Téma: Optika
lekcia: Praktická práca na tému „Pozorovanie interferencie a difrakcie svetla“
Názov:"Pozorovanie interferencie a difrakcie svetla".
Cieľ: experimentálne študovať interferenciu a difrakciu svetla.
Vybavenie: lampa s rovným vláknom, 2 sklenené dosky, drôtený rám, mydlový roztok, strmeň, hrubý papier, kus cambric, nylonová niť, svorka.
Skúsenosti 1
Pozorovanie interferenčného obrazca pomocou sklenených dosiek.
Vezmeme dve sklenené dosky, pred tým ich dôkladne utrieme, potom ich pevne zložíme a stlačíme. Interferenčný obrazec, ktorý vidíme v doskách, je potrebné načrtnúť.
Aby ste videli zmenu na obrázku v závislosti od stupňa stlačenia skla, musíte vziať upínacie zariadenie a pomocou skrutiek stlačiť dosky. V dôsledku toho sa mení interferenčný obrazec.
Skúsenosť 2
Rušenie tenkých vrstiev.
Ak chcete pozorovať tento experiment, vezmite si mydlovú vodu a drôtený rám a potom sledujte, ako sa vytvorí tenký film. Ak je rám spustený do mydlovej vody, potom po jeho zdvihnutí bude viditeľný mydlový film. Pozorovaním tohto filmu v odrazenom svetle je možné vidieť interferenčné prúžky.
Skúsenosť 3
Rušenie mydlových bublín.
Na pozorovanie použijeme mydlový roztok. Fúkanie mydlových bublín. Spôsob, akým sa bubliny trblietajú, je interferenciou svetla (pozri obr. 1).
Ryža. 1. Interferencia svetla v bublinách
Obrázok, ktorý vidíme, môže vyzerať takto (pozri obrázok 2).
Ryža. 2. Interferenčný vzor
Ide o interferenciu bieleho svetla, keď na sklo položíme šošovku a osvetlíme ju obyčajným bielym svetlom.
Ak použijete svetelné filtre a osvetlíte monochromatickým svetlom, interferenčný obrazec sa zmení (striedanie tmavých a svetlé pruhy) (pozri obr. 3).
Ryža. 3. Používanie filtrov
Teraz prejdime k pozorovaniu difrakcie.
Difrakcia je vlnový jav vlastný všetkým vlnám, ktorý sa pozoruje na okrajoch akýchkoľvek objektov.
Skúsenosti 4
Difrakcia svetla malou úzkou štrbinou.
Vytvorme medzeru medzi čeľusťami strmeňa pohybom jeho častí pomocou skrutiek. Aby sme pozorovali difrakciu svetla, zovrieme hárok papiera medzi čeľuste posuvného meradla, aby sme tento hárok papiera mohli následne vytiahnuť. Potom túto úzku štrbinu priblížime kolmo k oku. Pozorovaním jasného zdroja svetla (žiarovky) cez štrbinu môžete vidieť difrakciu svetla (pozri obr. 4).
Ryža. 4. Difrakcia svetla tenkou štrbinou
Skúsenosti 5
Difrakcia na hrubom papieri
Ak vezmete hrubý list papiera a urobíte rez žiletkou, potom priložením tohto rezu papiera k oku a zmenou umiestnenia susedných dvoch listov môžete pozorovať difrakciu svetla.
Skúsenosti 6
Difrakcia s malou apertúrou
Na pozorovanie takejto difrakcie potrebujeme hrubý list papiera a špendlík. Pomocou špendlíka urobte do plechu malý otvor. Potom otvor priblížime k oku a pozorujeme jasný zdroj svetla. V tomto prípade je viditeľná difrakcia svetla (pozri obr. 5).
Zmeniť difrakčné obrazce s závisí od veľkosti otvoru.
Ryža. 5. Difrakcia svetla malou clonou
Skúsenosť 7
Difrakcia svetla na kuse hustej priehľadnej látky (nylon, cambric).
Zoberme si cambrickú pásku a umiestnime ju v krátkej vzdialenosti od očí a pozerajme sa cez pásku na jasný zdroj svetla. Uvidíme difrakciu, t.j. viacfarebné pruhy a jasný kríž, ktorý bude pozostávať z čiar difrakčného spektra.
Na obrázku sú fotografie difrakcie, ktorú pozorujeme (pozri obr. 6).
Ryža. 6. Difrakcia svetla
Správa: mal by prezentovať interferenčné a difrakčné obrazce, ktoré boli pozorované počas práce.
Zmena čiar charakterizuje, ako prebieha konkrétny postup lomu a sčítania (odčítania) vĺn.
Na základe difrakčného vzoru získaného zo štrbiny bolo vytvorené špeciálne zariadenie - difrakčná mriežka. Ide o súbor štrbín, ktorými prechádza svetlo. Toto zariadenie je potrebné na vykonanie podrobných štúdií svetla. Napríklad na určenie vlnovej dĺžky svetla možno použiť difrakčnú mriežku.
- Fyzika ().
- Prvý september. Výchovno-metodické noviny ().
Úloha 1. Pozorovanie interferencie svetla na vzduchovom filme.
1. Sklenené taniere dôkladne poutierajte, priložte k sebe a stlačte prstami.
2. Dosky skúmajte v odrazenom svetle na tmavom pozadí (musia byť umiestnené tak, aby sa na povrchu skla nevytvorili príliš jasné odlesky z okien alebo bielych stien).
