Тема: Оптика
Урок: Практическая работа по теме «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Название: «Наблюдение интерференции и дифракции света».
Цель: экспериментально изучить интерференцию и дифракцию света.
Оборудование: лампа с прямой нитью накала, 2 стеклянные пластины, проволочная рамка, мыльный раствор, штангенциркуль, плотная бумага, кусок батиста, капроновая нить, зажим.
Опыт 1
Наблюдение картины интерференции с помощью стеклянных пластин.
Берем две стеклянные пластины, перед этим тщательно их протираем, затем плотно складываем и сжимаем. Ту интерференционную картину, которую увидим в пластинах, нужно зарисовать.
Чтобы увидеть изменение картины от степени сжатия стекол, необходимо взять устройство зажима и с помощью винтов сжать пластины. В результате этого картина интерференции изменяется.
Опыт 2
Интрференция на тонких пленках.
Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции.
Опыт 3
Интерференция на мыльных пузырях.
Для наблюдения воспользуемся мыльным раствором. Выдуваем мыльные пузыри. То, как пузыри переливаются, это и есть интерференция света (см. Рис. 1).
Рис. 1. Интерференция света в пузырях
Картина, которую мы наблюдаем, может выглядеть следующим образом (см. Рис. 2).
Рис. 2. Интерференционная картина
Это интерференция в белом свете, когда мы положили линзу на стекло и осветили ее простым белым светом.
Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) (см. Рис. 3).
Рис. 3. Использование светофильтров
Теперь перейдем к наблюдению дифракции.
Дифракция - это волновое явление, присущее всем волнам, которое наблюдается на краевых частях каких-либо предметов.
Опыт 4
Дифракция света на малой узкой щели.
Создадим щель между губками штангенциркуля, с помощью винтов передвигая его части. Для того чтобы пронаблюдать дифракцию света, зажмем между губками штангенциркуля лист бумаги, таким образом, чтобы потом этот лист бумаги можно было вытащить. После этого перпендикулярно подносим эту узкую щель вплотную к глазу. Наблюдая через щель яркий источник света (лампу накаливания), можно увидеть дифракцию света (см. Рис. 4).
Рис. 4. Дифракция света на тонкой щели
Опыт 5
Дифракция на плотной бумаге
Если взять плотный лист бумаги и сделать бритвой надрез, то, поднеся этот разрез бумаги вплотную к глазу и меняя расположение соседних двух листочков, можно наблюдать дифракцию света.
Опыт 6
Дифракция на малом отверстии
Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света (см. Рис. 5).
Изменение дифракционной картины зависит от величины отверстия.
Рис. 5. Дифракция света на малом отверстии
Опыт 7
Дифракция света на кусочке плотной прозрачной ткани (капрон, батист).
Возьмем батистовую ленту и, расположив ее на небольшом расстоянии от глаз, посмотрим сквозь ленту на яркий источник света. Мы увидим дифракцию, т.е. разноцветные полосы и яркий крест, который будет состоять из линий дифракционного спектра.
На рисунке представлены фотографии дифракции, которую мы наблюдаем (см. Рис. 6).
Рис. 6. Дифракция света
Отчет: в нем должны быть представлены рисунки интерференции и дифракции, которые наблюдались в ходе работы.
Изменение линий характеризует, как происходит та или иная процедура преломления и сложения (вычитания) волн.
На основании дифракционной картины, полученной от щели, создан специальный прибор - дифракционная решетка . Она представляет собой набор щелей, через которые проходит свет. Этот прибор нужен для того, чтобы проводить детальные исследования света. Например, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны.
- Физика ().
- Первое сентября. Учебно-методическая газета ().
Задание 1. Наблюдение интерференции света на воздушной пленке.
1. Стеклянные пластины тщательно протереть, сложить вместе и сжать пальцами.
2. Рассматривать пластины в отраженном свете на темном фоне (располагать их надо так, чтобы на поверхности стекла не образовались слишком яркие блики от окон или от белых стен).
3. В отдельных местах соприкосновения пластин наблюдать яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы.
4. Заметить изменения формы и расположения полученных интерференционных полос с изменением нажима.
5. Попытаться увидеть интерференционную картину в проходящем свете.
6. Зарисуйте увиденные вами картинки.
Ответьте на вопросы:
a) Почему в отдельных местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
b) Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение полученных интерференционных полос?
