Наше здоровье 

Методические указания по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине общеобразовательного цикла «Физика» для специальностей и профессий технического и естественнонаучного профилей профессионального образования. Изучение интерференции света

Лабораторная работа № 13

Тема: «Наблюдение интерференции и дифракции света»

Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капроновая ткань.

Теория:

Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны .

Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.

Условие максимума

, (Δd=d 2 -d 1 )

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…

(разность хода волн равна четному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.

φ А =φ Б - фазы колебаний

Δφ=0 - разность фаз

А=2Х max

Условие минимума

, (Δd=d 2 -d 1 )

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.

φ А ≠φ Б - фазы колебаний

Δφ=π - разность фаз

А=0 – амплитуда результирующей волны.

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий .

Условие проявления дифракции : d < λ , где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.

Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.

Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки .

Условие наблюдения дифракционного максимума :

d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - период решетки, φ - угол, под которым наблюдается максимуи, а λ - длина волны.

Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .

Пусть k=1, тогда sinφ кр =λ кр /d и sinφ ф =λ ф /d.

Известно, что λ кр >λ ф, следовательно sinφ кр >sinφ ф . Т.к. y= sinφ ф - функция возрастающая, то φ кр >φ ф

Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии . В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Ход работы:

Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.


Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки

Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Ответьте на вопросы:

  1. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
  2. Какую форму имеют радужные полосы?
  3. Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.


Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Ответьте на вопросы:

  1. Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
  2. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).


Объяснение : Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Опыт 5. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.

Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая щель вертикально). Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы. Наблюдаем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски. Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются, становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину. Объясните наблюдаемые явления .

Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.

Объяснение : В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.

Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции .

Контрольные вопросы:

  1. Что такое свет?
  2. Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
  3. Что называют интерференцией света? Каковы условия максимума и минимума при интерференции?
  4. Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
  5. Что называют дифракцией света?
  6. Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?

Тема: Оптика

Урок: Практическая работа по теме «Наблюдение интерференции и дифракции света»

Название: «Наблюдение интерференции и дифракции света».

Цель: экспериментально изучить интерференцию и дифракцию света.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, 2 стеклянные пластины, проволочная рамка, мыльный раствор, штангенциркуль, плотная бумага, кусок батиста, капроновая нить, зажим.

Опыт 1

Наблюдение картины интерференции с помощью стеклянных пластин.

Берем две стеклянные пластины, перед этим тщательно их протираем, затем плотно складываем и сжимаем. Ту интерференционную картину, которую увидим в пластинах, нужно зарисовать.

Чтобы увидеть изменение картины от степени сжатия стекол, необходимо взять устройство зажима и с помощью винтов сжать пластины. В результате этого картина интерференции изменяется.

Опыт 2

Интрференция на тонких пленках.

Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции.

Опыт 3

Интерференция на мыльных пузырях.

Для наблюдения воспользуемся мыльным раствором. Выдуваем мыльные пузыри. То, как пузыри переливаются, это и есть интерференция света (см. Рис. 1).

Рис. 1. Интерференция света в пузырях

Картина, которую мы наблюдаем, может выглядеть следующим образом (см. Рис. 2).

Рис. 2. Интерференционная картина

Это интерференция в белом свете, когда мы положили линзу на стекло и осветили ее простым белым светом.

Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) (см. Рис. 3).

Рис. 3. Использование светофильтров

Теперь перейдем к наблюдению дифракции.

Дифракция - это волновое явление, присущее всем волнам, которое наблюдается на краевых частях каких-либо предметов.

Опыт 4

Дифракция света на малой узкой щели.

Создадим щель между губками штангенциркуля, с помощью винтов передвигая его части. Для того чтобы пронаблюдать дифракцию света, зажмем между губками штангенциркуля лист бумаги, таким образом, чтобы потом этот лист бумаги можно было вытащить. После этого перпендикулярно подносим эту узкую щель вплотную к глазу. Наблюдая через щель яркий источник света (лампу накаливания), можно увидеть дифракцию света (см. Рис. 4).

