Temat: Optyka
Lekcja: Praktyczna praca na temat „Obserwacja interferencji i dyfrakcji światła”
Nazwa:„Obserwacja interferencji i dyfrakcji światła”.
Cel: eksperymentalnie badać interferencję i dyfrakcję światła.
Sprzęt: lampa z żarnikiem prostym, 2 płytki szklane, rama druciana, roztwór mydła, suwmiarka, gruby papier, kawałek kambru, nić nylonowa, zacisk.
Doświadczenie 1
Obserwacja wzoru interferencyjnego przy użyciu płytek szklanych.
Bierzemy dwie szklane płytki, przed wykonaniem tej czynności dokładnie je wycieramy, po czym szczelnie składamy i ściskamy. Należy naszkicować wzór interferencji, który widzimy na płytkach.
Aby zobaczyć zmianę obrazu w zależności od stopnia kompresji szkła, należy wziąć urządzenie dociskowe i za pomocą śrub docisnąć płytki. W rezultacie zmienia się wzór interferencji.
Doświadczenie 2
Zakłócenia na cienkich warstwach.
Aby obserwować ten eksperyment, weź wodę z mydłem i drucianą ramkę, a następnie obserwuj, jak tworzy się cienki film. Jeśli rama zostanie opuszczona do wody z mydłem, po jej podniesieniu widoczny będzie film mydlany. Obserwując ten film w świetle odbitym, można dostrzec prążki interferencyjne.
Doświadczenie 3
Ingerencja w bańki mydlane.
Do obserwacji użyjemy roztworu mydła. Dmuchanie baniek mydlanych. Sposób, w jaki mienią się bąbelki, wynika z interferencji światła (patrz rys. 1).
Ryż. 1. Interferencja światła w bąbelkach
Obraz, który widzimy, może wyglądać tak (patrz rysunek 2).
Ryż. 2. Wzór interferencyjny
Jest to interferencja światła białego, gdy nałożymy soczewkę na szkło i oświetlimy ją zwykłym białym światłem.
Jeśli używasz filtrów świetlnych i oświetlasz światłem monochromatycznym, zmienia się wzór interferencji (naprzemienność ciemności i światła). jasne paski) (patrz ryc. 3).
Ryż. 3. Korzystanie z filtrów
Przejdźmy teraz do obserwacji dyfrakcji.
Dyfrakcja jest zjawiskiem falowym właściwym dla wszystkich fal, które obserwuje się na krawędziach dowolnych obiektów.
Doświadczenie 4
Dyfrakcja światła na małej wąskiej szczelinie.
Stwórzmy szczelinę pomiędzy szczękami zacisku przesuwając jego części za pomocą śrub. Aby obserwować dyfrakcję światła, zaciskamy kartkę papieru pomiędzy szczękami suwmiarki, aby następnie można było tę kartkę wyciągnąć. Następnie przybliżamy tę wąską szczelinę prostopadle blisko oka. Obserwując jasne źródło światła (żarówkę) przez szczelinę, można zobaczyć dyfrakcję światła (patrz ryc. 4).
Ryż. 4. Dyfrakcja światła na cienkiej szczelinie
Doświadczenie 5
Dyfrakcja na grubym papierze
Jeśli weźmiesz grubą kartkę papieru i wykonasz nacięcie brzytwą, to przybliżając ten kawałek papieru do oka i zmieniając położenie dwóch sąsiednich kartek, możesz zaobserwować dyfrakcję światła.
Doświadczenie 6
Dyfrakcja małej apertury
Do obserwacji takiej dyfrakcji potrzebujemy grubej kartki papieru i szpilki. Za pomocą szpilki wykonaj małą dziurkę w arkuszu. Następnie przybliżamy otwór do oka i obserwujemy jasne źródło światła. Widoczna jest w tym przypadku dyfrakcja światła (patrz rys. 5).
Zmiana wzory dyfrakcyjne s zależy od wielkości otworu.
Ryż. 5. Dyfrakcja światła na małej aperturze
Doświadczenie 7
Dyfrakcja światła na kawałku gęstej przezroczystej tkaniny (nylon, cambric).
Weźmy taśmę cambric i umieszczając ją w niewielkiej odległości od oczu, spójrz przez taśmę na jasne źródło światła. Zobaczymy dyfrakcję, tj. wielokolorowe paski i jasny krzyż, który będzie składał się z linii widma dyfrakcyjnego.
Rysunek przedstawia fotografie obserwowanej dyfrakcji (patrz ryc. 6).
Ryż. 6. Dyfrakcja światła
Raport: powinna przedstawiać zaobserwowane w trakcie pracy wzory interferencyjne i dyfrakcyjne.
Zmiana linii charakteryzuje sposób, w jaki zachodzi szczególna procedura załamania i dodawania (odejmowania) fal.
Na podstawie wzoru dyfrakcyjnego uzyskanego ze szczeliny stworzono specjalne urządzenie - siatka dyfrakcyjna. Jest to zespół szczelin, przez które przechodzi światło. Urządzenie to jest potrzebne do prowadzenia szczegółowych badań światła. Na przykład siatkę dyfrakcyjną można wykorzystać do określenia długości fali światła.
- Fizyka().
- Pierwszy września. Gazeta edukacyjno-metodologiczna ().
Zadanie 1. Obserwacja interferencji światła na warstwie powietrza.
