Номер 1, страница 253 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Что надо изменить в спектральном аппарате, если вместо призмы использовать дифракционную решётку?

При замене призмы на дифракционную решётку в спектральном аппарате необходимо внести существенные изменения, так как принцип их действия различен. Призма разлагает свет в спектр благодаря явлению дисперсии — зависимости показателя преломления вещества от длины волны света $n(\lambda)$. В призматическом спектре сильнее всего отклоняются коротковолновые лучи (фиолетовые), а слабее всего — длинноволновые (красные). Дифракционная решётка, в свою очередь, формирует спектр за счёт явлений дифракции и интерференции света.

Во-первых, необходимо изменить положение и ориентацию самого диспергирующего элемента. Если призма обычно устанавливается в положение наименьшего отклонения для получения наиболее чёткого изображения спектра, то дифракционную решётку следует располагать так, чтобы падающий на неё параллельный пучок света от коллиматора был перпендикулярен её плоскости.

Во-вторых, нужно изменить положение наблюдательной части прибора (зрительной трубы или детектора). После прохождения решётки свет дифрагирует под разными углами $\theta$ для разных длин волн $\lambda$ в соответствии с условием максимумов для дифракционной решётки: $d \sin\theta = k\lambda$, где $d$ — период решётки, а $k = 0, \pm1, \pm2, \dots$ — порядок спектра. В направлении падающего пучка (при $k=0$) будет наблюдаться яркий недефрагировавший свет (центральный или нулевой максимум), который будет белым для белого света. Спектры первого, второго и последующих порядков будут располагаться симметрично по обе стороны от центрального максимума. Таким образом, зрительную трубу нужно будет сместить из положения наблюдения спектра от призмы в новое положение, чтобы наблюдать один из дифракционных спектров (чаще всего используют самый яркий спектр первого порядка, $k=1$).

В-третьих, следует учитывать, что изменится сам вид наблюдаемого спектра.

• Порядок цветов в дифракционном спектре будет обратным по сравнению с призматическим: наиболее сильно отклоняются красные лучи (имеющие большую длину волны), а наименее — фиолетовые.
• В отличие от единственного спектра у призмы, решётка даёт несколько спектров разных порядков, которые могут частично перекрываться друг с другом.
• Спектр, полученный с помощью решётки, является практически линейным (его называют "нормальным"), что означает, что угловое расстояние между спектральными линиями примерно пропорционально разности их длин волн. Это упрощает идентификацию и измерение. Спектр призмы, напротив, неравномерен: он сжат в красной области и растянут в фиолетовой.

Ответ: Чтобы использовать в спектральном аппарате дифракционную решётку вместо призмы, необходимо: 1) заменить призму на решётку, установив последнюю перпендикулярно падающему на неё световому пучку; 2) переместить и перенастроить зрительную трубу (или другой детектор) для наблюдения спектра одного из порядков дифракции (например, первого), так как он будет расположен под другим углом, нежели спектр от призмы; 3) при анализе спектра учитывать, что порядок цветов в нём будет обратным (красный отклоняется сильнее фиолетового), а также возможно существование спектров нескольких порядков.