3. Na niektorých miestach, kde sa dosky dotýkajú, pozorujte svetlé dúhové prstencové alebo nepravidelne tvarované pruhy.
4. Všimnite si zmeny v tvare a umiestnení výsledných interferenčných prúžkov so zmenami tlaku.
5. Pokúste sa vidieť interferenčný obrazec v prechádzajúcom svetle.
6. Načrtnite obrázky, ktoré vidíte.
Odpovedz na otázku:
a) Prečo sú na určitých miestach, kde sa dosky dotýkajú, pozorované svetlé dúhové prstencové alebo nepravidelne tvarované pruhy?
b) Prečo sa mení tvar a umiestnenie výsledných interferenčných prúžkov so zmenou tlaku?
Úloha 2. Pozorovanie interferencie svetla na mydlovom filme.
1. Vytvorte mydlový roztok.
2. Získajte mydlový film na drôtený krúžok a umiestnite ho vertikálne.
3. V zatemnenej triede sledujte vzhľad svetlých a tmavých pruhov na filme.
4. Osvetlite mydlový film svetlom z lampy alebo baterky.
5. Pozorujte sfarbenie svetlých pruhov v spektrálnych farbách.
6. Spočítajte počet pruhov rovnakej farby, ktoré sú súčasne pozorované na filme.
7. Zistite, či sa orientácia a tvar pruhov zmení, keď sa rám otáča vo vertikálnej rovine.
8. Načrtnite obrázky, ktoré vidíte.
Odpovedz na otázku:
a)Čo vysvetľuje prítomnosť svetlých a tmavých pásov na začiatku experimentu?
b) Prečo sa objavili spektrálne farby, keď bol film osvetlený svetlom?
c) Prečo pruhy, ktoré sa rozširujú a udržujú si svoj tvar, stekajú dole?
Úloha 3. Pozorovanie interferencie svetla na mydlovej bubline.
1. Vyfúknuť mydlová bublina.
2. Pri osvetlení bielym svetlom pozorujte tvorbu farebných interferenčných krúžkov.
Odpovedz na otázku:
a) Prečo sú mydlové bubliny dúhovej farby?
b) Prečo sa farba bubliny neustále mení?
c) Aký tvar majú dúhové pruhy?
Úloha 4. Zmazať farby.
1. Pomocou pinzety vezmite žiletku a zahrejte ju nad plameňom horáka.
2. Načrtnite pozorovaný obrázok.
Odpovedz na otázku:
a) Aký jav ste spozorovali?
b) Ako sa to dá vysvetliť?
c) Aké farby a v akom poradí sa objavili na čepeli, keď bola zahrievaná?
Štúdium difrakcie svetla.
Úloha 1. Pozorovanie difrakcie svetla úzkou štrbinou.
1. Medzi čeľuste strmeňa umiestnite medzeru 0,5 mm.
2. Umiestnite štrbinu blízko oka a umiestnite ju vertikálne.
3. Pri pohľade cez štrbinu na vertikálne umiestnené vlákno žiarovky pozorujte dúhové pruhy (difrakčné spektrá) na oboch stranách vlákna.
4. Zmenou šírky štrbiny z 0,5 na 0,8 mm si všimnite, ako táto zmena ovplyvňuje difrakčné spektrá.
5. Nakreslite obrázok, ktorý ste videli v zošite.
Úloha 2. Pozorovanie difrakcie na nylonovej tkanine.
1. Pozrite sa cez nylonovú tkaninu na vlákno horiacej lampy.
2. Otáčaním látky okolo jej osi docielite jasný difrakčný obrazec v podobe dvoch difrakčných prúžkov prekrížených v pravom uhle.
3. Načrtnite pozorovaný difrakčný kríž.
Odpovedz na otázku:
a) Prečo ste dostali tento difrakčný kríž?
b)Čo vysvetľuje vzhľad spektrálnych farieb?
Úloha 3. Pozorovanie difrakcie svetla na laserovom disku.
1. Umiestnite CD vodorovne do úrovne očí.
2. Nakreslite tento obrázok.
Odpovedz na otázku:
a)Čo je na disku pozorované?
b) Aké javy ste pozorovali?
APLIKÁCIA
Difrakcia svetla- ide o odchýlku svetelných lúčov od priamočiareho šírenia pri prechode úzke medzery, malé otvory alebo pri obchádzaní malých prekážok.
Fenomén difrakcie svetla dokazuje, že svetlo má vlnové vlastnosti. Na pozorovanie difrakcie môžete:
Prejdite svetlo zo zdroja cez veľmi malý otvor alebo umiestnite clonu do veľkej vzdialenosti od otvoru. Potom sa na obrazovke pozoruje zložitý vzor svetlých a tmavých sústredných prstencov.
Alebo posvieťte svetlom na tenký drôt, potom budú na obrazovke pozorované svetlé a tmavé pruhy a v prípade bieleho svetla dúhový pruh.
Difrakčná mriežka je optický prístroj na meranie vlnovej dĺžky svetla.
Difrakčná mriežka je zbierka veľké číslo veľmi úzke štrbiny oddelené nepriehľadnými medzerami.
Ak na mriežku dopadá monochromatická vlna, štrbiny (sekundárne zdroje) vytvárajú koherentné vlny. Za mriežkou je umiestnená zberná šošovka a za ňou clona. V dôsledku interferencie svetla z rôznych štrbín mriežky je na obrazovke pozorovaný systém maxím a miním.