Рис. 4. Дифракция света на тонкой щели

Опыт 5

Дифракция на плотной бумаге

Если взять плотный лист бумаги и сделать бритвой надрез, то, поднеся этот разрез бумаги вплотную к глазу и меняя расположение соседних двух листочков, можно наблюдать дифракцию света.

Опыт 6

Дифракция на малом отверстии

Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света (см. Рис. 5).

Изменение дифракционной картины зависит от величины отверстия.

Рис. 5. Дифракция света на малом отверстии

Опыт 7

Дифракция света на кусочке плотной прозрачной ткани (капрон, батист).

Возьмем батистовую ленту и, расположив ее на небольшом расстоянии от глаз, посмотрим сквозь ленту на яркий источник света. Мы увидим дифракцию, т.е. разноцветные полосы и яркий крест, который будет состоять из линий дифракционного спектра.

На рисунке представлены фотографии дифракции, которую мы наблюдаем (см. Рис. 6).

Рис. 6. Дифракция света

Отчет: в нем должны быть представлены рисунки интерференции и дифракции, которые наблюдались в ходе работы.

Изменение линий характеризует, как происходит та или иная процедура преломления и сложения (вычитания) волн.

На основании дифракционной картины, полученной от щели, создан специальный прибор - дифракционная решетка . Она представляет собой набор щелей, через которые проходит свет. Этот прибор нужен для того, чтобы проводить детальные исследования света. Например, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны.

  1. Физика ().
  2. Первое сентября. Учебно-методическая газета ().

16.Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей.

Дифракция световых волн заключается в огибании волнами преград, препятствий разной формы и попадания волн в область тени. Эффект дифракции волн ярко выражен когда

размеры препятствий превосходя длину волны оказываются

соизмеримыми с длиной волны.Однако явление дифракции света

наблюдается и от крупных объектов, но в этом случае необходимо

удалять экран наблюдения на большие расстояния.

В лабораторных условиях дифракция осуществляется на базисе порядка 1м,

и резко выраженный эффект обнаруживается при размерах преград d=1мм или меньше.

Явление дифракция света качественно можно представить исходя из принципа Гюйгенса (к-ц 17в)

Принцип Гюйгенса Пусть мы имеем источник света. Каждая точка фронта волны представляет собой

элем-й источник вторичных волн. Фронт волны в следующий момент времени дает огибающую вторичных волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка фронта волны является элементарным источником вторичных волн, интерференция вторичных волн и определяет освещенность в заданной точке экрана наблюдения.

Однако принцип Гюйгенса не позволяет определить интенсивность света, идущего от преграды в данном направлении, поэтому решение задачи на дифракцию света носит только качественный характер. Френель дополнил принцип Гюйгенса принципом интерференции света.

Выразим освещенность в данной точке экрана наблюдения исходя из принципа Г-Ф для свободного фронта волны.

Запишем амплитуду элементарного воздействия на т.О:
(1)

- амплитуда колеб., исходящего от поверхности фронта волны площадью 1м 2

- амплитуда колебания, исходящего от элементарного участка фронта волны площадью

Запишем само колебание:


(1а)

Для определения величины воздействия всего фронта волны в данной точке надо учесть интерференцию вторичных волн по Френелю, иначе говоря надо проинтегрировать последнюю ф-лу по всей поверхности
(2)

Расчёт по формуле (2) обычно предсиавляет собой трудную задачу. Френель разработал в двльнейшем метод который получивший название метода зон Френеля., который позволяет сравнительно просто в ряде задач опред. освещенность не прибегая к сложному интегрированию.Суть метода заключается в том, что поверхность фронта волны делится не на бесконечно малые

Дифракция в сходящихся лучах (дифракция Френеля)

Рассмотрим расположение в котором имеется точечный источник света, экран наблюдения и между ними расположен объект дифракции в виде прозрачного

экрана с дыркой. Воспользуемся методом зон Френеля.