1. Dokładnie wytrzyj szklane płytki, złóż je razem i ściśnij palcami.
2. Oglądaj płytki w świetle odbitym na ciemnym tle (należy je ustawić tak, aby na powierzchni szyby nie tworzyły się zbyt jasne odblaski od okien lub białych ścian).
3. W niektórych miejscach styku się płytek widoczne są jasne, tęczowe paski w kształcie pierścienia lub o nieregularnym kształcie.
4. Zwróć uwagę na zmiany kształtu i położenia powstałych prążków interferencyjnych wraz ze zmianami ciśnienia.
5. Spróbuj zobaczyć wzór interferencji w świetle przechodzącym.
6. Naszkicuj obrazy, które widzisz.
Odpowiedz na pytania:
A) Dlaczego w niektórych miejscach styku płyt widoczne są jasne, tęczowe paski w kształcie pierścieni lub o nieregularnym kształcie?
B) Dlaczego kształt i położenie powstałych prążków interferencyjnych zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia?
Zadanie 2. Obserwacja interferencji światła na filmie mydlanym.
1. Zrób roztwór mydła.
2. Nałóż warstwę mydlaną na druciany pierścień i umieść ją pionowo.
3. W zaciemnionej klasie zaobserwuj pojawienie się jasnych i ciemnych pasów na filmie.
4. Oświetl film mydlany światłem lampy lub latarki.
5. Obserwuj zabarwienie jasnych pasków w kolorach widmowych.
6. Policz, ile pasków tego samego koloru widać jednocześnie na kliszy.
7. Określ, czy orientacja i kształt pasków zmieniają się, gdy ramka jest obracana w płaszczyźnie pionowej.
8. Naszkicuj obrazy, które widzisz.
Odpowiedz na pytania:
A) Co wyjaśnia obecność jasnych i ciemnych pasm na początku eksperymentu?
B) Dlaczego po oświetleniu filmu światłem pojawiły się kolory widmowe?
C) Dlaczego paski, rozszerzając się i zachowując swój kształt, spływają w dół?
Zadanie 3. Obserwacja interferencji światła na bańce mydlanej.
1. Zdmuchnąć bańka mydlana.
2. Przy oświetleniu białym światłem obserwować powstawanie kolorowych pierścieni interferencyjnych.
Odpowiedz na pytania:
A) Dlaczego bańki mydlane mają kolor tęczy?
B) Dlaczego kolor bańki cały czas się zmienia?
C) Jaki kształt mają tęczowe paski?
Zadanie 4. Zmatowienie kolorów.
1. Za pomocą pęsety weź żyletkę i podgrzej ją nad płomieniem palnika.
2. Naszkicuj obserwowany obraz.
Odpowiedz na pytania:
A) Jakie zjawisko zaobserwowałeś?
B) Jak można to wyjaśnić?
C) Jakie kolory i w jakiej kolejności pojawiły się na ostrzu po nagrzaniu?
Badanie dyfrakcji światła.
Zadanie 1. Obserwacja dyfrakcji światła na wąskiej szczelinie.
1. Pomiędzy szczękami zacisku należy umieścić szczelinę o szerokości 0,5 mm.
2. Umieść nacięcie blisko oka, ustawiając je pionowo.
3. Patrząc przez szczelinę na pionowo ustawiony żarnik lampy, zaobserwuj tęczowe paski (widma dyfrakcyjne) po obu stronach żarnika.
4. Zmieniając szerokość szczeliny z 0,5 na 0,8 mm, zwróć uwagę, jak ta zmiana wpływa na widma dyfrakcyjne.
5. Narysuj obrazek, który widziałeś w swoim zeszycie.
Zadanie 2. Obserwacja dyfrakcji na tkaninie nylonowej.
1. Spójrz przez nylonową tkaninę na żarnik płonącej lampy.
2. Obracając tkaninę wokół jej osi, uzyskujemy wyraźny obraz dyfrakcyjny w postaci dwóch pasków dyfrakcyjnych skrzyżowanych pod kątem prostym.
3. Naszkicuj obserwowany krzyż dyfrakcyjny.
Odpowiedz na pytania:
A) Dlaczego otrzymałeś ten krzyż dyfrakcyjny?
B) Co wyjaśnia pojawienie się kolorów widmowych?
Zadanie 3. Obserwacja dyfrakcji światła na dysku lasera.
1. Umieść płytę CD poziomo na wysokości oczu.
2. Narysuj ten obrazek.
Odpowiedz na pytania:
A) Co obserwuje się na dysku?
B) Jakie zjawiska zaobserwowałeś?
APLIKACJA
Dyfrakcja światła- jest to odchylenie promieni świetlnych od propagacji prostoliniowej podczas przechodzenia wąskie szczeliny, małych otworów lub podczas omijania małych przeszkód.
Zjawisko dyfrakcji światła dowodzi, że światło ma właściwości falowe. Aby obserwować dyfrakcję, możesz:
Przepuść światło ze źródła przez bardzo mały otwór lub umieść ekran w dużej odległości od otworu. Następnie na ekranie obserwuje się złożony wzór jasnych i ciemnych koncentrycznych pierścieni.
Lub skieruj światło na cienki drut, wtedy na ekranie będą widoczne jasne i ciemne paski, a w przypadku światła białego - tęczowy pasek.
Siatka dyfrakcyjna jest przyrządem optycznym służącym do pomiaru długości fali światła.
Siatka dyfrakcyjna to zbiór duża liczba bardzo wąskie szczeliny oddzielone nieprzezroczystymi odstępami.