Dráhový rozdiel medzi vlnami od okrajov susedných štrbín sa rovná dĺžke segmentu AC. Ak tento segment obsahuje celé číslo vlnových dĺžok, potom sa vlny zo všetkých štrbín navzájom posilnia. Pri použití bieleho svetla majú všetky maximá (okrem centrálneho) dúhovú farbu.
d = a + b - perióda difrakčnej mriežky
a je šírka štrbiny; b - dĺžka
d = 1/N je konštanta difrakčnej mriežky.
N - Počet zdvihov.
φ - uhol vychýlenia svetelných vĺn v dôsledku difrakcie
φ = kλ - vzorec difrakčnej mriežky.
k - Maximálna objednávka (0, ±1, ±2, ...)
λ = - vlnová dĺžka
Rušenie svetla- priestorové prerozdelenie svetelného toku pri superponovaní dvoch (alebo viacerých) koherentných svetelných vĺn, výsledkom čoho sú na niektorých miestach maximá intenzity a na iných minimá (interferenčný obrazec).
Maximálny stav: Minimálny stav:
Aplikácia interferencie svetla:
1. Meranie dĺžok s veľmi vysokou presnosťou; To umožnilo poskytnúť ľahko reprodukovateľnú a pomerne presnú definíciu jednotky dĺžky - metra v závislosti od vlnovej dĺžky oranžovej čiary kryptónu. Interferenčné komparátory umožňujú porovnávať veľkosti do 1 metra s presnosťou 0,05 mikrónu; menšie veľkosti je možné merať s ešte väčšou presnosťou. Takáto vysoká presnosť je spôsobená skutočnosťou, že zmena dráhového rozdielu o desatinu vlnovej dĺžky výrazne posunie interferenčné prúžky.
2. Účinok veľkého počtu optických zariadení pod spoločný názov interferometre, ktoré sa používajú na rôzne merania. V opticko-mechanickom priemysle sa interferometre používajú na kontrolu kvality optických systémov a kontrolu povrchu jednotlivých optických častí. V kovospracujúcom priemysle - kontrolovať čistotu spracovania kovových povrchov. Štúdium a kontrola leštenia zrkadlových povrchov sa vykonáva s presnosťou stotín vlnovej dĺžky.
3. Pomocou javu interferencie sa určuje množstvo dôležitých veličín charakterizujúcich látky: koeficient rozťažnosti pevné látky(dilatometre), index lomu plynných, kvapalných a pevných telies (refraktometre) atď. Interferenčné dilatometre umožňujú zaznamenať predĺženie vzorky o 0,02 μm.
4. Interferenčné spektroskopy sú široko používané na štúdium spektrálneho zloženia žiarenia rôznych látok.
5. Pomocou interferencie polarizovaných lúčov sa stanovujú hodnoty vnútorných napätí v rôznych častiach (metóda fotoelasticity).
Prvý experiment na pozorovanie interferencie svetla v laboratórnych podmienkach patrí I. Newtonovi. Pozoroval interferenčný obrazec, ktorý vzniká, keď sa svetlo odráža v tenkej vzduchovej vrstve medzi bytom sklenená doska a plankonvexná šošovka s veľkým polomerom zakrivenia. Interferenčný obrazec mal formu sústredných prstencov, nazývaných Newtonove prstence.
Vyblednuté farby.
Zakalenie je dúhová farba, ktorá sa objavuje na čistom povrchu vyhrievanej ocele v dôsledku vytvorenia tenkého oxidového filmu na ňom. Hrúbka filmu závisí od teploty ohrevu ocele: filmy rôznych hrúbok odrážajú svetelné lúče rôzne, čo určuje rôzne farby zakalenia (pozri tabuľku). Na legovaných oceliach (ktoré obsahujú iné kovy na dodanie určitých vlastností) oceliach sa pri vyšších teplotách objavujú rovnaké matné farby.
Laboratórna práca č.13
Predmet: "Pozorovanie interferencie a difrakcie svetla"
Cieľ práce: experimentálne študovať fenomén interferencie a difrakcie.
Vybavenie: elektrická lampa s rovným vláknom (jedna na triedu), dve sklenené platne, sklenená trubica, pohár s mydlovým roztokom, drôtený krúžok s rúčkou o priemere 30 mm, CD, strmeň, nylonová tkanina.
teória:
Rušenie je jav charakteristický pre vlny akejkoľvek povahy: mechanické, elektromagnetické.
Rušenie vĺn – sčítanie v priestore dvoch (alebo viacerých) vĺn, pri ktorých sa v rôznych bodoch výsledná vlna zosilňuje alebo zoslabuje.
Rušenie sa zvyčajne pozoruje, keď sa vlny vyžarované rovnakým zdrojom svetla prekrývajú a dostávajú sa do daného bodu. rôznymi spôsobmi. Nie je možné získať interferenčný obrazec z dvoch nezávislých zdrojov, pretože molekuly alebo atómy vyžarujú svetlo v samostatných sledoch vĺn, nezávisle od seba. Atómy vyžarujú fragmenty svetelných vĺn (vlaky), v ktorých sú fázy kmitania náhodné. Vlaky sú dlhé asi 1 meter. Vlnové sledy rôznych atómov sa navzájom prekrývajú. Amplitúda výsledných kmitov sa v priebehu času chaoticky mení tak rýchlo, že oko nestihne túto zmenu vzorcov zaznamenať. Preto človek vidí priestor rovnomerne osvetlený. Na vytvorenie stabilného interferenčného vzoru sú potrebné zdroje koherentných (zhodných) vĺn.