Воспользуемся принципом Гюйгенса-Френеля.

В т.О – эффект дифракции в сходящихся лучах.

Дифракция в параллельных лучах (Дифракция Фраунгофера)

Фраунгофер(нем.,1-я полов. 19в.)

После прохождения объекта дифракции лучи

идут параллельно

. Физический смысл принципа Гюйгенса-Френеля. Вывод на его основе законов геометрической оптики.

По Гюйгенсу свет представляет собой волну. (Формулировка принципа Гюйгенса)

Вывод на его основе закона преломления

Задачи по дифракции в //-х лучах

Задача состоит в расчёте распределения освещенности

дифракционной картины в плоскости экрана Э(в фокальной

плоскости линзы Л). В соответствии с принципом Г-Ф

элементарных полосок dX от X=0 до X=b приходящих в

произвольную т.О. Интерф. предс. собой суммирование

всех таких элементарных воздействий с учётом фазовых соотношений. При расчете будем

учитывать, что разность фаз, приходящих колебаний

вт.О определяется разностью хода колебаний различных элементов, а разность хода легко

выражается через угол дифракции ψ. От плоскости АС перпендикулярной к пучку

диффрагированных лучей, лучи от разных мест до т.О проходят различный геометрический путь,

но один и тот же оптический путь. Т.о. разность хода определяется различием расстояния от

плоскости щели до плоскости АС.



-амплитуда колебания, исходящего от всей ширины щели,

- амплитуда колебания, исходящего щели, единичной ширины.

- амплитуда колебания, исходящего от бесконечно малой ширины щели (dx)

-элементарное колебание, приходящее в т.О от элемента dx


. (7)

Интенсивность светового пучка и освещённость в т.О или энергия приносимая в эту точку пропорциональна квадрату амплитуды:

(8)
(8а),

Изобразим распределение (8) и (8а) графически:

Как следует из расчёта распределение освещенности на экране

Э представляет собой главный максимум большей освещенности

И систему прилегающих к нему слабых вторичных

максимумов разделённых минимумом нулевой освещенности.

Сформулируем условие минимумов и вторичных максимумов. Чтобы образовался минимум

необходимо чтобы числитель в формулах (7) и (8) обратился в ноль, при условии что знаменатель не равен нулю.

Если:
-минимум нулевой освещенности , то числитель равен нулю при этом знаменатель не равен 0,
(9)- минимумk=1, 2, 3,…

Если:
-вторичные максимумы , то числитель (8) равен 1
(10)-вторичные максимумыk=1, 2, 3,… Во вторичных максимумах

Формула (11)

Все результаты можно подтвердить исходя из метода векторных диаграмм, которые в ряде задач являются плодотворными.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка представляет собой совершено высококачественный современный спектральный прибор. Характеристики дифракционной решетки:

- свободная область дисперсии,
-спектральный предел разрешения,R-спектральная разрешающая сила,
-светосила прибора,
-

угловая дисперсия.

Теорию дифр. решетки рассмотрим используя метод индукции. В рассуждениях будем увеличивать число щелей решетки и наблюдать влияние такого увел-я на распр-е освещенности. Кроме прозрачных решеток нанесенных на пластинах стекла или плавленого кварца широко используют отражательные решетки, штрихи которых наносят на пов-ть металлич. зеркала, плоского или выпуклого. Выпук. отраж-е решетки исполь-т без применения стеклянных или кварцевых линз. это позволяет проводить спектр-е исслед-я в далеких УФ области спектра, для которых даже воздух оказ-ся сильно поглощающей средой.

Расс-м случай дифр. от 2-х одинаковых щелей.