Jeśli na siatkę pada fala monochromatyczna, wówczas szczeliny (źródła wtórne) tworzą fale spójne. Za kratką umieszczono soczewkę zbierającą, a za nią ekran. W wyniku interferencji światła z różnych szczelin siatki na ekranie obserwuje się układ maksimów i minimów.
Różnica dróg pomiędzy falami wychodzącymi z krawędzi sąsiednich szczelin jest równa długości odcinka AC. Jeśli ten segment zawiera całkowitą liczbę długości fal, wówczas fale ze wszystkich szczelin będą się wzmacniać. Przy zastosowaniu światła białego wszystkie maksima (oprócz centralnego) mają barwę tęczową.
d = a + b - okres siatki dyfrakcyjnej
a jest szerokością szczeliny; b - długość
d = 1/N jest stałą siatki dyfrakcyjnej.
N - Liczba uderzeń.
φ - kąt odchylenia fal świetlnych na skutek dyfrakcji
φ = kλ – wzór na siatkę dyfrakcyjną.
k - Maksymalny rząd (0, ±1, ±2, ...)
λ = - długość fali
Zakłócenia światła- przestrzenna redystrybucja strumienia światła w przypadku nałożenia na siebie dwóch (lub kilku) spójnych fal świetlnych, co skutkuje występowaniem w niektórych miejscach maksimów natężenia, a w innych minimów (wzorzec interferencji).
Warunek maksymalny: Warunek minimalny:
Zastosowanie interferencji światła:
1. Pomiar długości z bardzo dużą dokładnością; Umożliwiło to podanie łatwo powtarzalnej i dość dokładnej definicji jednostki długości - metra, w zależności od długości fali pomarańczowej linii kryptonu. Komparatory interferencyjne umożliwiają porównywanie rozmiarów do 1 metra z dokładnością do 0,05 mikrona; mniejsze rozmiary można mierzyć z jeszcze większą precyzją. Tak wysoka dokładność wynika z faktu, że zmiana różnicy dróg o jedną dziesiątą długości fali powoduje zauważalne przesunięcie prążków interferencyjnych.
2. Wpływ dużej liczby urządzeń optycznych pod Nazwa zwyczajowa interferometry, które służą do różnych pomiarów. W przemyśle optyczno-mechanicznym interferometry służą do kontroli jakości układów optycznych oraz kontroli powierzchni poszczególnych części optycznych. W przemyśle metalowym - do kontroli czystości obrabianych powierzchni metalowych. Badanie i kontrola polerowania powierzchni luster odbywa się z dokładnością do setnych długości fali.
3. Wykorzystując zjawisko interferencji wyznacza się szereg ważnych wielkości charakteryzujących substancje: współczynnik rozszerzalności ciała stałe(dylatometry), współczynnik załamania światła ciał gazowych, ciekłych i stałych (refraktometry) itp. Dylatometry interferencyjne umożliwiają rejestrację wydłużenia próbki o 0,02 µm.
4. Spektroskopy interferencyjne są szeroko stosowane do badania składu widmowego promieniowania różnych substancji.
5. Za pomocą interferencji promieni spolaryzowanych wyznacza się wartości naprężeń wewnętrznych w różnych częściach (metoda fotosprężystości).
Pierwsze doświadczenie polegające na obserwacji interferencji światła w warunkach laboratoryjnych należy do I. Newtona. Zaobserwował wzór interferencyjny, który pojawia się, gdy światło odbija się w cienkiej warstwie powietrza pomiędzy mieszkaniem szklany talerz oraz soczewkę płasko-wypukłą o dużym promieniu krzywizny. Wzór interferencyjny przybrał postać koncentrycznych pierścieni, zwanych pierścieniami Newtona.
Zniszczone kolory.
Nalot to tęczowy kolor, który pojawia się na czystej powierzchni nagrzanej stali w wyniku utworzenia na niej cienkiej warstwy tlenku. Grubość folii zależy od temperatury nagrzewania stali: folie o różnej grubości inaczej odbijają promienie świetlne, co decyduje o różnej barwie nalotu (patrz tabela). Na stalach stopowych (które zawierają inne metale nadające określone właściwości) te same kolory nalotu pojawiają się w wyższych temperaturach.
Praca laboratoryjna nr 13
Temat: „Obserwacja interferencji i dyfrakcji światła”
Cel pracy: eksperymentalnie badać zjawisko interferencji i dyfrakcji.
Sprzęt: lampa elektryczna z żarnikiem prostym (po jednej w klasie), dwie płytki szklane, rurka szklana, szklanka z roztworem mydła, druciany pierścień z rączką o średnicy 30 mm, płyta CD, suwmiarka, tkanina nylonowa.
Teoria:
Zakłócenia są zjawiskiem charakterystycznym dla fal dowolnego rodzaju: mechanicznych, elektromagnetycznych.
Interferencja fal – dodanie w przestrzeni dwóch (lub kilku) fal, w których w różnych punktach fala wypadkowa ulega wzmocnieniu lub osłabieniu.
Interferencję zwykle obserwuje się, gdy fale emitowane przez to samo źródło światła nakładają się na siebie i docierają do określonego punktu. na różne sposoby. Niemożliwe jest uzyskanie obrazu interferencyjnego z dwóch niezależnych źródeł, ponieważ cząsteczki lub atomy emitują światło w postaci oddzielnych ciągów fal, niezależnie od siebie. Atomy emitują fragmenty fal świetlnych (pociągi), w których fazy oscylacji są losowe. Pociągi mają około 1 metra długości. Ciągi falowe różnych atomów nakładają się na siebie. Amplituda powstałych oscylacji zmienia się chaotycznie w czasie tak szybko, że oko nie ma czasu wyczuć tej zmiany we wzorach. Dlatego człowiek widzi przestrzeń równomiernie oświetloną. Aby utworzyć stabilny wzór interferencji, wymagane są spójne (dopasowane) źródła fal.