Súdržné nazývame vlny, ktoré majú rovnakú frekvenciu a konštantný fázový rozdiel.
Amplitúda výsledného posunu v bode C závisí od rozdielu dráh vĺn vo vzdialenosti d2 – d1.
Maximálny stav
, (Ad=d2-d1 )
Kde k=0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…
(rozdiel v dráhe vlny sa rovná párnemu počtu polvĺn)
Vlny zo zdrojov A a B dorazia do bodu C v rovnakých fázach a „navzájom sa posilnia“.
φ A =φ B - fázy kmitania
Δφ=0 - fázový rozdiel
A = 2X max
Minimálny stav
, (Ad=d2-d1)
Kde k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…
(rozdiel v dráhe vlny sa rovná nepárnemu počtu polvĺn)
Vlny zo zdrojov A a B dorazia do bodu C v protifáze a „vzájomne sa zrušia“.
φ A ≠φ B - fázy kmitania
Δφ=π - fázový rozdiel
A = 0 – amplitúda výslednej vlny.
Interferenčný vzor– pravidelné striedanie oblastí so zvýšenou a zníženou intenzitou svetla.
Rušenie svetla– priestorové prerozdelenie energie svetelného žiarenia pri superponovaní dvoch alebo viacerých svetelných vĺn.
V dôsledku difrakcie sa svetlo odchyľuje od svojho lineárneho šírenia (napríklad v blízkosti okrajov prekážok).
Difrakcia – jav odklonu vĺn od priamočiareho šírenia pri prechode malými otvormi a ohyb vlny okolo malých prekážok.
Podmienky difrakcie: d< λ , Kde d- veľkosť prekážky, λ - vlnová dĺžka. Rozmery prekážok (otvorov) musia byť menšie alebo porovnateľné s vlnovou dĺžkou.
Existencia tohto javu (difrakcia) obmedzuje rozsah aplikácie zákonov geometrickej optiky a je dôvodom limitu rozlišovacej schopnosti optických prístrojov.
Difrakčná mriežka– optické zariadenie, ktoré je periodickou štruktúrou veľkého počtu pravidelne usporiadaných prvkov, na ktorých dochádza k difrakcii svetla. Ťahy so špecifickým a konštantným profilom pre danú difrakčnú mriežku sa opakujú v rovnakom intervale d(mriežkové obdobie). Schopnosť difrakčnej mriežky oddeliť na ňu dopadajúci lúč svetla podľa vlnových dĺžok je jej hlavnou vlastnosťou. K dispozícii sú reflexné a priehľadné difrakčné mriežky. IN moderné zariadenia používajú sa najmä reflexné difrakčné mriežky.
Podmienka pre dodržanie difrakčného maxima:
d·sinφ=k·λ, Kde k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d- mriežkové obdobie , φ - uhol, pri ktorom sa pozoruje maximum, a λ - vlnová dĺžka.
Z maximálneho stavu to vyplýva sinφ=(k·λ)/d.
Nech k=1 teda sinφcr =λcr/d A sinφ f =λ f /d.
To je známe λ cr >λ f, teda sinφ cr>sinφ f. Pretože y= sinφ f - funkcia sa teda zvyšuje φ cr >φ f
Preto Fialová v difrakčnom spektre sa nachádza bližšie k stredu.
Pri javoch interferencie a difrakcie svetla sa dodržiava zákon zachovania energie. V interferenčnej oblasti sa svetelná energia iba prerozdeľuje bez toho, aby sa premieňala na iné druhy energie. Nárast energie v niektorých bodoch interferenčného obrazca vzhľadom na celkovú svetelnú energiu je kompenzovaný jej poklesom v iných bodoch (celková svetelná energia je svetelná energia dvoch svetelných lúčov z nezávislých zdrojov). Svetlé pruhy zodpovedajú energetickým maximám, tmavé pruhy energetickým minimám.
Pokrok:
Skúsenosti 1.Ponorte drôtený krúžok do mydlového roztoku. Na drôtenom krúžku sa vytvorí mydlový film.
Umiestnite ho vertikálne. Pozorujeme svetlé a tmavé horizontálne pruhy, ktorých šírka sa mení so zmenou hrúbky filmu.
Vysvetlenie. Vzhľad svetlých a tmavých pruhov sa vysvetľuje interferenciou svetelných vĺn odrazených od povrchu filmu. trojuholník d = 2h. Rozdiel v dráhe svetelných vĺn sa rovná dvojnásobku hrúbky filmu. Pri vertikálnej polohe má fólia klinovitý tvar. Rozdiel v dráhe svetelných vĺn v jeho hornej časti bude menší ako v spodnej časti. Na tých miestach filmu, kde sa dráhový rozdiel rovná párnemu počtu polvln, sú pozorované svetlé pruhy. A s nepárnym počtom polovičných vĺn - tmavé pruhy. Horizontálne usporiadanie pruhov sa vysvetľuje horizontálnym usporiadaním čiar rovnakej hrúbky filmu.
Mydlový film osvetlíme bielym svetlom (z lampy). Pozorujeme, že svetlé pruhy sú zafarbené v spektrálnych farbách: modrá hore, červená dole.