Пусть: b- ширина каждой щели, с- расстояние между щелями.м

∆φ сосед =0 a рез =2а 0 ; I=4I 0

т. 1: ∆φ сосед =π a рез =0; I=0;

т.2:φ сосед =2π a рез =2а 2 ; I=4I 2 ;

т.3.∆φ сосед =3π a рез =0; I=0;

т. 4: ∆φ сосед =4π a рез =2a 4 I=4I 4 ;

аналогичным образом рассматривается, когда число щелей возрастает.1)по мере увеличения числа щелей в решетке поисходит сужение главных максимумов. Ширина главного максимума оказывается пропорциональной 1/N, N – число щелей. 2) Интенсивность глав. максимумов возрастает пропорционально N 2 .3) Между соседними главными максимумами появляются вторичные максимумы и минимумы, число втор. макс.=N-2 и N-1 – минимумов. На практике используют решетки, в которых число щелей составляет 10 000 и даже 100 000, поэтому реальная оптическая решетка формирует систему очень узких ширина пропорциональной 1/N и очень сильный главный максимум, а вторичные максимумы создают только слабый фон.Запишем усл. главного максимума для реальной решетки:

(12)-усл. глав. max от решетки

(13)Среди мн-ва min от решетки особый интерес пред-т 1-й минимум прилегающий главн. данному максимуму.

(16) гдеk=0,1,2,..; m=1,2,…N-1.Ф-ла(16) дает усл. минимумов от решетки. Учитывая

(17)-усл. миним-в от решетки

Основ. св-во дифр. решетки сост. в перераспределении первич. пучка в некотор. избранных стого определенных напрвлений удов-х усл. глав. max (14)

решетка представляет собой переизлучатель света. Расчет приводит к функции распределения интенсивности:
(18), гдеI 0 -интенсивность от решетки под углом ψ=0

- половина сдвига фаз от краев одной щели

- половина сдвига фаз от соседних лучей

(18), где I 0 – интенсивность от решетки под углом ψ=0

1-ая тригонаметрическая формула (18) учитывает влияние дифракции от одной щели, 2-ая учитывает влияние N-лучевой интерференции. В главных максимумах 2-ая тригонаметрическая ф-ция в(18а) принимает максимальное значение равное 1. В ф-ле (18б) 2-ая тригонаметр. ф-я в главных максимумах принимает значение N 2 и м/у I 0 и I 01 имеет соотношение:
,нетрудно доказать, что макс. значение 2-й триг. ф-ии, т.е. ее значение в области главных максимумов:
(14)

Нулевое значение 2-й тригонаметрической ф-ии соотв-т условию
(17) – минимумы (нули),k=0,1,2…., m=1,2,3,…, N-1

Основной ф-ой теории дифр решетки является условие главных максимумов (14). Важным соотношением теории дифр решетки является условие минимумов (17). Нетрудно видеть, что подстановка (14) в ф-лу (18а) приводит к тому, что 2-й трин. сомножитель опред. в неопределенность (0/0). Если эту неопределенность раскрыть по Лопиталю, то увидим что это соотношение принимает максимальное значение равное 1. Т.о. ф-ла (14) – условие макс. нах-ся в полном соответствии с распределением (18а). Аналогично подстановка (17) минимумов(нулей) в (18а) приводит к тому,что числитель тригонаметрического сомножителя обращается в ноль, тогда как знаменатель оказывается отличным от нуля, т.е. соотношение (17) обращает 2-й триг. сомножитель в нуль. Ф-ла (17) находится в полном

соответствии с (18а). Применение дифр. реш. – мощный спектральный прибор, предназначенный для измерений.

“Наблюдение дифракции света на узкой щели”

Оборудование: (см рисунок№ 9 )

    Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.

    Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая шель вертикально).

    Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы.

    Наблюдаютем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски.

    Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются, становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой.

    Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину.

Экспериментальная работа № 5.

“Наблюдение дифракции света на капроновой ткани”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, ткань капроновая размером 100x100мм (рисунок 10)

    Смотрим через капроновую ткань на нить горящей лампы.

    Наблюдаем “дифракционный крест” (картина в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос) .

    Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину (дифракционный крест).

Объяснение : В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета.

Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

Экспериментальная работа № 6.

“Наблюдение дифракции света на грампластинке и лазерном диске”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, грампластинка (см. рисунок 11)

Грампластинка является хорошей дифракционной решеткой.