Задание 2. Наблюдение интерференции света на мыльной пленке.
1. Сделать мыльный раствор.
2. На проволочном кольце получить мыльную пленку и расположить его вертикально.
3. В затемненном классе наблюдать на пленке появление светлых и темных полос.
4. Осветить мыльную пленку светом от лампы или фонаря.
5. Наблюдать окрашенность светлых полос в спектральные цвета.
6. Посчитайте число полос одного цвета, которые одновременно наблюдаются на пленке.
7. Определите, изменяются ли ориентация и форма полос при повороте рамки в вертикальной плоскости.
8. Зарисуйте увиденные вами картины.
Ответьте на вопросы:
a) Чем объясняется наличие светлых и темных полос в начале эксперимента?
b) Почему, при освещении пленки светом появились спектральные цвета?
c) Почему полосы расширяясь и сохраняя свою форму, стекают вниз?
Задание 3. Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре.
1. Выдуйте мыльный пузырь.
2. При освещении его белым светом пронаблюдайте образование цветных интерференционных колец.
Ответьте на вопросы:
a) Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
b) Почему окраска пузыря все время меняется?
c) Какую форму имеют радужные полосы?
Задание 4. Цвета побежалости.
1. Возьмите с помощью пинцета лезвие безопасной бритвы и нагрейте его над пламенем горелки.
2. Зарисуйте наблюдаемую картину.
Ответьте на вопросы:
a) Какое явление вы наблюдали?
b) Как его можно объяснить?
c) Какие цвета и в каком порядке появлялись на лезвии при его нагревании?
Изучение дифракции света.
Задание 1. Наблюдение дифракции света на узкой щели.
1. Установить между губками штангенциркуля щель шириной 0,5 мм.
2. Приставить щель вплотную к глазу, расположив ее вертикально.
3. Смотря сквозь щель на вертикально расположенную светящуюся нить лампы, наблюдать по обе стороны нити радужные полосы (дифракционные спектры).
4. Изменяя ширину щели от 0,5 до 0,8 мм, заметить, как это изменение влияет на дифракционные спектры.
5. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину.
Задание 2. Наблюдение дифракции на капроновой ткани.
1. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы.
2. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.
3. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест.
Ответьте на вопросы:
a) Почему получился данный дифракционный крест?
b) Чем объясняется появление спектральных цветов?
Задание 3. Наблюдение дифракции света на лазерном диске.
1. Положите горизонтально на уровне глаз компакт-диск.
2. Зарисуйте данную картину.
Ответьте на вопросы:
a) Что наблюдается на диске?
b) Какие явления вы наблюдали?
ПРИЛОЖЕНИЕ
Дифракция света
– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами. Для наблюдения дифракции можно:
Пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.
Или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.
Дифракционная решетка - это оптический прибор для измерения длины световой волны.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Если на решетку падает монохроматическая волна, то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.
Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.
d = a + b - период дифракционной решетки
a - ширина щели; b - длина
d = 1/N - постоянная дифракционной решетки.
N - Число штрихов.
φ - угол отклонения световых волн вследствие дифракции
φ = kλ - формула дифракционной решетки.
k - Порядок максимума (0, ±1, ±2, ...)
λ = - длина волны
Интерференция света - пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы интенсивности, а в других - минимумы (интерференционная картина).
Условие максимума: Условие минимума:
Применение интерференции света:
1. Измерение длин с очень большой точностью; это позволило дать легко воспроизводимое и достаточно точное определение единицы длины - метра, в зависимости от длины волны оранжевой линии криптона. Интерференционные компараторы позволяют сравнивать размеры до 1 метра с точностью до 0,05 мкм; меньшие размеры могут быть измерены с еще большей точностью. Такая высокая точность обусловлена тем, что изменение разности хода на десятую долю длины волны заметно смещает интерференционные полосы.
2. На явлении интерференции основано действие большого количества оптических приборов под общим названием интерферометры , которые используются для различных измерений. В оптикомеханической промышленности интерферометры используются для контроля качества оптических систем и контроля поверхности отдельных оптических деталей. В металлообрабатывающей промышленности – для контроля чистоты обработки металлических поверхностей. Изучение и контроль полировки зеркальных поверхностей проводится с точностью до сотых долей длины волны.
