Лабораторна роботапо темі: «Спостереження інтерференції та дифракції світла»

Мета роботи: експериментально вивчити явище інтерференції та дифракції.

Обладнання: електрична лампа з прямою ниткою розжарення, дві скляні пластинки, скляна трубка, склянка з розчином мила, дротяне кільце з ручкою діаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капронова тканина.

Теорія: Інтерференція – явище характерне хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних.

Інтерференція хвиль – додавання у просторі двох (чи кількох) хвиль, у якому у різних його точках виходить посилення чи ослаблення результуючої хвилі.

Зазвичай інтерференція спостерігається при накладенні хвиль, випущених одним і тим самим джерелом світла, що прийшли в цю точку різними шляхами. Від двох незалежних джерел неможливо одержати інтерференційну картину, т.к. молекули чи атоми випромінюють світло окремими цугами хвиль, незалежно друг від друга. Атоми випускають уривки світлових хвиль (цуги), у яких фази коливань випадкові. Цуги мають довжину близько 1 метра. Цуги хвиль різних атомів накладаються одна на одну. Амплітуда результуючих коливань з часом хаотично змінюється так швидко, що око не встигає цю зміну картин відчути. Тому людина бачить простір рівномірно освітленим. Для утворення стійкої інтерференційної картини потрібні когерентні (узгоджені) джерела хвиль.

Когерентними називаються хвилі, що мають однакову частоту і постійну різницю фаз.

Амплітуда результуючого усунення у точці З залежить від різниці ходу хвиль з відривом d2 – d1.

Умова максимуму

(Δd=d 2 -d 1 ) де k = 0; ±1; ±2; ± 3; (Різниця ходу хвиль дорівнює парному числу напівхвиль) Хвилі від джерел А і Б прийдуть в точку С в однакових фазах і посилять один одного. φ А =φ Б - фази коливань Δφ=0 - різниця фаз А = 2Х max

Умова мінімуму

	(Δd=d 2 -d 1 ) де k = 0; ±1; ±2; ± 3; (Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу напівхвиль) Хвилі від джерел А та Б прийдуть у точку С у протифазах і "погасять один одного". φ А ≠φ Б - фази коливань Δφ=π - різниця фаз А = 0 - Амплітуда результуючої хвилі.
	Інтерференційна картина- регулярне чергування областей підвищеної та зниженої інтенсивності світла. Інтерференція світла- Просторовий перерозподіл енергії світлового випромінювання при накладенні двох або декількох світлових хвиль.

Внаслідок дифракції світло відхиляється від прямолінійного поширення (наприклад, поблизу країв перешкод).

Дифракція – явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори та огинання хвилею малих перешкод.

Умова прояву дифракції: d де d - Розмір перешкоди,λ - довжина хвилі. Розміри перешкод (отворів) повинні бути меншими або порівнянними з довжиною хвилі.

Існування цього явища (дифракції) обмежує сферу застосування законів геометричної оптики і є причиною межі роздільної здатності оптичних приладів.

Дифракційні грати– оптичний прилад, що є періодичною структурою з великої кількостірегулярно розташованих елементів, у яких відбувається дифракція світла. Штрихи з певним та постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d (Період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати пучок світла, що падає на неї, по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні та прозорі дифракційні грати.У сучасних приладах застосовують переважно відбивні дифракційні грати..

Умова спостереження дифракційного максимуму:

d·sinφ=k·λ, де k=0; ±1; ±2; ±3; d - період решітки, φ - кут, під яким спостерігається максимуї, аλ – довжина хвилі.

З умови максимуму випливає sinφ=(k·λ)/d .

Нехай k = 1, тоді sin φ кр = λ кр / d і sin φ ф = λ ф / d.

Відомо, що λ кр >λ ф , отже sinφ кр >sinφ ф . Т.к. y= sinφ ф - функція зростаюча, тоφ кр >φ ф

Тому Фіолетовий коліру дифракційному спектрі розташовується ближче до центру.

У явищах інтерференції та дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія лише перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії у деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням їх у інших точках (сумарна світлова енергія – це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел). Світлі смужки відповідають максимуму енергії, темні – мінімуму.

Хід роботи:

Досвід 1. Опустіть дротяне кільце в мильний розчин.На дротяному кільці виходить мильна плівка.

Розташуйте її вертикально. Спостерігаємо світлі та темні горизонтальні смуги, що змінюються по ширині у міру зміни товщини плівки

Пояснення. Поява світлих і чорних смуг пояснюється інтерференцією світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки. трикутник d=2h.Різниця ходу світлових хвиль дорівнює подвоєній товщині плівки.При вертикальному розташуванні плівка має клиноподібну форму. Різниця ходу світлових хвиль у верхній її частині буде меншою, ніж у нижній. У тих місцях плівки, де різниця ходу дорівнює парному числу напівхвиль, спостерігаються світлі смуги. А при непарному числі напівхвиль – темні смуги. Горизонтальне розташування смуг пояснюється горизонтальним розташуванням ліній рівної товщини плівки.