    Располагаем грампластинку так, чтобы бороздки расположились параллельно нити лампы и наблюдаем дифракцию в отраженном свете.

    Наблюдаем яркие дифракционные спектры нескольких порядков.

Объяснение : Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на грампластинку бороздок и от величины угла падения лучей. (см. рисунок 12)

Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Аналогичным образом пронаблюдаем дифракцию на лазерном диске. (см. рисунок 13)

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света.На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Дифракция волн на воде

Методы исследования в науке - это система приемов и процедур деятельности, направленной на выполнение определенной исследовательской задачи. Всякая наука использует наряду с общенаучными специфические методы исследования. Для достижения цели в конкретном исследовании применяется система методов, правильный выбор которых оптимизирует исследование и повышает его результативность. Теоретические методы психолого-педагогического исследования опосредованно и непосредственно выходят на анализ реальных образовательных процессов (их причин, источников развития, системы условий, обеспечивающих их эффективное функционирование). Эмпирические методы направлены на диагностику и изменение состояния исследуемого объекта. Методы количественного и качественного анализа позволяют систематизировать полученную при использовании эмпирических методов информацию и сделать предварительные выводы о наличии причинно-следственных связей между явлениями. В сфере гуманитарного познания, к которой относится педагогика, все большее распространение получают качественные методы исследования, предшествующие выбору и применению математических и статистических методов. Они помогают избежать односторонности в получении научного знания, нивелирования индивидуальности воспитанников, а также обеспечить целостное восприятие их различий как объективный факт и норму. Соблюдение баланса между количественным и качественным в конкретном исследовании позволяет достичь подлинной научности. При качественном анализе человек представляет для исследователя интерес не только как объект изучения и источник информации, но и как особый мир образов и переживаний. В. В. Краевский выделяет некоторые наиболее характерные особенности качественных методов исследования: - инструменты измерения разрабатываются и проверяются в ходе самой научной работы, часто являются специфическими, отражают индивидуальный исследовательский подход; - исследовательские процедуры на качественном уровне дублируются редко; - анализ осуществляется путем обобщения идей из собранных эмпирических данных; организация данных направлена на получение целостной картины. Психологическая и педагогическая науки предназначены для выявления закономерностей образовательного процесса как объективных оснований педагогической деятельности. Выбор методов конкретного исследования - задача исследователя, способы решения которой рассматриваются в след. лекциях.. 2.5. Закономерности как предмет научного исследования. Всякая наука исследует определенный класс закономерностей, объективно существующих в выбранной области действительности. Знание о закономерностях позволяет моделировать происходящие в данной области процессы, прогнозировать их и проектировать эффективную (продуктивную) деятельность. При этом под закономерностями понимаются устойчиво повторяющиеся причинно-следственные связи между явлениями. Многие педагоги считают себя «специалистами» в области психологии : они ведь общаются, решают учебно-воспитательные задачи, «понимают» друг друга и т.п. На самом деле речь идет о так называемой «житейской психологии», которая имеет полное право на существование. Многие психологи-профессионалы опираются на опыт житейской психологии, включая и свой собственный жизненный опыт. Но в психолого-педагогических исследованиях все-таки необходимо различать научную психологию и психологию житейскую. Ю. Б. Гиппенрейтер выделяет следующие различия . 1. Житейские знания конкретны, связаны с конкретными жизненными ситуациями, а научная психология стремится к обобщенному знанию, основанному на выделении общих закономерностей жизни и поведения людей. 2. Житейские знания носят больше интуитивный характер, а в психологической науке стремятся к рациональному объяснению психических явлений, т.е. к лучшему их пониманию и даже прогнозированию. 3. ^ Житейские знания передаются в очень ограниченных вариантах (из уст в уста, через письма и т.п.), а научные знания передаются через ‑­ специальную систему фиксации накопленного человеком опыта (через книги, лекции, аккумулируются в научных школах и т.