Vysvetlenie. Toto sfarbenie sa vysvetľuje závislosťou polohy svetelných pruhov od vlnovej dĺžky dopadajúcej farby.
Tiež pozorujeme, že pruhy, ktoré sa rozširujú a udržujú si svoj tvar, sa pohybujú nadol.
Vysvetlenie. Vysvetľuje sa to znížením hrúbky filmu, pretože mydlový roztok steká pod vplyvom gravitácie.
Skúsenosť 2. Pomocou sklenenej trubice vyfúknite mydlovú bublinu a dôkladne ju preskúmajte. Pri osvetlení bielym svetlom pozorujte tvorbu farebných interferenčných prstencov, zafarbených v spektrálnych farbách. Horný okraj každého svetelného krúžku má Modrá farba, spodná je červená. Keď sa hrúbka filmu znižuje, krúžky, ktoré sa tiež rozširujú, sa pomaly pohybujú nadol. Ich prstencový tvar je vysvetlený prstencovými čiarami rovnakej hrúbky.
Odpovedz na otázku:
- Prečo sú mydlové bubliny dúhovej farby?
- Aký tvar majú dúhové pruhy?
- Prečo sa farba bubliny neustále mení?
Skúsenosť 3. Dve sklenené dosky dôkladne utrite, priložte k sebe a pritlačte k sebe prstami. V dôsledku nedokonalého tvaru kontaktných plôch sa medzi doskami vytvárajú tenké vzduchové medzery.
Keď sa svetlo odráža od povrchov dosiek tvoriacich medzeru, objavia sa jasné dúhové pruhy - prstencového alebo nepravidelného tvaru. Keď sa zmení sila stláčajúca dosky, zmení sa umiestnenie a tvar pásov. Načrtnite obrázky, ktoré vidíte.
Vysvetlenie: Plochy dosiek nemôžu byť úplne rovné, preto sa dotýkajú len na niekoľkých miestach. Okolo týchto miest sa tvoria najtenšie vzduchové kliny rôznych tvarov, čo dáva interferenčný vzor. V prechádzajúcom svetle je maximálny stav 2h=kl
Odpovedz na otázku:
- Prečo sú na miestach, kde sa dosky dotýkajú, pozorované svetlé dúhové prstencové alebo nepravidelne tvarované pruhy?
- Prečo sa tvar a umiestnenie interferenčných prúžkov mení so zmenou tlaku?
Skúsenosť 4.Pozrite sa pozorne zospodu rôzne uhly povrchu CD (na ktorý sa nahráva).
Vysvetlenie: Jas difrakčných spektier závisí od frekvencie drážok aplikovaných na disk a od uhla dopadu lúčov. Takmer rovnobežné lúče dopadajúce z vlákna žiarovky sa odrážajú od susedných vypuklostí medzi drážkami v bodoch A a B. Lúče odrazené pod uhlom rovnajúcim sa uhlu dopadu vytvárajú obraz vlákna žiarovky vo forme bielej čiary. Lúče odrazené pod inými uhlami majú určitý rozdiel v dráhe, v dôsledku čoho dochádza k pridávaniu vĺn.
čo pozoruješ? Vysvetlite pozorované javy. Opíšte interferenčný vzor.
Povrch CD je špirálovitá stopa s výškou úmernou vlnovej dĺžke viditeľné svetlo. Na jemne štruktúrovanom povrchu sa objavujú difrakčné a interferenčné javy. Odlesky CD majú dúhové sfarbenie.
Skúsenosť 5. Posúvame posúvač strmeňa, kým sa medzi čeľusťami nevytvorí medzera široká 0,5 mm.
Skosenú časť hubiek priložíme k oku (štrbinu umiestnime vertikálne). Cez túto medzeru sa pozeráme na zvislé vlákno horiacej lampy. Na oboch stranách nite pozorujeme rovnobežné s ňou dúhové pruhy. Šírku štrbiny meníme v rozmedzí 0,05 - 0,8 mm. Pri prechode do užších štrbín sa pásy od seba vzďaľujú, rozširujú a vytvárajú rozlíšiteľné spektrá. Pri pozorovaní cez najširšiu štrbinu sú pruhy veľmi úzke a nachádzajú sa blízko seba. Nakreslite obrázok, ktorý ste videli v zošite. Vysvetlite pozorované javy.
Skúsenosti 6. Pozrite sa cez nylonovú tkaninu na vlákno horiacej lampy. Otáčaním látky okolo jej osi docielite jasný difrakčný obrazec v podobe dvoch difrakčných prúžkov prekrížených v pravom uhle.
Vysvetlenie: V strede kôry je viditeľné maximum difrakcie biely. Pri k=0 je rozdiel v dráhach vĺn nulový, takže centrálne maximum je biele. Kríž je vytvorený, pretože vlákna tkaniny sú dve difrakčné mriežky zložené dohromady s navzájom kolmými štrbinami. Vzhľad spektrálnych farieb sa vysvetľuje tým, že biele svetlo pozostáva z vĺn rôznych dĺžok. Difrakčné maximum svetla pre rôzne vlnové dĺžky sa získa na rôznych miestach.
Načrtnite pozorovaný difrakčný kríž. Vysvetlite pozorované javy.
Zaznamenajte záver. Uveďte, v ktorom z experimentov, ktoré ste vykonali, bol pozorovaný jav interferencie a v ktorom difrakcia.
Kontrolné otázky:
- čo je svetlo?