Висвітлюємо мильну плівку білим світлом (від лампи). Спостерігаємо забарвлення світлих смуг у спектральні кольори: вгорі – синій, внизу – червоний.

Пояснення. Таке фарбування пояснюється залежністю положення світлих смуг про довжину хвиль падаючого кольору.

Спостерігаємо також, що смуги, розширюючись та зберігаючи свою форму, переміщуються вниз.

Пояснення. Це зменшенням товщини плівки, оскільки мильний розчин стікає вниз під впливом сили тяжкості.

Досвід 2 За допомогою скляної трубки видуйте мильний міхур і уважно розгляньте його.При освітленні його білим світлом спостерігайте утворення кольорових інтерференційних кілець, пофарбованих у спектральні кольори. Верхній край кожного світлого кільця має синій колір, нижній – червоний. У міру зменшення товщини плівки кільця, також розширюючись, повільно рухаються вниз. Їхню кільцеподібну форму пояснюють кільцеподібною формою ліній рівної товщини.

Дайте відповідь на питання:

1. Чому мильні бульбашки мають райдужне забарвлення?
2. Яку форму мають райдужні смуги?
3. Чому забарвлення міхура постійно змінюється?

Досвід 3*. Ретельно протріть дві скляні пластинки, складіть разом та стисніть пальцями. Через неідеальність форми дотичних поверхонь між пластинками утворюються найтонші повітряні порожнечі.

	При відображенні світла від поверхонь пластин, що утворюють зазор, виникають яскраві райдужні смуги - кільцеподібні або неправильної форми. При зміні сили, що стискає платівки, змінюються розташування та форма смуг.Замалюйте побачені вами картинки.

Пояснення: Поверхні пластин не можуть бути абсолютно рівними, тому стикаються вони лише в декількох місцях. Навколо цих місць утворюються найтонші повітряні клини. різної форми, що дають картину інтерференції. У світлі, що проходить, умова максимуму 2h=kl

Дайте відповідь на питання:

1. Чому у місцях зіткнення пластин спостерігаються яскраві райдужні кільцеподібні чи неправильної форми смуги?

Пояснення : Яскравість дифракційних спектрів залежить від частоти нанесених на диск борозенок та від величини кута падіння променів. Майже паралельні промені, що падають від нитки лампи, відбиваються від сусідніх опуклостей між борозенками в точках А і В. Промені, відбиті під кутом рівним кутупадіння утворюють зображення нитки лампи у вигляді білої лінії. Промені, відбиті під іншими кутами мають деяку різницю ходу, унаслідок чого відбувається складання хвиль.

Що ви спостерігаєте? Поясніть явища, що спостерігаються. Опишіть інтерференційну картину.

Поверхня компакт-диска є спіральною доріжкою з кроком порівнянним з довжиною хвилі видимого світла. На дрібноструктурній поверхні проявляються дифракційні та інтерференційні явища. Блики компакт-дисків мають райдужне забарвлення.

Досвід 5. Подивіться крізь капронову тканину на нитку лампи, що горить. Повертаючи тканину навколо осі, досягайте чіткої дифракційної картини у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракційних смуг.

Пояснення : У центрі хреста видно дифракційний максимум білого кольору При k=0 різниця ходу хвиль дорівнює нулю, тому центральний максимум виходить білого кольору. Хрест виходить тому, що нитки тканини є двома складеними разом дифракційними гратами із взаємно перпендикулярними щілинами. Поява спектральних кольорів пояснюється тим, що біле світло складається з хвиль різної довжини. Дифракційний максимум світла для різних хвиль виходить у різних місцях.

Замалюйте дифракційний хрест, що спостерігається.Поясніть явища, що спостерігаються.

Запишіть висновок. Вкажіть, у яких із виконаних вами дослідів спостерігалося явище інтерференції, а яких дифракції.

Тема: Спостереження явищ інтерференції та дифракції світла.

Мета роботи: експериментально вивчити явище інтерференції та дифракції.

Обладнання:

• склянки із розчином мила;
• кільце дротяне з ручкою;
• капронова тканина;
• компакт диск;
• лампа розжарювання;
• штангенциркуль;
• дві скляні пластини;
• лезо;
• пінцет;
• капронова тканина.

Теоретична частина

Інтерференція – явище характерне хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних. Інтерференція хвиль – додавання у просторі двох (чи кількох) хвиль, у якому у різних його точках виходить посилення чи ослаблення результуючої хвилі. Для утворення стійкої інтерференційної картини потрібні когерентні (узгоджені) джерела хвиль. Когерентними називаються хвилі, що мають однакову частоту та постійну різницю фаз.