Zgodny nazywa się fale o tej samej częstotliwości i stałej różnicy faz.
Amplituda powstałego przemieszczenia w punkcie C zależy od różnicy dróg fal w odległości d2 – d1.
Stan maksymalny
, (Δd=d 2 -d 1 )
Gdzie k=0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…
(różnica w drodze fali jest równa parzystej liczbie półfali)
Fale ze źródeł A i B dotrą do punktu C w tych samych fazach i „wzajemnie się wzmocnią”.
φ A = φ B - fazy oscylacji
Δφ=0 - różnica faz
A=2X maks
Warunek minimalny
, (Δd=d 2 -d 1)
Gdzie k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…
(różnica w drodze fali jest równa nieparzystej liczbie półfali)
Fale ze źródeł A i B dotrą do punktu C w przeciwfazie i „znoszą się nawzajem”.
φ A ≠φ B - fazy oscylacji
Δφ=π - różnica faz
A=0 – amplituda powstałej fali.
Wzór interferencji– regularna przemiana obszarów o podwyższonym i zmniejszonym natężeniu światła.
Zakłócenia światła– przestrzenna redystrybucja energii promieniowania świetlnego w przypadku nałożenia dwóch lub więcej fal świetlnych.
Z powodu dyfrakcji światło odchyla się od swojej propagacji liniowej (na przykład w pobliżu krawędzi przeszkód).
Dyfrakcja – zjawisko odchylenia fali od propagacji prostoliniowej przy przejściu przez małe otwory oraz załamania fali wokół małych przeszkód.
Warunek dyfrakcji: D< λ , Gdzie D– wielkość przeszkody, λ - długość fali. Wymiary przeszkód (otworów) muszą być mniejsze lub porównywalne z długością fali.
Istnienie tego zjawiska (dyfrakcji) ogranicza zakres stosowania praw optyki geometrycznej i jest przyczyną ograniczeń rozdzielczości przyrządów optycznych.
Siatka dyfrakcyjna– urządzenie optyczne będące strukturą okresową złożoną z dużej liczby regularnie rozmieszczonych elementów, na których zachodzi dyfrakcja światła. Pociągnięcia o określonym i stałym profilu dla danej siatki dyfrakcyjnej powtarzają się w tych samych odstępach czasu D(okres sieci). Główną właściwością siatki dyfrakcyjnej jest zdolność rozdzielania padającej na nią wiązki światła w zależności od długości fali. Istnieją odblaskowe i przezroczyste siatki dyfrakcyjne. W nowoczesne urządzenia Stosowane są głównie odblaskowe siatki dyfrakcyjne.
Warunek obserwacji maksimum dyfrakcyjnego:
d·sinφ=k·λ, Gdzie k=0; ± 1; ± 2; ± 3; D- okres sieciowy , φ - kąt, pod którym obserwuje się maksimum, oraz λ - długość fali.
Z maksymalnego warunku wynika sinφ=(k λ)/d.
Niech zatem k=1 sinφcr = λcr/d I sinφ f = λ f /d.
Wiadomo, że λ cr > λ f, stąd sinφ cr>sinφ f. Ponieważ y= sinφ f - funkcja jest zatem rosnąca φ cr > φ f
Dlatego fioletowy w widmie dyfrakcyjnym znajduje się bliżej środka.
W zjawiskach interferencji i dyfrakcji światła przestrzegane jest prawo zachowania energii. W obszarze interferencji energia świetlna jest jedynie redystrybuowana, bez przekształcania jej w inne rodzaje energii. Wzrost energii w niektórych punktach obrazu interferencyjnego w stosunku do całkowitej energii świetlnej jest kompensowany przez jej spadek w innych punktach (całkowita energia świetlna to energia świetlna dwóch wiązek światła pochodzących z niezależnych źródeł). Jasne paski odpowiadają maksimom energii, ciemne paski odpowiadają minimom energii.
Postęp:
Doświadczenie 1.Zanurz pierścień druciany w roztworze mydła. Na drucianym pierścieniu tworzy się film mydlany.
Umieść go pionowo. Obserwujemy jasne i ciemne poziome paski, których szerokość zmienia się wraz ze zmianą grubości folii.
Wyjaśnienie. Pojawienie się jasnych i ciemnych pasków tłumaczy się interakcją fal świetlnych odbitych od powierzchni folii. trójkąt d = 2h. Różnica w drodze fal świetlnych jest równa dwukrotności grubości folii. Po ułożeniu pionowym folia ma kształt klina. Różnica w drodze fal świetlnych w jej górnej części będzie mniejsza niż w dolnej. W tych miejscach filmu, w których różnica dróg jest równa parzystej liczbie półfali, obserwuje się jasne paski. I z nieparzystą liczbą półfal - ciemne paski. Poziomy układ pasków tłumaczy się poziomym układem linii o jednakowej grubości folii.
Film mydlany oświetlamy białym światłem (z lampy). Obserwujemy, że jasne paski zabarwione są na kolory widmowe: u góry niebieski, u dołu czerwony.
Wyjaśnienie. Zabarwienie to tłumaczy się zależnością położenia pasków świetlnych od długości fali padającego koloru.
