтому $\mathrm{tg}\,\alpha \approx \sin\alpha \approx \alpha$. Тогда
$$x_m = F\,\mathrm{tg}\,\alpha_m \approx F\,\sin\alpha_m = F\cdot \frac{m\lambda}{d}.$$
3) Расстояние между порядками. Берём разность для $m=2$ и $m=1$:
$$\Delta x = x_2 - x_1 = \frac{F\lambda}{d}\,(2 - 1) = \frac{F\lambda}{d}.$$
Удобно: расстояние между соседними порядками одинаково и равно $F\lambda/d$. Отсюда выражаем длину волны:
$$\lambda = \frac{\Delta x \cdot d}{F}.$$
4) Подстановка.
$$\lambda = \frac{0{,}03 \cdot 5\cdot 10^{-6}}{0{,}25} = \frac{1{,}5\cdot 10^{-7}}{0{,}25} = 6\cdot 10^{-7} \text{ м} = 600 \text{ нм}.$$
λ = 600 нм