Умови максимумів Δd = ± kλ, умови мінімумів, Δd = ± (2k + 1)λ/2де k =0; ±1; ±2; ± 3;(Різниця ходу хвиль дорівнює парному числу напівхвиль

Інтерференційна картина - регулярне чергування областей підвищеної та зниженої інтенсивності світла. Інтерференція світла – просторовий перерозподіл енергії світлового випромінювання при накладення двох або кількох світлових хвиль. Отже, в явищах інтерференції та дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія лише перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії у деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням їх у інших точках (сумарна світлова енергія – це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел).
Світлі смужки відповідають максимуму енергії, темні – мінімуму.

Дифракція - явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори та огинання хвилею малих перешкод. Умова прояву дифракції: d< λ, де d- Розмір перешкоди, λ - довжина хвилі. Розміри перешкод (отворів) повинні бути меншими або порівнянними з довжиною хвилі. Існування цього явища (дифракції) обмежує сферу застосування законів геометричної оптики і є причиною межі роздільної здатності оптичних приладів. Дифракційна решітка - оптичний прилад, що є періодичною структурою з великої кількості регулярно розташованих елементів, на яких відбувається дифракція світла. Штрихи з певним та постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d(Період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати пучок світла, що падає на неї, по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні та прозорі дифракційні грати. У сучасних приладах застосовують переважно відбивні дифракційні грати. Умова спостереження дифракційного максимуму: d sin(φ) = ± kλ

Вказівки до роботи

1. Опустіть дротяну рамку у мильний розчин. Поспостерігайте та замалюйте інтерференційну картину в мильній плівці. При освітленні плівки білим світлом (від вікна чи лампи) виникає фарбування світлих смуг: угорі – синій колір, внизу – у червоний колір. За допомогою скляної трубки видуйте мильний міхур. Спостерігайте за ним. При висвітленні його білим світлом спостерігають утворення кольорових інтерференційних кілець. У міру зменшення товщини плівки кільця, розширюючись, переміщуються вниз.

Дайте відповідь на питання:

1. Чому мильні бульбашки мають райдужне забарвлення?
2. Яку форму мають райдужні смуги?
3. Чому забарвлення міхура постійно змінюється?

2. Ретельно протріть скляні пластинки, складіть їх разом та стисніть пальцями. Через неідеальність форми дотичних поверхонь між пластинками утворюються найтонші повітряні порожнечі, що дають яскраві райдужні кільцеподібні або замкнуті неправильної форми смуги. При зміні сили, що стискає пластинки, розташування і форма смуг змінюються як у відбитому, так і в світлі, що проходить. Замалюйте побачені вами картинки.

Дайте відповідь на питання:

1. Чому в окремих місцях зіткнення пластин спостерігаються яскраві райдужні кільцеподібні або неправильні форми смуги?
2. Чому із зміною натиску змінюються форма та розташування отриманих інтерференційних смуг?

3. Покладіть горизонтально на рівні очей компакт-диск. Що ви спостерігаєте? Поясніть явища, що спостерігаються. Опишіть інтерференційну картину.

4. Подивіться крізь капронову тканину на нитку лампи, що горить. Повертаючи тканину навколо осі, досягайте чіткої дифракційної картини у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракційних смуг. Замалюйте дифракційний хрест, що спостерігається.

5. Поспостерігайте дві дифракційні картини при розгляді нитки лампи, що горить, через щілину, утворену губками штангенциркуля (при ширині щілини 0,05 мм і 0,8 мм). Опишіть зміну характеру інтерференційної картини за плавного повороту штангенциркуля навколо вертикальної осі (при ширині щілини 0,8 мм). Цей досвід повторіть із двома лезами, притиснувши їх один до одного. Опишіть характер інтерференційної картини

Запишіть висновки. Вкажіть, у яких із виконаних вами дослідів спостерігалося явище інтерференції? дифракції?

Фотоматеріал можна використовувати на уроках фізики 9,11 класу, розділ «Хвильова оптика».

Інтерференція у тонких плівках

Переливчасті кольори виходять рахунок інтерференції світлових хвиль. Коли світло проходить крізь тонку плівку, частина відбивається від зовнішньої поверхні, тоді як інша частина проникає всередину плівки і відбивається від внутрішньої поверхні.

Інтерференція спостерігається у всіх тонких, що пропускають світло, плівках на будь-яких поверхнях; у випадку з лезом ножа, тонка плівка (втеча) утворюється в процесі окислення довкілляна поверхні металу.

Дифракція світла

Поверхня компакт-диска є рельєфною спіральною доріжкою на поверхні полімеру, крок якої можна порівняти з довжиною хвилі видимого світла. На такій упорядкованій та дрібноструктурній поверхні з'явилися дифракційні та інтерференційні явища, що і є причиною райдужного забарвлення відблисків компакт-диска, що спостерігаються у білому світлі.

Подивимося на лампу розжарювання через отвори малого діаметра. На шляху світлової хвилі виникає перешкода, і вона його огинає, чим менше діаметр тим сильніше дифракція (видні світлові кола) Чим менше отвір у картоні, тим менше променів проходить через отвір, тим самим зображення нитки лампи розжарювання чіткіше, а розкладання світла інтенсивніше.