3. С использованием явления интерференции проводится определение ряда важнейших величин, характеризующих вещества: коэффициента расширения твердых тел (дилатометры), показателя преломления газообразных, жидких и твердых тел (рефрактометры) и т.п. Интерференционные дилатометры позволяют зафиксировать удлинение образца на 0,02 мкм.
4. Широко распространены интерференционные спектроскопы, применяемые для исследования спектрального состава излучения различных веществ.
5. Посредством интерференции поляризованных лучей проводиться определение величин внутренних напряжений в различных деталях (метод фотоупругости).
Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.
Цвета побежалости.
Цвета побежалости - радужная окраска, появляющаяся на чистой поверхности нагретой стали в результате образования на ней тончайшей оксидной плёнки. Толщина плёнки зависит от температуры нагрева стали: плёнки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости (см. табл.). На легированных (в состав которых введены другие металлы для придания определённых свойств) сталях те же цвета побежалости появляются при более высоких температурах.
Лабораторная работа № 13
Тема: «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.
Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капроновая ткань.
Теория:
Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.
Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны .
Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.
Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.
Условие максимума
, (Δd=d 2 -d 1 )
где k=0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…
(разность хода волн равна четному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.
φ А =φ Б - фазы колебаний
Δφ=0 - разность фаз
А=2Х max
Условие минимума
, (Δd=d 2 -d 1 )
где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…
(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.
φ А ≠φ Б - фазы колебаний
Δφ=π - разность фаз
А=0 – амплитуда результирующей волны.
Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.
Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.
Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий .
Условие проявления дифракции : d < λ , где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.
Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.
Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки .
Условие наблюдения дифракционного максимума :
d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - период решетки, φ - угол, под которым наблюдается максимуи, а λ - длина волны.
Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .
Пусть k=1, тогда sinφ кр =λ кр /d и sinφ ф =λ ф /d.
Известно, что λ кр >λ ф, следовательно sinφ кр >sinφ ф . Т.к. y= sinφ ф - функция возрастающая, то φ кр >φ ф
Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.
В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии . В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.
Ход работы:
Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.
Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки
Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.
Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.
Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.
Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.
Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.
Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.
Ответьте на вопросы:
- Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
- Какую форму имеют радужные полосы?
- Почему окраска пузыря все время меняется?
Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.
При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.
Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl
Ответьте на вопросы:
- Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
- Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?
Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).
Объяснение : Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.
Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.
Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.
Опыт 5. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.
Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая щель вертикально). Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы. Наблюдаем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски. Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются, становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину. Объясните наблюдаемые явления .
Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.
Объяснение : В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.
Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.
Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции .
Контрольные вопросы:
- Что такое свет?
- Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
- Что называют интерференцией света? Каковы условия максимума и минимума при интерференции?
- Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
- Что называют дифракцией света?
- Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?
Цель работы: Исследовать зависимость периода колебаний нитяного маятника от длины нити и пружинного маятника – от массы груза.
Оборудование: штатив, линейка, груз на нити, набор грузов, секундомер, пружина.
Пояснения к работе
Нитяной маятник состоит из груза массой m, подвешенном на невесомой нерастяжимой нити длиной l . Зависимость периода колебаний нитяного маятника от длины нити выражается
формулой: .
Пружинный маятник состоит из груза массой m, подвешенном пружине жесткостью k. Зависимость периода колебаний пружинного маятника от массы груза выражается формулой: .
Задания
Соберите нитяной маятник.
Зарисуйте схему опыта.
Измерьте время 15-20 колебаний (число колебаний во всех опытах должно быть одинаковым).
Меняя длину нити (только увеличивая или только уменьшая), измеряйте время колебаний еще 4 раза.
Заполните таблицу 1 результатов измерений и вычислений:
| № опыта | Длина нити, l, м | Промежуток времени, t, с | Период колебаний, | Период колебаний, |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
7. Проверьте вычисления, используя формулу: .
Постройте график зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити.
Соберите пружинный маятник.
Зарисуйте схему опыта.
Определите жесткость пружины:
б) определите силу F, а также измерьте соответствующее удлинение пружины х ;
в) вычислите коэффициент жесткости пружины по формуле: .
Измерьте время 10-15 колебаний (число колебаний во всех опытах должно быть одинаковым).
Меняя массу груза (только увеличивая или только уменьшая), измеряйте время колебаний еще 4 раза.