п.). 4. В житейской психологии получение знаний осуществляется через наблюдения, рассуждения или через непосредстведное переживание человеком тех или иных событий. В научной психологии новые знания получаются в специальных исследованиях и экспериментах, а также в особых формах научного мышления и воображения («воображаемый эксперимент»). 5. ^ Научная психология располагает обширным, разнообразным и уникальным фактическим материалом, недоступным ни одному носителю житейской психологии . Особая характеристика научного знания - его системность и упорядоченность, что позволяет каждому психологу-профессионалу ориентироваться во всем многообразии этого знания. ^ Но при этом нельзя говорить, что научная психология непременно «лучше» житейской, так как на самом деле они взаимодополняют друг друга". В психологии поиск общих закономерностей отличается обобщенностью полученной научной информации. Психологические особенности отдельного индивида представляют ценность как факт для обобщенных выводов о закономерностях возрастной психологии, педагогической психологии, психологии личности и индивидуальных различий, социальной психологии. В образовательной деятельности довольно часто выделяются следующие общие психологические закономерности: - обучение ведет за собой развитие; - развитие связано со становлением натуральных и высших психических функций (логическое запоминание, целенаправленное мышление, творческое воображение, произвольность психических процессов); - расширение зоны актуального состояния знаний и умений ребенка задается компетентным взрослым (педагогом и родителем) через зону ближайшего развития; - учет возрастных психологических особенностей учащихся осуществляется через понимание педагогом состояния социальной ситуации развития ребенка, возможностей становленияведущей деятельности, возрастных психологических новообразований; - учебная деятельность формируется на основе завершенности развития ведущей деятельности на предыдущем возрастном этапе (игровая деятельность), а ее эффективное освоение закладывает основу для разворачивания последующей (деятельность общения); - основа эффективности овладения обучающимся учебной деятельностью - это учебная задача, которая решается через поэтапное формирование умственных действий; - эффективное взаимодействие в деятельности общения педагога и обучающегося предполагает необходимость построения соответствующих взаимоотношений, определяющих возможности взаимовлияния и взаимопонимания . В педагогике выявлен и сформулирован ряд общих закономерных связей , существующих в педагогической деятельности. В. В. Краевский выделяет следующие из них: - освоение подрастающими поколениями социального опыта старших поколений (к нему обращаются всякий раз, когда речь идет о педагогической науке и ее объекте); - социальная сущность образования, обусловленность всех его элементов социально-экономическим состоянием общества; - взаимодействие учителя и ученика, воспитателя и воспитанника в образовательном процессе, без которого нет самого этого процесса; - единство содержательной и процессуальной сторон обучения. В педагогике закономерности действуют так же неотвратимо, как и в природе . И они носят такой же объективный характер, т.е. не зависят от воли конкретных людей. Однако так же, как и законы природы, педагогические закономерности не фатальны: их учет не означает подчинения. Для примера вспомним о неотвратимости действия закона всемирного тяготения. Его можно не знать или презирать, но, споткнувшись, упадешь вниз. Однако именно на понимании этого закона были разработаны летательные аппараты. Понимание законов гидро- и аэродинамики позволило мореходам ходить на паруснике против ветра, галсами. Так же и понимание педагогических закономерностей позволяет оптимизировать деятельность учителя, воспитателя, руководителя школы . Нередко можно услышать, что «воспитывает жизнь, она все расставляет по своим местам; и если воспитание противоречит окружающей жизни, оно безрезультатно - жизнь всегда побеждает». Но ведь известно, что, к примеру в одной и той же семье (т. е. в одних и тех же обстоятельствах, «в одной и той же жизни») вырастают совершенно разные дети. Освоение опыта не происходит пассивно, путем подчинения традиции, оно протекает в ‑­ осмыслении этого опыта, в выработке собственного отношения к нему, во взаимодействии взрослого и ребенка, педагога и воспитанника. Если помочь воспитаннику выработать конструктивную позицию, то можно помочь ему стать успешным даже во враждебном окружении.