Розглянемо на лампу розжарювання та Сонце через капрон. Капрон, виступає як дифракційні грати. Чим більше його шарів, тим інтенсивніше відбувається дифракція.

Мета уроку:

• узагальнити знання на тему “Інтерференція та дифракція світла”;
• продовжити формування експериментальних умінь та навичок учнів;
• застосувати теоретичні знання пояснення явищ природи;
• сприяти формуванню інтересу до фізики та процесу наукового пізнання;
• сприяти розширенню кругозору учнів, розвитку вміння робити висновки за наслідками експерименту.

Обладнання:

• лампа з прямою ниткою розжарення (одна на клас);
• кільце дротяне з ручкою (роботи №1,2);
• склянку з мильним розчином (роботи №1,2);
• пластинки скляні (40 х 60мм) по 2 штуки на один комплект (робота №3) (саморобне обладнання);
• штангенциркуль (робота №4);
• тканина капронова (100 х 100мм, саморобне обладнання, робота №5);
• грамплатівки (4 та 8 штрихів на 1мм, робота №6);
• компакт-диски (робота №6);
• фотографії комах та птахів (робота №7).

Хід заняття

I. Актуалізація знань на тему “Інтерференція світла”(повторення вивченого матеріалу).

Вчитель: Перед виконанням експериментальних завдань повторимо основний матеріал.

Яке явище називають явищем інтерференції?

Для яких хвиль характерне явище інтерференції?

Дайте визначення когерентних хвиль.

Запишіть умови інтерференційних максимумів та мінімумів.

Чи дотримується закон збереження енергії у явищах інтерференції?

Учні (імовірні відповіді):

– Інтерференція – явище характерне хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних. “Інтерференція хвиль – додавання у просторі двох (чи кількох) хвиль, у якому у різних його точках виходить посилення чи ослаблення результуючої хвилі”.

– Для утворення стійкої інтерференційної картини потрібні когерентні (узгоджені) джерела хвиль.

– Когерентними називаються хвилі, що мають однакову частоту та постійну різницю фаз.

– На дошці учні записують умови максимумів та мінімумів.

Амплітуда результуючого усунення в точці С залежить від різниці ходу хвиль на відстані d 2 – d 1 .

рисунок1 – умови максимумів	рисунок2 – умови мінімумів
, () де k = 0; ±1; ±2; ± 3; (Різниця ходу хвиль дорівнює парному числу напівхвиль) Хвилі від джерел S 1 і S 2 прийдуть в точку С в однакових фазах і посилять один одного. Фази коливань Різниця фаз А = 2Х max - амплітуда результуючої хвилі.	, () де k = 0; ±1; ±2; ± 3; (Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу напівхвиль) Хвилі від джерел S 1 і S 2 прийдуть у точку С у протифазах і "погасять один одного". Фази коливань Різниця фаз А = 0 - амплітуда результуючої хвилі.

Інтерференційна картина - регулярне чергування областей підвищеної та зниженої інтенсивності світла.

– Інтерференція світла – просторовий перерозподіл енергії світлового випромінювання під час накладання двох або кількох світлових хвиль.

Отже, в явищах інтерференції та дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія лише перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії у деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням їх у інших точках (сумарна світлова енергія – це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел).

Світлі смужки відповідають максимуму енергії, темні – мінімуму.

Вчитель: Переходимо до практичної частини уроку.

Експериментальна робота №1

"Спостереження явища інтерференції світла на мильній плівці".

Обладнання: склянки з розчином мила, дротяні кільця з ручкою діаметром 30 мм. ( див. малюнок 3)

Учні спостерігають інтерференцію у затемненому класі на плоскій мильній плівці при монохроматичному освітленні.

На дротяному кільці отримуємо мильну плівку і розташовуємо її вертикально.

Спостерігаємо світлі та темні горизонтальні смуги, що змінюються по ширині у міру зміни товщини плівки ( див. малюнок 4).

Пояснення. Поява світлих і чорних смуг пояснюється інтерференцією світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки. трикутник d = 2h

Різниця ходу світлових хвиль дорівнює подвоєній товщині плівки.

При вертикальному розташуванні плівка має клиноподібну форму. Різниця ходу світлових хвиль у верхній її частині буде меншою, ніж у нижній. У тих місцях плівки, де різниця ходу дорівнює парному числу напівхвиль, спостерігаються світлі смуги. А при непарному числі напівхвиль – світлі смуги. Горизонтальне розташування смуг пояснюється горизонтальним розташуванням ліній рівної товщини плівки.

4. Висвітлюємо мильну плівку білим світлом (від лампи).

5. Спостерігаємо забарвлення світлих смуг у спектральні кольори: вгорі – синій, внизу – червоний.

Пояснення. Таке фарбування пояснюється залежністю положення світлих смуг про довжину хвиль падаючого кольору.