- Kto dokázal, že svetlo je elektromagnetické vlnenie?
- Čo sa nazýva interferencia svetla? Aké sú maximálne a minimálne podmienky pre rušenie?
- Môžu svetelné vlny prichádzajúce z dvoch žiaroviek rušiť? prečo?
- Čo je difrakcia svetla?
- Závisí poloha hlavného difrakčného maxima od počtu štrbín mriežky?
Cieľ práce: Skúmajte závislosť periódy kmitania nitového kyvadla od dĺžky nite a kyvadla pružiny od hmotnosti bremena.
Vybavenie: statív, pravítko, závažie na šnúrke, súprava závažia, stopky, pružina.
Vysvetlenia k práci
Závitové kyvadlo pozostáva z hmoty m zavesenej na beztiažovej neroztiahnuteľnej nite dĺžky l. Vyjadruje sa závislosť periódy kmitania závitového kyvadla od dĺžky závitu
vzorec: .
Pružinové kyvadlo pozostáva z hmoty hmotnosti m zavesenej na pružine s tuhosťou k. Závislosť periódy kmitania pružinového kyvadla od hmotnosti bremena vyjadruje vzorec: .
Úlohy
Zostavte strunové kyvadlo.
Nakreslite schému experimentu.
Odmerajte čas 15-20 kmitov (počet kmitov vo všetkých experimentoch by mal byť rovnaký).
Zmenou dĺžky nite (iba zväčšovanie alebo len zmenšovanie) zmerajte čas kmitania ešte 4 krát.
Vyplňte tabuľku 1 výsledkov meraní a výpočtov:
| Skúsenosť č. | Dĺžka závitu, l, m | Časový interval, t, s | Doba oscilácie | Doba oscilácie |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
7. Skontrolujte svoje výpočty pomocou vzorca: .
Nakreslite graf periódy kmitania kyvadla závitu v závislosti od dĺžky závitu.
Zostavte pružinové kyvadlo.
Nakreslite schému experimentu.
Určte tuhosť pružiny:
b) určte silu F , a tiež zmerajte zodpovedajúce predĺženie pružiny X;
c) vypočítajte koeficient tuhosti pružiny pomocou vzorca: .
Odmerajte čas 10-15 kmitov (počet kmitov vo všetkých experimentoch by mal byť rovnaký).
Pri zmene hmotnosti bremena (iba zväčšovanie alebo len klesanie) zmerajte čas kmitania ešte 4 krát.
Určte periódu kmitania kyvadla v každom experimente pomocou vzorca: T=t/N.
Vyplňte tabuľku 2 výsledkov meraní a výpočtov:
| Skúsenosť č. | Hmotnosť nákladu, m, kg | Časový interval, t, s | Doba oscilácie | Doba oscilácie |
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Kontrolné otázky
Aké vibrácie sa nazývajú voľné?
Ako súvisí perióda oscilácie s frekvenciou?
Zmení sa perióda oscilácie akéhokoľvek telesa, ak sa umiestni zo vzduchu do vody?
Aký je fyzikálny význam oscilačnej fázy?
Literatúra
Práca trvá 2 hodiny
Laboratórna práca č.11
Predmet: Výskum javovinterferencia a difrakcia svetla
Cieľ práce:štúdium vlastnosti interferencia a difrakcia svetla.
Vybavenie: zápalky, liehová lampa, guľôčka vaty na drôtiku v skúmavke navlhčenej roztokom chloridu sodného, drôtený krúžok s rúčkou, pohár s roztokom mydla, sklenená trubička, sklenené doštičky - 2 ks ., CD, strmeň, lampa s rovným vláknom, nylonová tkanina čiernej farby.
Vysvetlenia k práci
Pozorovanie interferencie svetla
Ak chcete pozorovať interferenciu s monochromatickým žiarením, pridajte do plameňa alkoholovej lampy guľôčku vaty navlhčenú roztokom chloridu sodného. V tomto prípade je plameň farebný žltá. Ponorením drôteného krúžku do mydlového roztoku sa získa mydlový film, ktorý sa umiestni vertikálne a pozoruje sa na tmavom pozadí osvetlenom žltým svetlom alkoholovej lampy. Pozoruje sa tvorba tmavých a žltých vodorovných pruhov a zmena ich šírky, keď sa hrúbka filmu znižuje.
Na tých miestach filmu, kde sa dráhový rozdiel koherentných lúčov rovná párnemu počtu polvĺn, sú pozorované svetlé pruhy a na nepárnom počte polvln tmavé pruhy.
Keď je film osvetlený bielym svetlom (z okna alebo lampy), svetlé pruhy sa zafarbia: modrá hore, červená dole. Pomocou sklenenej trubice vyfúknite malú mydlovú bublinu na povrch mydlového roztoku. Pri osvetlení bielym svetlom sa pozoruje tvorba farebných interferenčných krúžkov. Keď sa hrúbka filmu znižuje, krúžky sa rozširujú a pohybujú sa smerom nadol.
Interferencia sa pozoruje aj pri zvažovaní kontaktnej plochy dvoch sklenených dosiek pritlačených proti sebe.
V dôsledku nedokonalého tvaru styčných plôch sa medzi doskami vytvárajú tenké vzduchové dutiny, ktoré vytvárajú svetlé dúhové prstencové alebo uzavreté nepravidelne tvarované pruhy.
Keď sa zmení sila stláčajúca platne, zmení sa umiestnenie a tvar pruhov v odrazenom aj prechádzajúcom svetle.