Obserwujemy również, że paski rozszerzając się i utrzymując swój kształt, przesuwają się w dół.
Wyjaśnienie. Wyjaśnia to zmniejszenie grubości filmu, gdy roztwór mydła spływa pod wpływem grawitacji.
Doświadczenie 2. Za pomocą szklanej rurki dmuchnij bańkę mydlaną i dokładnie ją obejrzyj. Przy oświetleniu światłem białym obserwuje się powstawanie kolorowych pierścieni interferencyjnych, zabarwionych na kolory spektralne. Górna krawędź każdego pierścienia świetlnego posiada Kolor niebieski, dolny jest czerwony. W miarę zmniejszania się grubości warstwy pierścienie, również rozszerzające się, powoli przesuwają się w dół. Ich pierścieniową formę tłumaczy się pierścieniowymi liniami o jednakowej grubości.
Odpowiedz na pytania:
- Dlaczego bańki mydlane mają kolor tęczy?
- Jaki kształt mają tęczowe paski?
- Dlaczego kolor bańki cały czas się zmienia?
Doświadczenie 3. Dokładnie wytrzyj obie szklane płytki, złóż je razem i dociśnij palcami. Z powodu niedoskonałego kształtu stykających się powierzchni pomiędzy płytami tworzą się cienkie puste przestrzenie powietrzne.
Kiedy światło odbija się od powierzchni płytek tworzących szczelinę, pojawiają się jasne tęczowe paski - w kształcie pierścienia lub o nieregularnym kształcie. Kiedy zmienia się siła ściskająca płyty, zmienia się położenie i kształt pasków. Naszkicuj obrazy, które widzisz.
Wyjaśnienie: Powierzchnie płytek nie mogą być całkowicie płaskie, dlatego stykają się tylko w kilku miejscach. Wokół tych miejsc tworzą się najcieńsze kliny powietrza różne kształty, dając wzór interferencji. W świetle przechodzącym maksymalny warunek wynosi 2h=kl
Odpowiedz na pytania:
- Dlaczego w miejscach styku płyt widoczne są jasne, tęczowe, pierścieniowe lub nieregularne paski?
- Dlaczego kształt i położenie prążków interferencyjnych zmieniają się wraz ze zmianą ciśnienia?
Doświadczenie 4.Przyjrzyj się uważnie pod spodem różne kąty powierzchni płyty CD (na której dokonywane jest nagranie).
Wyjaśnienie: Jasność widm dyfrakcyjnych zależy od częstotliwości rowków nałożonych na dysk i od kąta padania promieni. Prawie równoległe promienie padające z żarnika lampy odbijają się od sąsiednich wypukłości pomiędzy rowkami w punktach A i B. Promienie odbite pod kątem równym kątowi padania tworzą obraz żarnika lampy w postaci białej linii. Promienie odbite pod innymi kątami mają pewną różnicę dróg, w wyniku czego następuje dodanie fal.
Co obserwujesz? Wyjaśnij zaobserwowane zjawiska. Opisz wzór interferencji.
Powierzchnia płyty CD to spiralna ścieżka o skoku proporcjonalnym do długości fali widzialne światło. Zjawiska dyfrakcji i interferencji pojawiają się na powierzchni o drobnej strukturze. Blask płyt CD ma kolor tęczy.
Doświadczenie 5. Przesuwamy suwak zacisku, aż między szczękami utworzy się szczelina o szerokości 0,5 mm.
Ściętą część gąbek przykładamy blisko oka (ustawiając nacięcie pionowo). Przez tę szczelinę patrzymy na pionowy żarnik płonącej lampy. Obserwujemy równoległe do niej tęczowe paski po obu stronach nitki. Zmieniamy szerokość szczeliny w zakresie 0,05 - 0,8 mm. Przechodząc do węższych szczelin, pasma oddalają się od siebie, stają się szersze i tworzą rozróżnialne widma. Oglądane przez najszerszą szczelinę paski są bardzo wąskie i położone blisko siebie. Narysuj obrazek, który widziałeś w swoim zeszycie. Wyjaśnij zaobserwowane zjawiska.
Doświadczenie 6. Spójrz przez nylonową tkaninę na żarnik płonącej lampy. Obracając tkaninę wokół jej osi, uzyskujemy wyraźny obraz dyfrakcyjny w postaci dwóch pasków dyfrakcyjnych skrzyżowanych pod kątem prostym.
Wyjaśnienie: Maksimum dyfrakcji jest widoczne w środku skorupy biały. Przy k=0 różnica ścieżek fal wynosi zero, więc centralne maksimum jest białe. Krzyż powstaje, ponieważ nitkami tkaniny są dwie siatki dyfrakcyjne złożone razem z wzajemnie prostopadłymi szczelinami. Pojawienie się kolorów widmowych tłumaczy się tym, że białe światło składa się z fal o różnej długości. Maksimum dyfrakcyjne światła dla różnych długości fali uzyskuje się w różnych miejscach.
Naszkicuj obserwowany krzyż dyfrakcyjny. Wyjaśnij zaobserwowane zjawiska.
Zapisz wnioski. Wskaż, w którym z przeprowadzonych doświadczeń zaobserwowano zjawisko interferencji, a w którym dyfrakcji.
Pytania kontrolne:
- Czym jest światło?
- Kto udowodnił, że światło jest falą elektromagnetyczną?
- Co nazywa się interferencją światła? Jakie są maksymalne i minimalne warunki zakłóceń?