6.Спостерігаємо також, що смуги, розширюючись і зберігаючи свою форму, переміщуються вниз.

Пояснення. Це зменшенням товщини плівки, оскільки мильний розчин стікає вниз під впливом сили тяжкості.

Експериментальна робота №2

"Спостереження інтерференції світла на мильному міхурі".

1. Учні видують мильні бульбашки (Див. рисунок 5).

2. Спостерігаємо на верхній та нижній його частині утворення інтерференційних кілець, пофарбованих у спектральні кольори. Верхній край кожного світлого кільця має синій колір, нижній – червоний. У міру зменшення товщини плівки кільця, також розширюючись, повільно рухаються вниз. Їх кільцеподібну форму пояснюють кільцеподібною формою ліній рівної товщини.

Експериментальна робота №3.

"Спостереження інтерференції світла на повітряній плівці"

Чисті скляні пластинки учні складають разом і стискають пальцями (див. рисунок №6).

Платівки розглядають у відбитому світлі на темному тлі.

Спостерігаємо у деяких місцях яскраві райдужні кільцеподібні або замкнуті неправильної форми смуги.

Змініть натиск і спостерігайте зміну розташування та форми смуг.

Вчитель: Спостереження у цій роботі мають індивідуальний характер. Замалюйте інтерференційну картину.

Пояснення: Поверхні пластин не можуть бути абсолютно рівними, тому стикаються вони лише в декількох місцях. Навколо цих місць утворюються найтонші повітряні клини різної форми, що дають картину інтерференції. (Малюнок № 7).

У світлі, що проходить, умова максимуму 2h=kl

Вчитель: Явище інтерференції та поляризації в будівельній та машинобудівній техніці використовують для вивчення напруги, що виникають в окремих вузлах споруд та машин. Метод дослідження називають фотопружним. Наприклад, при деформації моделі деталі однорідність органічного скла порушується. Характер інтерференційної картини відображає внутрішні напруження в деталі.(Малюнок № 8) .

ІІ. Актуалізація знань на тему “Дифракція світла” (повторення вивченого матеріалу).

Вчитель: Перед виконанням другої частини роботи повторимо основний матеріал.

Яке явище називають явищем дифракції?

Умови прояву дифракції.

Дифракційні грати, її види та основні властивості.

Умови спостереження дифракційного максимуму.

Чому фіолетовий колір ближче до центру інтерференційної картини?

Учні (імовірні відповіді):

Дифракція - явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори та огинання хвилею малих перешкод.

Умова прояву дифракції: d < , де d- Розмір перешкоди, - Довжина хвилі. Розміри перешкод (отворів) повинні бути меншими або порівнянними з довжиною хвилі. Існування цього явища (дифракції) обмежує сферу застосування законів геометричної оптики і є причиною межі роздільної здатності оптичних приладів.

Дифракційна решітка - оптичний прилад, що є періодичною структурою з великої кількості регулярно розташованих елементів, на яких відбувається дифракція світла. Штрихи з певним та постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d(Період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати пучок світла, що падає на неї, по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні та прозорі дифракційні грати. У сучасних приладах застосовують переважно відбивні дифракційні грати..

Умова спостереження дифракційного максимуму:

Експериментальна робота №4.

"Спостереження дифракції світла на вузькій щілині"

Обладнання: (див малюнок № 9)

1. Зсуваємо повзунок штангенциркуля до утворення між губками щілини шириною 0,5 мм.
2. Приставляємо скошену частину губок впритул до ока (має шель вертикально).
3. Крізь цю щілину дивимося на вертикально розташовану нитку лампи, що горить.
4. Спостерігаємо по обидва боки від нитки паралельні їй райдужні смужки.
5. Змінюємо ширину щілини не більше 0,05 – 0,8 мм. При переході до більш вузьким щілинамсмуги розсуваються, стають ширшими і утворюють помітні спектри. При спостереженні через широку щілину смуги дуже вузькі і розташовуються близько одна до одної.
6. Учні замальовують у зошит побачену картину.

Експериментальна робота №5.

"Спостереження дифракції світла на капронової тканини".

Обладнання: лампа з прямою ниткою напруження, тканина капронова розміром 100x100мм (рисунок 10)

1. Дивимося через капронову тканину на нитку лампи, що горить.
2. Спостерігаємо "дифракційний хрест" (картина у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракційних смуг).
3. Учні замальовують у зошит побачену картину (дифракційний хрест).

Пояснення: У центрі красти видно дифракційний максимум білого кольору. При k=0 різниця ходу хвиль дорівнює нулю, тому центральний максимум виходить білого кольору.

Хрест виходить тому, що нитки тканини є двома складеними разом дифракційними гратами із взаємно перпендикулярними щілинами. Поява спектральних кольорів пояснюється тим, що біле світло складається з хвиль різної довжини. Дифракційний максимум світла для різних хвиль виходить у різних місцях.

