Внимание! В задаче не требуется оценка погрешности в пунктах, в которых это не указано явно.
Оборудование:
Для измерения интенсивности света, попадающего на фотодиод, соедините последовательно фотодиод, мультиметр, работающий в режиме вольтметра, и батарейку Крона. Красный вывод кроны подключается к красному выводу фотодиода. С помощью вольтметра можно измерять ток, текущий через фотодиод. Этот ток называется фототоком. Сопротивление вольтметра считать известным и равным $R_V = 1~МОм$ во всех частях задачи.
Примечание. Если при таком подключении напряжение на вольтметре сравнялось с напряжением кроны ($\sim 10~В$), то при дальнейшем увеличении интенсивности попадающего на фотодиод излучения показания вольтметра не будут изменяться. Поэтому эффективное измерение интенсивности света, попадающего на фотодиод, возможно только при напряжениях на вольтметре $< 9~В$.
Для питания светодиода соедините последовательно светодиод и две батарейки АА. Красный вывод блока батареек подключается к красному выводу светодиода.
Внимание! Не подключайте светодиод к батарейке Крона! Это приведет к его выходу из строя. Дополнительный светодиод выдаваться не будет.
Вольт-амперная характеристика фотодиода, подключенного согласно инструкции, при двух разных освещённостях выглядит так, как показано на рис. 1. Начиная с напряжения $\sim 2\ В$ вольтамперная характеристика выходит на насыщение по силе тока. Именно этот фототок и будет измеряться в задаче.
Установите светодиод и фотодиод на гониометр так, как указано на рис. 2. Светодиод находится на длинном плече гониометра, фотодиод на коротком. Расположите корпус светодиода и измерительную поверхность фотодиода на одной высоте. Вы можете менять расстояние между светодиодом и фотодиодом, перемещая светодиод по длинному плечу гониометра.
Установите светодиод на гониометр так, чтобы его корпус оказался в центре гониометра (см. рис. 3). Фотодиод расположите на коротком плече гониометра. Аналогично прошлой части согласуйте высоту корпуса светодиода и измерительной плоскости фотодиода.
Прикрепите диафрагму к дифракционной решётке так, чтобы пучок света, попадающий на дифракционную решётку от светодиода, был практически параллельным. Установите дифракционную решётку с диафрагмой в центре гониометра так, чтобы её плоскость оказалась перпендикулярной направлению длинного плеча гониометра (см. рис. 4). На длинное плечо гониометра установите светодиод, на короткое фотодиод. Подберите оптимальные расстояния между элементами установки самостоятельно. Согласуйте по высоте корпус светодиода и измерительную поверхность фотодиода.
Установка позволяет примерно измерить спектр излучения светодиода (см. рис. 5). Спектр излучения имеет максимум при длине волны $\lambda_{led}$.
3.1 Вращая короткое плечо гониометра относительно длинного, определите угол $\varphi_1$, соответствующий первому дифракционному максимуму, отвечающему длине волны $\lambda_{led}$. Во время измерений следите за тем, чтобы излучение светодиода не попадало на фотодиод напрямую, минуя дифракционную решётку.
Замените светодиод на лазерную указку (см. рис. 6). Зажмите кнопку зелёного лазера клипсой. Отрегулируйте высоту фотодиода и положение дифракционной решетки так, чтобы при вращении короткого плеча гониометра относительно длинного на фотодиод попадали все визуально наблюдаемые дифракционные максимумы зелёного лазера.
4.1 Изменяя относительное положение фотодиода и лазера, измерьте зависимость силы тока фотодиода от угла между осью лазера и линией, соединяющей середину щели дифракционной решетки и центральную точку измерительной поверхности фотодиода. Для каждого положения фотодиода перекрывайте лазерный пучок у его выходного окна, и измеряйте фоновое значение силы тока. Проведите измерения в диапазоне от 0 до 40 градусов через каждый градус.
4.2
Рассчитайте разность фототока с лазерным излучением и без в нулевом положении фотодиода $\left(I_{p h}-I_{p h 0}\right)(\varphi=0)$. Рассчитайте разность фототока с лазерным излучением и без во всем диапазоне измеренных углов $\left(I_{p h}-I_{p h 0}\right)(\varphi)$.
Постройте график натурального логарифма отношения измеренных величин $\ln\dfrac{\left(I_{p h}-I_{p h 0}\right)(\varphi)}{\left(I_{p h}-I_{p h 0}\right)(\varphi=0)}$ от угла $\varphi$. Будем называть данную зависимость спектром дифракционной картины.