- Czy fale świetlne pochodzące z dwóch żarówek elektrycznych mogą się zakłócać? Dlaczego?
- Co to jest dyfrakcja światła?
- Czy położenie głównych maksimów dyfrakcyjnych zależy od liczby szczelin siatki?
Cel pracy: Zbadaj zależność okresu drgań wahadła nitkowego od długości gwintu i wahadła sprężystego od masy ładunku.
Sprzęt: statyw, linijka, ciężarek na sznurku, zestaw odważników, stoper, sprężyna.
Wyjaśnienia do pracy
Wahadło nitkowe składa się z masy m zawieszonej na nieważkiej, nierozciągliwej nici o długości l. Wyraża się zależność okresu drgań wahadła nici od długości nici
formuła: .
Wahadło sprężyste składa się z masy o masie m zawieszonej na sprężynie o sztywności k. Zależność okresu drgań wahadła sprężystego od masy ładunku wyraża wzór: .
Zadania
Złóż wahadło sznurkowe.
Narysuj schemat doświadczenia.
Zmierz czas 15-20 oscylacji (liczba oscylacji we wszystkich eksperymentach powinna być taka sama).
Zmieniając długość nici (tylko zwiększając lub tylko zmniejszając), zmierz czas oscylacji jeszcze 4 razy.
Wypełnij Tabelę 1 wyników pomiarów i obliczeń:
| Doświadczenie nr. | Długość gwintu, l, m | Przedział czasu, t, s | Okres oscylacji | Okres oscylacji |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
7. Sprawdź swoje obliczenia korzystając ze wzoru: .
Narysuj wykres okresu drgań wahadła nici w zależności od długości nici.
Zmontuj wahadło sprężynowe.
Narysuj schemat doświadczenia.
Określ sztywność sprężyny:
b) wyznacz siłę F , a także zmierzyć odpowiednie wydłużenie sprężyny X;
c) obliczyć współczynnik sztywności sprężyny korzystając ze wzoru: .
Zmierz czas 10-15 oscylacji (liczba oscylacji we wszystkich eksperymentach powinna być taka sama).
Zmieniając masę ładunku (tylko zwiększając lub tylko zmniejszając), zmierz czas oscylacji jeszcze 4 razy.
Wyznacz okres drgań wahadła w każdym doświadczeniu korzystając ze wzoru: T=t/N.
Wypełnij tabelę 2 wyników pomiarów i obliczeń:
| Doświadczenie nr. | Masa ładunku, m, kg | Przedział czasu, t, s | Okres oscylacji | Okres oscylacji |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Pytania kontrolne
Jakie wibracje nazywamy swobodnymi?
Jak okres drgań jest powiązany z częstotliwością?
Czy okres drgań dowolnego ciała zmieni się, jeśli zostanie ono umieszczone z powietrza w wodzie?
Jakie jest fizyczne znaczenie fazy oscylacji?
Literatura
Praca trwa 2 godziny
Praca laboratoryjna nr 11
Temat: Badanie zjawiskinterferencja i dyfrakcja światła
Cel pracy: badanie cechy interferencja i dyfrakcja światła.
Sprzęt: zapałki, lampa alkoholowa, kłębek waty na drucie w probówce zwilżonej roztworem chlorku sodu, druciany pierścień z rączką, szklanka z roztworem mydła, rurka szklana, płytki szklane - 2 szt. ., CD, zacisk, lampa z żarnikiem prostym, tkanina nylonowa kolor czarny.
Wyjaśnienia do pracy
Obserwacja interferencji światła
Aby zaobserwować zakłócenia promieniowania monochromatycznego, należy włożyć do płomienia lampy alkoholowej kłębek waty zwilżonej roztworem chlorku sodu. W tym przypadku płomień jest kolorowy żółty. Zanurzając druciany pierścień w roztworze mydła, uzyskuje się film mydlany, umieszczany pionowo i oglądany na ciemnym tle oświetlonym żółtym światłem lampy alkoholowej. Obserwuje się powstawanie ciemnych i żółtych poziomych pasów oraz zmianę ich szerokości w miarę zmniejszania się grubości warstwy.
W tych miejscach filmu, w których różnica dróg spójnych promieni jest równa parzystej liczbie półfali, obserwuje się jasne paski, a przy nieparzystej liczbie półfali obserwuje się ciemne paski.
Po oświetleniu folii białym światłem (z okna lub lampy) paski świetlne stają się kolorowe: u góry niebieskie, u dołu czerwone. Za pomocą szklanej rurki wydmuchaj małą bańkę mydlaną na powierzchnię roztworu mydła. Przy oświetleniu światłem białym obserwuje się powstawanie kolorowych pierścieni interferencyjnych. W miarę zmniejszania się grubości warstwy pierścienie rozszerzają się i przesuwają w dół.
Interferencję obserwuje się także, biorąc pod uwagę powierzchnię styku dwóch dociśniętych do siebie płytek szklanych.
Ze względu na niedoskonały kształt stykających się powierzchni, pomiędzy płytami tworzą się cienkie puste przestrzenie powietrzne, dając jasne opalizujące paski w kształcie pierścienia lub zamknięte paski o nieregularnym kształcie.
Kiedy zmienia się siła ściskająca płytki, położenie i kształt pasków zmieniają się zarówno w świetle odbitym, jak i przechodzącym.
Zjawisko interferencji odbitych promieni świetlnych jest szczególnie wyraźnie widoczne podczas badania powierzchni płyty CD.