Експериментальна робота №6.

"Спостереження дифракції світла на грамплатівці та лазерному диску".

Устаткування: лампа з прямою ниткою розжарення, грамплатівка (див. рисунок 11)

Грампластинка є гарною дифракційною решіткою.

1. Розташовуємо грамплатівку так, щоб борозенки розташувалися паралельно нитці лампи і спостерігаємо дифракцію у відбитому світлі.
2. Спостерігаємо яскраві спектри дифракційні декількох порядків.

Яскравість дифракційних спектрів залежить від частоти нанесених на грамплатівку борозенок і від величини кута падіння променів. (Див. малюнок 12)

Майже паралельні промені, що падають від нитки лампи, відбиваються від сусідніх опуклостей між борозенками в точках А і В. Промені, відбиті під кутом, що дорівнює куту падіння, утворюють зображення нитки лампи у вигляді білої лінії. Промені, відбиті під іншими кутами мають деяку різницю ходу, унаслідок чого відбувається складання хвиль.

Аналогічним чином поспостерігаємо дифракцію на лазерному диску. (Див. малюнок 13)

Поверхня компакт-диска є спіральною доріжкою з кроком порівнянним з довжиною хвилі видимого світла. На дрібноструктурній поверхні проявляються дифракційні та інтерференційні явища. Блики компакт-дисків мають райдужне забарвлення.

Експериментальна робота №7.

"Спостереження дифракційного забарвлення комах за фотографіями".

Обладнання: (див. малюнки № 14, 15, 16.)

Вчитель: Дифракційне забарвлення птахів, метеликів та жуків дуже поширене у природі. Велика різноманітність у відтінках дифракційних кольорів властива павичам, фазанам, чорним лелекам, колібрі, метеликам. Дифракційне забарвлення тварин вивчали як біологи а й фізики .

Учні розглядають фотографії.

Пояснення: Зовнішня поверхня оперення у багатьох птахів та верхній покрив тіла метеликів та жуків характеризуються регулярним повторенням елементів структури з преіодом від одного до декількох мікрон, що утворюють дифракційні ґрати. Наприклад, структуру центральних вічок хвостового оперення павича можна побачити на малюнку № 14. Колір очей змінюється залежно від того, як падає на них світло, під яким кутом ми на них дивимося.

Контрольні питання (кожен учень отримує картку із завданням – відповісти письмово на запитання ):

1. Що таке світло?
2. Ким було доведено, що світло – це електромагнітна хвиля?
3. Яка швидкість світла у вакуумі?
4. Хто відкрив інтерференцію світла?
5. Чим пояснюється райдужне забарвлення тонких інтерференційних плівок?
6. Чи можуть інтерферувати світлові хвилі від двох електричних ламп розжарювання? Чому?
7. Чому товстий шар нафти не має райдужного забарвлення?
8. Чи залежить положення основних дифракційних максимумів від кількості щілин решітки?
9. Чому видиме райдужне забарвлення мильної плівки постійно змінюється?

Домашнє завдання (По групам, з урахуванням індивідуальних особливостей учнів).

– Підготувати повідомлення на тему “Парадокс Вавілова”.

- Скласти кросворди з ключовими словами "інтерференція", "дифракція".

Література:

1. Арабаджі В.І. Дифракційне фарбування комах / "Квант" № 2 1975р.
2. Волков В.А. Універсальні поурочні розробки з фізики. 11 клас. - М.: ВАКО, 2006р.
3. Козлов С.А. Про деякі оптичні властивості компакт-дисків. / "Фізика у школі" №1 2006р.
4. Компакт-диски / "Фізика у школі" №1 2006р.
5. Мякішев Г.Я., Буховцев Б.Б. Фізика: Навч. для 11 кл. середовищ. шк. - М.: Просвітництво, 2000 р.
6. Фабрикант В.А. Парадокс Вавілова / "Квант" № 2 1971р.
7. Фізика: Навч. для 11 кл. середовищ. шк. / Н.М.Шахмаєв, С.Н.Шахмаєв, Д.Ш.Шодієв. - М.: Просвітництво, 1991р.
8. Фізичний енциклопедичний словник / “Радянська енциклопедія”, 1983р.
9. Фронтальні лабораторні заняття з фізики у 7 – 11 класах загальноосвітніх установ: Кн. для вчителя / В.А.Буров, Ю.І.Дік, Б.С.Зворыкін та ін; За ред. В.А.Бурова, Г.Г.Нікіфорова. - М.: Просвітництво: Навч. літ., 1996р.

Лабораторна робота №13

Тема: «Спостереження інтерференції та дифракції світла»

Мета роботи:експериментально вивчити явище інтерференції та дифракції.

Обладнання:електрична лампа з прямою ниткою розжарення (одна на клас), дві скляні пластинки, скляна трубка, склянка з розчином мила, кільце дротяне з ручкою діаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капронова тканина.