Тема: Наблюдение явлений интерференции и дифракции света.

Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование:

  • стаканы с раствором мыла;
  • кольцо проволочное с ручкой;
  • капроновая ткань;
  • компакт-диск;
  • лампа накаливания;
  • штангенциркуль;
  • две стеклянные пластины;
  • лезвие;
  • пинцет;
  • капроновая ткань.

Теоретическая часть

Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных. Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн. Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Условия максимумов Δd = ± kλ , условия минимумов, Δd = ± (2k + 1)λ/2 где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;... (разность хода волн равна четному числу полуволн

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света. Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн. Следовательно, в явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников).
Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий. Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов. Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучёк света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки. Условие наблюдения дифракционного максимума: d sin(φ) = ± kλ

Указания к работе

1. Опустите проволочную рамку в мыльный раствор. Пронаблюдайте и зарисуйте интерференционную картину в мыльной пленке. При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху – синий цвет, внизу – в красный цвет. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь. Пронаблюдайте за ним. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.

Ответьте на вопросы:

  1. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
  2. Какую форму имеют радужные полосы?
  3. Почему окраска пузыря все время меняется?

2. Тщательно протрите стеклянные пластинки, сложите их вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы. При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяются как в отраженном, так и в проходящем свете. Зарисуйте увиденные вами картинки.

Ответьте на вопросы:

  1. Почему в отдельных местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
  2. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение полученных интерференционных полос?

3. Положите горизонтально на уровне глаз компакт-диск. Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

4. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест.

5. Пронаблюдайте две дифракционные картины при рассмотрении нити горящей лампы через щель, образованную губками штангенциркуля (при ширине щели 0,05 мм и 0,8 мм). Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (при ширине щели 0,8 мм). Этот опыт повторите с двумя лезвиями, прижав их друг к другу. Опишите характер интерференционной картины

Запишите выводы. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции? дифракции?

Задание 1. Наблюдение интерференции света на воздушной пленке.

1. Стеклянные пластины тщательно протереть, сложить вместе и сжать пальцами.

2. Рассматривать пластины в отраженном свете на темном фоне (располагать их надо так, чтобы на поверхности стекла не образовались слишком яркие блики от окон или от белых стен).

3. В отдельных местах соприкосновения пластин наблюдать яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы.

4. Заметить изменения формы и расположения полученных интерференционных полос с изменением нажима.

5. Попытаться увидеть интерференционную картину в проходящем свете.

6. Зарисуйте увиденные вами картинки.

Ответьте на вопросы:

a) Почему в отдельных местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?

b) Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение полученных интерференционных полос?

Задание 2. Наблюдение интерференции света на мыльной пленке.

1. Сделать мыльный раствор.

2. На проволочном кольце получить мыльную пленку и расположить его вертикально.

3. В затемненном классе наблюдать на пленке появление светлых и темных полос.

4. Осветить мыльную пленку светом от лампы или фонаря.

5. Наблюдать окрашенность светлых полос в спектральные цвета.

6. Посчитайте число полос одного цвета, которые одновременно наблюдаются на пленке.

7. Определите, изменяются ли ориентация и форма полос при повороте рамки в вертикальной плоскости.

8. Зарисуйте увиденные вами картины.

Ответьте на вопросы:

a) Чем объясняется наличие светлых и темных полос в начале эксперимента?

b) Почему, при освещении пленки светом появились спектральные цвета?

c) Почему полосы расширяясь и сохраняя свою форму, стекают вниз?

Задание 3. Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре.

1. Выдуйте мыльный пузырь.

2. При освещении его белым светом пронаблюдайте образование цветных интерференционных колец.

Ответьте на вопросы:



a) Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

b) Почему окраска пузыря все время меняется?

c) Какую форму имеют радужные полосы?

Задание 4. Цвета побежалости.

1. Возьмите с помощью пинцета лезвие безопасной бритвы и нагрейте его над пламенем горелки.

2. Зарисуйте наблюдаемую картину.