Obserwacja dyfrakcji światła
Dyfrakcja światła objawia się naruszeniem prostoliniowości rozchodzenia się promieni świetlnych, zaginaniem fal wokół przeszkód i przenikaniem światła w obszar cienia geometrycznego.
Ze względu na niejednorodność ośrodka w pracy wykorzystuje się szczelinę między szczękami suwmiarki. Przez tę szczelinę patrzą na pionowy żarnik płonącej lampy. Jednocześnie tęczowe paski są widoczne po obu stronach nici, równolegle do niej. W miarę zmniejszania się szerokości szczeliny pasma oddalają się od siebie, stają się szersze i tworzą wyraźnie rozróżnialne widma. Efekt ten jest szczególnie dobrze widoczny, gdy zacisk jest płynnie obracany wokół osi pionowej.
Na cienkiej nici obserwuje się inny wzór dyfrakcyjny. Ramkę z żarnikiem umieszcza się na tle płonącej lampy równolegle do żarnika. Po zdjęciu i zbliżeniu oprawki do oka uzyskujemy obraz dyfrakcyjny, gdy po bokach nitki znajdują się jasne i ciemne paski, a pośrodku, w obszarze jej geometrycznego cienia, obserwujemy jasny pasek.
Na tkaninie nylonowej można zaobserwować wzór dyfrakcyjny. W tkaninie nylonowej istnieją dwa różne, wzajemnie prostopadłe kierunki. Obracając tkaninę wokół jej osi, patrzą przez tkaninę na żarnik płonącej lampy, uzyskując wyraźny wzór dyfrakcyjny w postaci dwóch pasków dyfrakcyjnych skrzyżowanych pod kątem prostym (krzyż dyfrakcyjny). W środku krzyża widoczne jest maksimum dyfrakcyjne koloru białego, a w każdym pasku jest kilka kolorów.
Zadania
Eksploruj samodzielnie instrukcje metodologiczne do wykonywania prac laboratoryjnych.
Wykonaj eksperymenty, aby zaobserwować interferencję światła.
Doświadczenie 2: obejrzyj film mydlany oświetlony białym światłem (z okna lub lampy).
Wyjaśnij kolejność naprzemiennych kolorów we wzorze interferencyjnym, gdy klisza jest oświetlona światłem białym.
Doświadczenie 3: Za pomocą szklanej rurki wydmuchaj małą bańkę mydlaną na powierzchnię roztworu mydła. Wyjaśnij przyczynę ruchu pierścieni interferencyjnych w dół.
Doświadczenie 4: dociśnij do siebie dwie szklane płytki. Opisz zaobserwowany wzór interferencji. Wyznaczyć zmianę obrazu interferencji w miarę wzrostu siły ściskającej płyty.
Doświadczenie 5: weź płytę CD i skieruj na nią promienie światła z żarówki. Opisz wzór zakłóceń, gdy płyta CD jest podświetlona.
Przeprowadź eksperymenty, obserwując dyfrakcję światła.
Doświadczenie 2: weź nylonową szmatkę i przyjrzyj się przez nią żarnikowi płonącej lampy. Obracając tkaninę wokół jej osi, uzyskujemy wyraźny obraz dyfrakcyjny w postaci dwóch pasków dyfrakcyjnych skrzyżowanych pod kątem prostym. Narysuj zaobserwowany krzyż dyfrakcyjny i opisz go.
Przygotuj sprawozdanie, które powinno zawierać: nazwę tematu i cel pracy, rysunki wzorów interferencyjnych i dyfrakcyjnych, ich opis i objaśnienia, wnioski dotyczące pracy.
Pytania kontrolne
Zdefiniuj interferencję i dyfrakcję światła.
W jakich warunkach obserwuje się wzór interferencyjny?
Podaj warunek spójności fal świetlnych.
Co dowodzi zjawiska interferencji światła.
Podaj przykłady dyfrakcji światła.
Literatura
Dmitrieva V. F. Fizyka dla zawodów i specjalności technicznych: podręcznik dla instytucje edukacyjne początek i środa prof. Edukacja. - M.: Centrum Wydawnicze „Akademia”, 2014;
Samoilenko P.I. Fizyka dla zawodów i specjalności o profilu społeczno-ekonomicznym: podręcznik dla placówek edukacyjnych szkół podstawowych i średnich zawodowych. Edukacja. - M.: Centrum Wydawnicze „Akademia”, 2013;
Notatnik Kasyanov V.D. dla Praca laboratoryjna. Klasa 10. - M.: Drop, 2014.
Praca trwa 2 godziny
Praca laboratoryjna nr 12
Temat: Pomiar długości fali światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej
Cel pracy: zmierzyć długość fali światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej.
Sprzęt:źródło światła, siatka dyfrakcyjna, urządzenie do pomiaru długości fali światła.
Wyjaśnienia do pracy
Siatka dyfrakcyjna służy do rozdzielania światła na widmo i pomiaru długości fali światła. Najprostszą siatką dyfrakcyjną jest płytka szklana, na którą za pomocą precyzyjnej maszyny dzielącej nakłada się rysy równolegle do siebie i instaluje wąskie, nienaruszone paski. Zarysowane obszary są nieprzezroczyste dla światła, a fale świetlne zbliżające się do siatki zaginają się wokół zadrapań. Zwyczajowo nazywa się okres siatki d sumą rozmiarów przezroczystych i nieprzezroczystych pasków. Na przykład, jeśli na siatce dyfrakcyjnej znajduje się 100 linii na 1 mm, wówczas okres siatki d = 0,01 mm.