Определите период колебаний маятника в каждом опыте, используя формулу: Т=t/N.
Заполните таблицу 2 результатов измерений и вычислений:
| № опыта | Масса груза, m, кг | Промежуток времени, t, с | Период колебаний, | Период колебаний, |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Контрольные вопросы
Какие колебания называют свободными?
Как период колебаний связан с частотой?
Изменится ли период колебаний какого-либо тела, если его из воздуха поместить в воду?
Каков физический смысл фазы колебаний?
Литература
Работа рассчитана на 2 часа
Лабораторная работа № 11
Тема: Исследование явлений интерференции и дифракции света
Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.
Оборудование: спички, спиртовка, комочек ваты на проволоке в пробирке, смоченной раствором хлорида натрия, проволочное кольцо с ручкой, стакан с раствором мыла, трубка стеклянная, пластинки стеклянные -2 шт., CD-диск, штангенциркуль, лампа с прямой нитью накаливания, капроновая ткань черного цвета.
Пояснения к работе
Наблюдение интерференции света
Для наблюдения интерференции при монохроматическом излучении в пламя спиртовки вносят комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия. При этом пламя окрашивается в желтый цвет. Опуская проволочное кольцо в раствор мыла, получают мыльную пленку, располагают ее вертикально и рассматривают на темном фоне при освещении желтым светом спиртовки. Наблюдают образование темных и желтых горизонтальных полос и изменение их ширины по мере уменьшения толщины пленки.
В тех местах пленки, где разность хода когерентных лучей равна четному числу полуволн, наблюдаются световые полосы, а при нечетном числе полуволн - темные полосы.
При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху синий цвет, внизу - красный. С помощью стеклянной трубки на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещают вниз.
Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг с другом стеклянных пластинок.
Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.
При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяются как в отраженном, так и в проходящем свете.
Особенно наглядно явление интерференции отраженных световых лучей наблюдается при рассмотрении поверхности CD-диска.
Наблюдение дифракции света
Дифракция света проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании волнами препятствий, в проникновении света в область геометрической тени.
В качестве неоднородности среды в работе используют щель между губками штангенциркуля. Сквозь эту щель смотрят на вертикально расположенную нить горящей лампы. При этом по обе стороны от нити, параллельно ей, видны радужные полосы. При уменьшении ширины щели полосы раздвигаются, становятся шире и образуют ясно различимые спектры. Этот эффект наблюдается особенно хорошо при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси.
Другую дифракционную картину наблюдают на тонкой нити. Рамку с нитью располагают па фоне горящей лампы параллельно нити накала. Удаляя и приближая рамку к глазу, получают дифракционную картину, когда светлые и темные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине, в области ее геометрической тени, наблюдается светлая полоса.
На капроновой ткани можно наблюдать дифракционную картину. В капроновой ткани имеется два выделенных взаимно перпендикулярных направления. Поворачивая ткань вокруг оси, смотрят сквозь ткань на нить горящей лампы, добиваясь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос (дифракционный крест). В центре креста виден дифракционный максимум белого цвета, а в каждой полосе - по несколько цветов.
Задания
Самостоятельно изучите методическое указание по выполнению лабораторной работы.
Выполните опыты по наблюдению интерференции света.
Опыт 2 : рассмотрите мыльную пленку при освещении ее белым светом (от окна или лампы).
Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.
Опыт 3 : выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.
Опыт 4 : сожмите друг с другом две стеклянные пластинки. Опишите наблюдаемую интерференционную картину. Определите изменение интерференционной картины при увеличении силы, сжимающей пластины.
Опыт 5 : возьмите CD-диск и направьте на него световые лучи от лампочки. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска.
Выполните опыты по наблюдению дифракции света.
Опыт 2: возьмите капроновую ткань и посмотрите сквозь нее на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест, опишите его.
Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, рисунки интерференционной и дифракционной картин, их описание и объяснения, выводы по работе.
Контрольные вопросы
Дайте определения интерференции и дифракции света.
При каком условии наблюдается интерференционная картина?
Назовите условие когерентности световых волн.
Что доказывает явление интерференции света.
Приведите примеры дифракции света.
Литература
Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.
Работа рассчитана на 2 часа
Лабораторная работа № 12
Тема: Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки
Цель работы: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.