Теорія:

Інтерференція – явище характерне хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних.

Інтерференція хвиль – додавання у просторі двох (чи кількох) хвиль, у якому у різних його точках виходить посилення чи ослаблення результуючої хвилі.

Зазвичай інтерференція спостерігається при накладенні хвиль, випущених одним і тим самим джерелом світла, що прийшли в цю точку різними шляхами. Від двох незалежних джерел неможливо одержати інтерференційну картину, т.к. молекули чи атоми випромінюють світло окремими цугами хвиль, незалежно друг від друга. Атоми випускають уривки світлових хвиль (цуги), у яких фази коливань випадкові. Цуги мають довжину близько 1 метра. Цуги хвиль різних атомів накладаються одна на одну. Амплітуда результуючих коливань з часом хаотично змінюється так швидко, що око не встигає цю зміну картин відчути. Тому людина бачить простір рівномірно освітленим. Для утворення стійкої інтерференційної картини потрібні когерентні (узгоджені) джерела хвиль.

Когерентними називаються хвилі, що мають однакову частоту і постійну різницю фаз.

Амплітуда результуючого усунення у точці З залежить від різниці ходу хвиль з відривом d2 – d1.

Умова максимуму

, (Δd=d 2 -d 1 )

де k=0; ±1; ±2; ± 3 ;…

(Різниця ходу хвиль дорівнює парному числу напівхвиль)

Хвилі від джерел А і Б прийдуть в точку С в однакових фазах і посилять один одного.

φ А =φ Б - фази коливань

Δφ=0 - різниця фаз

А = 2Х max

Умова мінімуму

, (Δd=d 2 -d 1)

де k=0; ±1; ±2; ± 3;

(Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу напівхвиль)

Хвилі від джерел А та Б прийдуть у точку С у протифазах і "погасять один одного".

φ А ≠φ Б - фази коливань

Δφ=π - різниця фаз

А = 0 - Амплітуда результуючої хвилі.

Інтерференційна картина- регулярне чергування областей підвищеної та зниженої інтенсивності світла.

Інтерференція світла- Просторовий перерозподіл енергії світлового випромінювання при накладенні двох або декількох світлових хвиль.

Внаслідок дифракції світло відхиляється від прямолінійного поширення (наприклад, поблизу країв перешкод).

Дифракція – явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори та огинання хвилею малих перешкод.

Умова прояву дифракції: d< λ , де d- Розмір перешкоди, λ - довжина хвилі. Розміри перешкод (отворів) повинні бути меншими або порівнянними з довжиною хвилі.

Існування цього явища (дифракції) обмежує сферу застосування законів геометричної оптики і є причиною межі роздільної здатності оптичних приладів.

Дифракційні грати- Оптичний прилад, що є періодичною структурою з великої кількості регулярно розташованих елементів, на яких відбувається дифракція світла. Штрихи з певним та постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d(Період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати пучок світла, що падає на неї, по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні та прозорі дифракційні грати. У сучасних приладах застосовують переважно відбивні дифракційні грати..

Умова спостереження дифракційного максимуму:

d·sinφ=k·λ, де k=0; ±1; ±2; ±3; d- період решітки , φ - кут, під яким спостерігається максимуї, а λ - довжина хвилі.

З умови максимуму випливає sinφ=(k·λ)/d.

Нехай k = 1, тоді sinφ кр =λ кр /dі sinφ ф =λ ф /d.

Відомо що λ кр >λ ф,отже sinφ кр>sinφ ф. Т.к. y= sinφ ф - функція зростаюча, то φ кр >φ ф

Тому фіолетовий колір у дифракційному спектрі розташовується ближче до центру.

У явищах інтерференції та дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія лише перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії у деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням їх у інших точках (сумарна світлова енергія – це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел). Світлі смужки відповідають максимуму енергії, темні – мінімуму.

Хід роботи:

Досвід 1.Опустіть дротяне кільце в мильний розчин. На дротяному кільці виходить мильна плівка.

Розташуйте її вертикально. Спостерігаємо світлі та темні горизонтальні смуги, що змінюються по ширині у міру зміни товщини плівки

Пояснення.Поява світлих і чорних смуг пояснюється інтерференцією світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки. трикутник d=2h. Різниця ходу світлових хвиль дорівнює подвоєній товщині плівки.При вертикальному розташуванні плівка має клиноподібну форму. Різниця ходу світлових хвиль у верхній її частині буде меншою, ніж у нижній. У тих місцях плівки, де різниця ходу дорівнює парному числу напівхвиль, спостерігаються світлі смуги. А при непарному числі напівхвиль – темні смуги. Горизонтальне розташування смуг пояснюється горизонтальним розташуванням ліній рівної товщини плівки.

Висвітлюємо мильну плівку білим світлом (від лампи). Спостерігаємо забарвлення світлих смуг у спектральні кольори: вгорі – синій, внизу – червоний.