Fenomén interferencie odrazených svetelných lúčov je obzvlášť zreteľne pozorovaný pri skúmaní povrchu CD.
Pozorovanie difrakcie svetla
Difrakcia svetla sa prejavuje porušením priamosti šírenia svetelných lúčov, ohýbaním vĺn okolo prekážok a prenikaním svetla do oblasti geometrického tieňa.
Ako heterogenita média sa v práci používa medzera medzi čeľusťami strmeňa. Cez túto medzeru sa pozerajú na zvislé vlákno horiacej lampy. Súčasne sú na oboch stranách vlákna viditeľné dúhové pruhy, rovnobežne s ním. Keď sa šírka štrbiny zmenšuje, pásy sa od seba vzďaľujú, rozširujú a vytvárajú jasne rozlíšiteľné spektrá. Tento efekt je možné pozorovať obzvlášť dobre, keď sa strmeň hladko otáča okolo zvislej osi.
Na tenkom vlákne je pozorovaný odlišný difrakčný obrazec. Rám s vláknom je umiestnený na pozadí horiacej lampy rovnobežne s vláknom. Odstránením a priblížením rámu k oku sa získa difrakčný obrazec, keď sú na stranách vlákna umiestnené svetlé a tmavé pruhy a v strede, v oblasti jeho geometrického tieňa, je pozorovaný svetlý pruh.
Na nylonovej tkanine je možné pozorovať difrakčný vzor. V nylonovej tkanine sú dva odlišné navzájom kolmé smery. Otáčaním látky okolo svojej osi sa pozerajú cez látku na vlákno horiacej lampy, čím sa dosahuje jasný difrakčný obrazec v podobe dvoch difrakčných prúžkov prekrížených v pravom uhle (difrakčný kríž). V strede kríža je viditeľné difrakčné maximum bielej farby a v každom pruhu je niekoľko farieb.
Úlohy
Preskúmajte na vlastnú päsť metodické pokyny na vykonávanie laboratórnych prác.
Vykonajte experimenty na pozorovanie interferencií svetla.
Skúsenosť 2: skúmajte mydlový film pri osvetlení bielym svetlom (z okna alebo lampy).
Vysvetlite poradie striedajúcich sa farieb v interferenčnom obrazci, keď je film osvetlený bielym svetlom.
Skúsenosť 3: Pomocou sklenenej trubice vyfúknite malú mydlovú bublinu na povrch mydlového roztoku. Vysvetlite dôvod pohybu interferenčných krúžkov smerom nadol.
Skúsenosti 4: stlačte dve sklenené dosky k sebe. Opíšte pozorovaný interferenčný obrazec. Určte zmenu interferenčného vzoru so zvyšujúcou sa silou stláčajúcou dosky.
Skúsenosti 5: zoberte CD a nasmerujte naň svetelné lúče zo žiarovky. Popíšte interferenčný obrazec, keď je CD osvetlené.
Vykonajte experimenty na pozorovanie difrakcie svetla.
Skúsenosť 2: vezmite si nylonovú tkaninu a pozrite sa cez ňu na vlákno horiacej lampy. Otáčaním látky okolo jej osi docielite jasný difrakčný obrazec v podobe dvoch difrakčných prúžkov prekrížených v pravom uhle. Nakreslite pozorovaný difrakčný kríž a popíšte ho.
Vypracujte správu, mala by obsahovať: názov témy a účel práce, kresby interferenčných a difrakčných obrazcov, ich popis a vysvetlenie, závery k práci.
Kontrolné otázky
Definujte interferenciu a difrakciu svetla.
Za akých podmienok sa pozoruje interferenčný obrazec?
Vymenujte podmienku koherencie svetelných vĺn.
Čo dokazuje fenomén interferencie svetla.
Uveďte príklady difrakcie svetla.
Literatúra
Dmitrieva V. F. Fyzika pre profesie a technické špeciality: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie začiatok a streda Prednášal prof. vzdelanie. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2014;
Samoilenko P.I. Fyzika pre profesie a odbornosti sociálno-ekonomického profilu: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie základných a stredných odborných škôl. vzdelanie. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2013;
Zápisník Kasyanov V.D laboratórne práce. 10. ročník - M.: Drop, 2014.
Práca trvá 2 hodiny
Laboratórna práca č.12
Predmet: Meranie vlnovej dĺžky svetla pomocou difrakčnej mriežky
Cieľ práce: zmerajte vlnovú dĺžku svetla pomocou difrakčnej mriežky.
Vybavenie: svetelný zdroj, difrakčná mriežka, prístroj na meranie vlnovej dĺžky svetla.
Vysvetlenia k práci
Difrakčná mriežka sa používa na rozdelenie svetla do spektra a meranie vlnovej dĺžky svetla. Najjednoduchšia difrakčná mriežka je sklenená platňa, na ktorú sa pomocou presného deliaceho stroja nanášajú ryhy navzájom rovnobežne a inštalujú sa úzke neporušené pásiky. Poškriabané miesta sú pre svetlo nepriehľadné a okolo škrabancov sa ohýbajú svetelné vlny blížiace sa k mriežke. Obdobie mriežky d je zvyčajné nazývať súčtom veľkostí priehľadných a nepriehľadných pruhov. Napríklad, ak je na difrakčnej mriežke 100 čiar na 1 mm, potom perióda mriežky d = 0,01 mm.