Оборудование: источник света, дифракционная решетка, прибор для измерения длины световой волны.
Пояснения к работе
Дифракционную решетку используют для разложения света в спектр и измерения длины световой волны. Простейшая дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которой с помощью точной делительной машины нанесены параллельно друг другу царапины и установлены узкие неповрежденные полоски. Процарапанные места непрозрачны для света, и световые волны, подходя к решетке, огибают это царапины. Принято называть периодом решетки d сумму размеров прозрачной и непрозрачной полос. Например, если на дифракционной решетке имеется 100 штрихов на 1 мм, то период решетки d=0,01 мм.
Пусть на решетку по нормали падает параллельный монохроматический (все волны имеют одну длину волны) пучок света. Свет, проходя через узкие щели, испытывает дифракцию, и лучи под разными углами отклоняются от первоначального направления. Каждую щель дифракционной решетки можно считать самостоятельным источником когерентных излучений. Поэтому в каждой точке экрана будет происходить сложение многочисленных лучей, приходящих от каждой щели дифракционной решетки, и возникает их интерференция. Так как исходная световая волна падает на решетку нормально, то начальные фазы всех лучей одинаковы. Расстояние от решетки до экрана значительно больше ее размеров, поэтому лучи из различных щелей, инфрагирующие под одним и тем же углом Θ, будут попадать в одну и ту же точку на экране. Ее координата b определяется выражением:
sin Θ ≈ tg Θ = b/a ,
где принято, что углы дифракции малы, поэтому можно заменить значение синуса тангенсом. Разность хода этих лучей связана с углом дифракции соотношением:
Если разность хода лучей равна целому числу m=1,2,3,…длин волн, то: ∆ = m λ, и при сложении они взаимно усиливают друг друга, и наблюдается максимум, который называется главным дифракционным максимумом порядка m.
Углы дифракции, соответствующие главным максимумам, определяются из формулы:
∆=d sin Θ m = mλ.
Правая часть этого уравнения называется уравнением дифракционной решетки. Как видно из него, положение дифракционного максимума зависит от длины волны и порядка максимума m: чем больше длина волны света и номер порядка, тем больше угол дифракции. Поэтому при освещении решетки белым светом лучи с различной длиной волны дифрагируют под различными углами, и в результате дифракционный максимум преобразуется в спектр. На экране при этом образуется набор спектров, которые могут частично перекрывать друг друга (каждому значению порядка дифракции m соответствует один спектр). Предельное число спектров, которое можно получить при помощи решетки, определяет отношение: m max =d/λ.
При m=0 изображение создается пучком, параллельным падающему пучку света (Θ=0), и суммируются действия всех лучей независимо от длин волн, поэтому в центре наблюдается световая полоса белого цвета.
Задания
Самостоятельно изучите методическое указание по выполнению лабораторной работы.
Поместите дифракционную решетку в рамку прибора.
Смотря сквозь дифракционную решетку, направьте прибор на источник света так, чтобы последний был виден сквозь узкую прицельную щель экрана. При этом по обе стороны от щели на черном фоне появятся дифракционные спектры нескольких порядков. В случае наклонного положения спектров поверните решетку на некоторый угол до устранения перекоса. Определите положение красной и фиолетовой границы спектра для 1-го и 2-го порядков. Измерьте расстояние от щитка до решетки и рассчитайте длину волны для фиолетового и красного света по формуле:
Расстояние а – от решетки до экрана, расстояние b – от прорези до линии спектра определяемой волны, m – порядок спектра, d – постоянная решетки.
Повторите измерения длин фиолетового и красного света при меньшем расстоянии а от дифракционной решетки.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:
| № опыта | Постоянная решетки, d, мм | Порядок спектра, m | Расстояние от решетки до шкалы, а , мм | Величина отклонения, b, мм | Длина световой волны, λ, мм |
||
| фиолет. | красн. | фиолет | красн. |
||||
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, перечень необходимого оборудования, расчетные соотношения, таблицу с результатами измерений и вычислений, вывод по работе.
Устно ответьте на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
Какие волны (красного или фиолетового света) сильнее дифрагируют и почему?
Дайте определение дифракции света.
Как зависит угол дифракции от периода решетки?
Для чего служит дифракционная решетка?
Как определить длину световой волны?
Литература
Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.
Работа рассчитана на 2 часа