Пояснення.Таке фарбування пояснюється залежністю положення світлих смуг про довжину хвиль падаючого кольору.

Спостерігаємо також, що смуги, розширюючись та зберігаючи свою форму, переміщуються вниз.

Пояснення.Це зменшенням товщини плівки, оскільки мильний розчин стікає вниз під впливом сили тяжкості.

Досвід 2 За допомогою скляної трубки видуйте мильний міхур і уважно розгляньте його.При освітленні його білим світлом спостерігайте утворення кольорових інтерференційних кілець, пофарбованих у спектральні кольори. Верхній край кожного світлого кільця має синій колір, нижній – червоний. У міру зменшення товщини плівки кільця, також розширюючись, повільно рухаються вниз. Їхню кільцеподібну форму пояснюють кільцеподібною формою ліній рівної товщини.

Дайте відповідь на питання:

1. Чому мильні бульбашки мають райдужне забарвлення?
2. Яку форму мають райдужні смуги?
3. Чому забарвлення міхура постійно змінюється?

Досвід 3.Ретельно протріть дві скляні пластинки, складіть разом та стисніть пальцями. Через неідеальність форми дотичних поверхонь між пластинками утворюються найтонші повітряні порожнечі.

При відображенні світла від поверхонь пластин, що утворюють зазор, виникають яскраві райдужні смуги - кільцеподібні або неправильної форми. При зміні сили, що стискає платівки, змінюються розташування та форма смуг. Замалюйте побачені вами картинки.

Пояснення:Поверхні пластин не можуть бути абсолютно рівними, тому стикаються вони лише в декількох місцях. Навколо цих місць утворюються найтонші повітряні клини різної форми, що дають картину інтерференції. У світлі, що проходить, умова максимуму 2h=kl

Дайте відповідь на питання:

1. Чому у місцях зіткнення пластин спостерігаються яскраві райдужні кільцеподібні чи неправильної форми смуги?
2. Чому зі зміною натиску змінюються форма та розташування інтерференційних смуг?

Досвід 4.Розгляньте уважно під різними кутами поверхню компакт-диска (на яку виконується запис).

Пояснення: Яскравість дифракційних спектрів залежить від частоти нанесених на диск борозенок та від величини кута падіння променів. Майже паралельні промені, що падають від нитки лампи, відбиваються від сусідніх опуклостей між борозенками в точках А і В. Промені, відбиті під кутом, що дорівнює куту падіння, утворюють зображення нитки лампи у вигляді білої лінії. Промені, відбиті під іншими кутами мають деяку різницю ходу, унаслідок чого відбувається складання хвиль.

Що ви спостерігаєте? Поясніть явища, що спостерігаються. Опишіть інтерференційну картину.

Поверхня компакт-диска є спіральною доріжкою з кроком порівнянним з довжиною хвилі видимого світла. На дрібноструктурній поверхні проявляються дифракційні та інтерференційні явища. Блики компакт-дисків мають райдужне забарвлення.

Досвід 5.Зсуваємо повзунок штангенциркуля до утворення між губками щілини шириною 0,5 мм.

Приставляємо скошену частину губок впритул до ока (має щілину вертикально). Крізь цю щілину дивимося на вертикально розташовану нитку лампи, що горить. Спостерігаємо з обох боків від нитки паралельні їй райдужні смужки. Змінюємо ширину щілини не більше 0,05 – 0,8 мм. При переході до вужчих щілин смуги розсуваються, стають ширшими і утворюють помітні спектри. При спостереженні через широку щілину смуги дуже вузькі і розташовуються близько одна до одної. Замалюйте у зошит побачену картину. Поясніть явища, що спостерігаються.

Досвід 6.Подивіться крізь капронову тканину на нитку лампи, що горить. Повертаючи тканину навколо осі, досягайте чіткої дифракційної картини у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракційних смуг.

Пояснення: У центрі красти видно дифракційний максимум білого кольору При k=0 різниця ходу хвиль дорівнює нулю, тому центральний максимум виходить білого кольору. Хрест виходить тому, що нитки тканини є двома складеними разом дифракційними гратами із взаємно перпендикулярними щілинами. Поява спектральних кольорів пояснюється тим, що біле світло складається з хвиль різної довжини. Дифракційний максимум світла для різних хвиль виходить у різних місцях.

Замалюйте дифракційний хрест, що спостерігається. Поясніть явища, що спостерігаються.

Запишіть висновок. Вкажіть, у яких із виконаних вами дослідів спостерігалося явище інтерференції, а яких дифракції.

Контрольні питання:

1. Що таке світло?
2. Ким було доведено, що світло є електромагнітною хвилею?
3. Що називають інтерференцією світла? Які умови максимуму та мінімуму при інтерференції?
4. Чи можуть інтерферувати світлові хвилі від двох електричних ламп розжарювання? Чому?
5. Що називають дифракцією світла?
6. Чи залежить положення основних дифракційних максимумів від кількості щілин решітки?