Ответьте на вопросы:

a) Какое явление вы наблюдали?

b) Как его можно объяснить?

c) Какие цвета и в каком порядке появлялись на лезвии при его нагревании?

Изучение дифракции света.

Задание 1. Наблюдение дифракции света на узкой щели.

1. Установить между губками штангенциркуля щель шириной 0,5 мм.

2. Приставить щель вплотную к глазу, расположив ее вертикально.

3. Смотря сквозь щель на вертикально расположенную светящуюся нить лампы, наблюдать по обе стороны нити радужные полосы (дифракционные спектры).

4. Изменяя ширину щели от 0,5 до 0,8 мм, заметить, как это изменение влияет на дифракционные спектры.

5. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину.

Задание 2. Наблюдение дифракции на капроновой ткани.

1. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы.

2. Поворачивая ткань вокруг оси, до­бейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скре­щенных под прямым углом дифракционных полос.

3. Зари­суйте наблюдаемый дифракционный крест.

Ответьте на вопросы:

a) Почему получился данный дифракционный крест?

b) Чем объясняется появление спектральных цветов?

Задание 3. Наблюдение дифракции света на лазерном диске.

1. Положите горизонтально на уровне глаз ком­пакт-диск.

2. Зарисуйте данную картину.

Ответьте на вопросы:

a) Что наблюдается на диске?

b) Какие явления вы наблюдали?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Дифракция света – это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами. Для наблюдения дифракции можно:

Пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.

Или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

Дифракционная решетка - это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Если на решетку падает монохроматическая волна, то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.

d = a + b - период дифракционной решетки

a - ширина щели; b - длина

d = 1/N - постоянная дифракционной решетки.

N - Число штрихов.

φ - угол отклонения световых волн вследствие дифракции

φ = kλ - формула дифракционной решетки.

k - Порядок максимума (0, ±1, ±2, ...)

λ = - длина волны

Интерференция света - пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы интенсивности, а в других - минимумы (интерференционная картина).

Условие максимума: Условие минимума:

Применение интерференции света:

1. Измерение длин с очень большой точностью; это по­зволило дать легко воспроизводимое и достаточно точное опре­деление едини­цы длины - метра, в зависимости от длины волны оранжевой линии криптона. Интерференционные компараторы позволяют сравнивать размеры до 1 метра с точностью до 0,05 мкм; меньшие размеры могут быть измерены с еще большей точностью. Такая высокая точность обусловлена тем, что изме­нение разности хода на десятую долю длины волны заметно смещает интерференционные полосы.

2. На явлении интерференции основано действие боль­шого количества оптических приборов под общим названием интерферометры , которые используются для различных изме­рений. В оптикомеханической промышленности интерферо­метры используются для контроля качества оптических систем и контроля поверхности отдельных оптических деталей. В метал­лообрабатывающей промышленности – для контроля чистоты обработки металлических поверхностей. Изучение и контроль полировки зеркальных поверхностей проводится с точностью до сотых долей длины волны.

3. С использованием явления интерференции проводится определение ряда важнейших величин, характеризующих ве­щества: коэффициента расширения твердых тел (дилатометры), пока­зателя преломления газообразных, жидких и твердых тел (рефракто­метры) и т.п. Интерференционные дилатометры по­зволяют зафиксировать удлинение образца на 0,02 мкм.

4. Широко распространены интерференционные спектро­скопы, применяемые для исследования спектрального состава излучения различных веществ.

5. Посредством интерференции поляризованных лучей проводиться определение величин внутренних напряжений в различных деталях (метод фотоупругости).

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

Цвета побежалости.

Цвета побежалости - радужная окраска, появляющаяся на чистой поверхности нагретой стали в результате образования на ней тончайшей оксидной плёнки. Толщина плёнки зависит от температуры нагрева стали: плёнки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости (см. табл.). На легированных (в состав которых введены другие металлы для придания определённых свойств) сталях те же цвета побежалости появляются при более высоких температурах.