Nechajte rovnobežný monochromatický (všetky vlny majú rovnakú vlnovú dĺžku) lúč svetla dopadať normálne na mriežku. Svetlo prechádzajúce úzkymi štrbinami zažíva difrakciu a lúče sa odchyľujú v rôznych uhloch od pôvodného smeru. Každú štrbinu difrakčnej mriežky možno považovať za nezávislý zdroj koherentného žiarenia. Preto sa v každom bode obrazovky bude pridávať množstvo lúčov vychádzajúcich z každej štrbiny difrakčnej mriežky a dôjde k ich interferencii. Pretože počiatočná svetelná vlna dopadá normálne na mriežku, počiatočné fázy všetkých lúčov sú rovnaké. Vzdialenosť od mriežky k obrazovke je výrazne väčšia ako jej rozmery, takže lúče z rôznych infračervených štrbín pod rovnakým uhlom Θ dopadnú do rovnakého bodu na obrazovke. Jeho súradnica b je určená výrazom:
sin Θ ≈ tan Θ = b/ a,
kde sa akceptuje, že difrakčné uhly sú malé, takže sínusová hodnota môže byť nahradená dotyčnicou. Rozdiel v dráhe týchto lúčov súvisí s difrakčným uhlom vzťahom:
Ak sa rozdiel v dráhe lúčov rovná celému číslu m=1,2,3,...vlnové dĺžky, potom platí: ∆ = m λ a po sčítaní sa navzájom zosilňujú a pozoruje sa maximum, ktoré sa nazýva hlavné difrakčné maximum rádu m.
Difrakčné uhly zodpovedajúce hlavným maximám sa určia zo vzorca:
∆=d sin Θ m = mλ.
Pravá strana tejto rovnice sa nazýva rovnica difrakčnej mriežky. Ako z nej vidieť, poloha difrakčného maxima závisí od vlnovej dĺžky a rádu maxima m: čím väčšia je vlnová dĺžka svetla a poradové číslo, tým väčší je difrakčný uhol. Preto, keď je mriežka osvetlená bielym svetlom, lúče s rôzne dĺžky vlny sa difraktujú pod rôzne uhly a v dôsledku toho sa difrakčné maximum prevedie na spektrum. V tomto prípade sa na obrazovke vytvorí súbor spektier, ktoré sa môžu čiastočne prekrývať (každej hodnote difrakčného rádu m zodpovedá jedno spektrum). Limitný počet spektier, ktoré možno získať pomocou mriežky, určuje pomer: m max = d/λ.
Keď m=0, obraz je vytvorený lúčom rovnobežným s dopadajúcim lúčom svetla (Θ=0) a akcie všetkých lúčov sú sčítané bez ohľadu na vlnové dĺžky, takže v strede je pozorovaný biely svetelný pás.
Úlohy
Preštudujte si pokyny na vykonávanie laboratórnych prác sami.
Umiestnite difrakčnú mriežku do rámu zariadenia.
Pri pohľade cez difrakčnú mriežku nasmerujte zariadenie na zdroj svetla tak, aby bol viditeľný cez úzku zameriavaciu štrbinu obrazovky. V tomto prípade sa na oboch stranách štrbiny na čiernom pozadí objavia difrakčné spektrá niekoľkých rádov. Ak sú spektrá naklonené, otáčajte mriežkou o určitý uhol, kým sklon neodstránite. Určte polohu červenej a fialovej hranice spektra pre 1. a 2. rád. Zmerajte vzdialenosť od štítu k mriežke a vypočítajte vlnovú dĺžku pre fialové a červené svetlo pomocou vzorca:
Vzdialenosť A– od mriežky k obrazovke, vzdialenosť b – od štrbiny k spektrálnej čiare detegovanej vlny, m – poradie spektra, d – mriežková konštanta.
Opakujte meranie dĺžky fialového a červeného svetla v kratšej vzdialenosti A z difrakčnej mriežky.
Výsledky meraní a výpočtov zapíšte do tabuľky:
| Skúsenosť č. | mriežková konštanta, d, mm | Poradie spektra, m | Vzdialenosť od mriežky k váhe, A, mm | Hodnota odchýlky, b, mm | Vlnová dĺžka svetla, λ, mm |
||
| fialový. | červená | fialový | červená |
||||
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
Vypracujte správu, mala by obsahovať: názov témy a účel práce, zoznam potrebné vybavenie, vypočítané vzťahy, tabuľka s výsledkami meraní a výpočtov, záver o prac.
Odpovedzte na testové otázky ústne.
Kontrolné otázky
Ktoré vlny (červené alebo fialové svetlo) sa viac odchyľujú a prečo?
Definujte difrakciu svetla.
Ako závisí difrakčný uhol od periódy mriežky?
Na čo slúži difrakčná mriežka?
Ako určiť vlnovú dĺžku svetla?
Literatúra
Dmitrieva V.F. Fyzika pre profesie a technické špeciality: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie zač. a streda Prednášal prof. vzdelanie. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2014;
Samoilenko P.I. Fyzika pre profesie a odbornosti sociálno-ekonomického profilu: učebnica pre vzdelávacie inštitúcie základných a stredných odborných škôl. vzdelanie. - M.: Edičné stredisko "Akadémia", 2013;
Kasyanov V.D. Notebook pre laboratórne práce. 10. ročník - M.: Drop, 2014.
Práca trvá 2 hodiny