Niech równoległa, monochromatyczna (wszystkie fale mają tę samą długość fali) wiązka światła pada normalnie na siatkę. Światło przechodzące przez wąskie szczeliny ulega dyfrakcji, a promienie odchylają się pod różnymi kątami od pierwotnego kierunku. Każdą szczelinę siatki dyfrakcyjnej można uznać za niezależne źródło spójnego promieniowania. Zatem w każdym punkcie ekranu nastąpi dodawanie licznych promieni pochodzących z każdej szczeliny siatki dyfrakcyjnej i nastąpi ich interakcja. Ponieważ początkowa fala świetlna pada normalnie na siatkę, początkowe fazy wszystkich promieni są takie same. Odległość siatki od ekranu jest znacznie większa niż jego wymiary, zatem promienie z różnych szczelin podczerwieni pod tym samym kątem Θ będą padać w ten sam punkt na ekranie. Jego współrzędna b jest określona przez wyrażenie:
grzech Θ ≈ tan Θ = b/ A,
gdzie przyjmuje się, że kąty dyfrakcyjne są małe, więc wartość sinus można zastąpić styczną. Różnica dróg tych promieni jest związana z kątem dyfrakcji zależnością:
Jeżeli różnica dróg promieni jest równa liczbie całkowitej m=1,2,3,...długości fal, to: ∆ = m λ, a po dodaniu wzajemnie się wzmacniają i obserwuje się maksimum, które nazywa się głównym maksimum dyfrakcyjnym rzędu m.
Kąty dyfrakcyjne odpowiadające maksimom głównym wyznacza się ze wzoru:
∆=d sin Θ m = mλ.
Prawa strona tego równania nazywana jest równaniem siatki dyfrakcyjnej. Jak widać, położenie maksimum dyfrakcyjnego zależy od długości fali i rzędu maksimum m: im większa długość fali światła i numer porządkowy, tym większy kąt dyfrakcji. Dlatego też, gdy krata jest oświetlona światłem białym, promienie z różne długości fale uginają się pod różne kąty, w wyniku czego maksimum dyfrakcyjne zostaje przekształcone w widmo. W tym przypadku na ekranie powstaje zbiór widm, które mogą częściowo na siebie zachodzić (po jednym widmie odpowiada każda wartość rzędu dyfrakcyjnego m). Ograniczona liczba widm, które można uzyskać za pomocą siatki, wyznacza stosunek: m max = d/λ.
Gdy m=0 obraz tworzony jest przez wiązkę równoległą do padającej wiązki światła (Θ=0), a działania wszystkich promieni niezależnie od długości fali sumują się, tak że w środku widoczny jest biały pasek światła.
Zadania
Należy samodzielnie zapoznać się z wytycznymi dotyczącymi wykonywania prac laboratoryjnych.
Umieść siatkę dyfrakcyjną w ramce urządzenia.
Patrząc przez siatkę dyfrakcyjną, skieruj urządzenie na źródło światła tak, aby było ono widoczne przez wąską szczelinę celowniczą ekranu. W tym przypadku widma dyfrakcyjne kilku rzędów pojawią się po obu stronach szczeliny na czarnym tle. Jeżeli widma są nachylone, należy obrócić siatkę o określony kąt, aż przechylenie zostanie wyeliminowane. Określ położenie czerwonych i fioletowych granic widma dla 1. i 2. rzędu. Zmierz odległość osłony od kratki i oblicz długość fali światła fioletowego i czerwonego, korzystając ze wzoru:
Dystans A– od siatki do ekranu, odległość b – od szczeliny do linii widma wykrywanej fali, m – rząd widma, d – stała siatki.
Powtórz pomiary długości światła fioletowego i czerwonego w mniejszej odległości A z siatki dyfrakcyjnej.
Wyniki pomiarów i obliczeń wpisz do tabeli:
| Doświadczenie nr. | stała sieci, d, mm | Kolejność widma, m | Odległość siatki od skali, A, mm | Wartość odchylenia, b, mm | Długość fali świetlnej, λ, mm |
||
| fioletowy. | czerwony | fioletowy | czerwony |
||||
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
Przygotuj sprawozdanie, powinno ono zawierać: nazwę tematu i cel pracy, spis niezbędny sprzęt, obliczone zależności, tabela z wynikami pomiarów i obliczeń, wnioski z pracy.
Odpowiedz ustnie na pytania testowe.
Pytania kontrolne
Które fale (światło czerwone czy fioletowe) załamują się bardziej i dlaczego?
Zdefiniuj dyfrakcję światła.
Jak kąt dyfrakcji zależy od okresu siatki?
Do czego służy siatka dyfrakcyjna?
Jak określić długość fali światła?
Literatura
Dmitrieva V.F. Fizyka dla zawodów i specjalności technicznych: podręcznik dla początkujących instytucji edukacyjnych. i środa prof. Edukacja. - M.: Centrum Wydawnicze „Akademia”, 2014;
Samoilenko P.I. Fizyka dla zawodów i specjalności o profilu społeczno-ekonomicznym: podręcznik dla placówek edukacyjnych szkół podstawowych i średnich zawodowych. Edukacja. - M.: Centrum Wydawnicze „Akademia”, 2013;
Kasyanov V.D. Notatnik do pracy laboratoryjnej. Klasa 10. - M.: Drop, 2014.
Praca trwa 2 godziny
