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Laborarbeit zur physikalischen Beobachtung der Lichtbeugung. Thema: Beobachtung von Interferenz und Lichtbeugung

Labor arbeit Zu diesem Thema: „Beobachtung der Interferenz und Beugung von Licht“

Ziel der Arbeit: das Phänomen der Interferenz und Beugung experimentell untersuchen.

Ausrüstung: eine elektrische Lampe mit geradem Glühfaden, zwei Glasplatten, eine Glasröhre, ein Glas mit Seifenlösung, ein Drahtring mit einem Griff mit einem Durchmesser von 30 mm, eine CD, ein Messschieber, Nylongewebe.

Theorie: Interferenz ist ein Phänomen, das für Wellen jeglicher Art charakteristisch ist: mechanisch, elektromagnetisch.

Welleninterferenz – Addition zweier (oder mehrerer) Wellen im Raum, bei der an verschiedenen Punkten eine Verstärkung oder Abschwächung der resultierenden Welle erzielt wird.

Typischerweise werden Interferenzen beobachtet, wenn sich Wellen überlagern, die von derselben Lichtquelle ausgesendet werden und auf unterschiedliche Weise zu einem bestimmten Punkt gelangen. Es ist unmöglich, ein Interferenzmuster aus zwei unabhängigen Quellen zu erhalten, da Moleküle oder Atome senden unabhängig voneinander Licht in separaten Wellenzügen aus. Atome senden Fragmente von Lichtwellen (Züge) aus, in denen die Phasen der Schwingungen zufällig sind. Tsugi sind etwa 1 Meter lang. Wellenzüge verschiedener Atome überlagern sich. Die Amplitude der resultierenden Schwingungen ändert sich chaotisch mit der Zeit und zwar so schnell, dass das Auge keine Zeit hat, diesen Bildwechsel zu spüren. Daher sieht eine Person den Raum gleichmäßig beleuchtet. Um ein stabiles Interferenzmuster zu bilden, sind kohärente (angepasste) Wellenquellen erforderlich.

kohärent nennt man Wellen, die die gleiche Frequenz und einen konstanten Phasenunterschied haben.

Die Amplitude der resultierenden Verschiebung am Punkt C hängt von der Wegdifferenz der Wellen im Abstand d2 – d1 ab.

Maximaler Zustand

, (Δd=d 2 -d 1 )

wobei k=0; ± 1; ±2; ± 3 ;…

(Der Unterschied im Wellenverlauf entspricht einer geraden Anzahl von Halbwellen)

Wellen von den Quellen A und B erreichen Punkt C in den gleichen Phasen und „verstärken sich gegenseitig“.

φ A = φ B - Schwingungsphasen

Δφ=0 – Phasendifferenz

A=2X max

Mindestzustand

, (Δd=d 2 -d 1 )

wobei k=0; ± 1; ±2; ± 3;…

(Der Unterschied im Wellenverlauf ist gleich einer ungeraden Anzahl von Halbwellen)

Wellen von den Quellen A und B erreichen Punkt C gegenphasig und „löschen sich gegenseitig aus“.

φ A ≠φ B - Schwingungsphasen

Δφ=π – Phasendifferenz

A=0 ist die Amplitude der resultierenden Welle.

Interferenzmuster– Regelmäßiger Wechsel von Bereichen mit hoher und niedriger Lichtintensität.

Lichtinterferenz- räumliche Umverteilung der Energie der Lichtstrahlung bei Überlagerung zweier oder mehrerer Lichtwellen.

Aufgrund der Beugung weicht das Licht von einer geradlinigen Ausbreitung ab (z. B. in der Nähe von Hinderniskanten).

Beugung - das Phänomen der Wellenabweichung von der geradlinigen Ausbreitung beim Durchgang durch kleine Löcher und beim Umrunden kleiner Hindernisse durch die Welle.

Zustand der Beugungsmanifestation:D , wo d - die Größe des Hindernisses,λ - Wellenlänge. Die Abmessungen der Hindernisse (Löcher) müssen kleiner oder gleich der Wellenlänge sein.

Die Existenz dieses Phänomens (Beugung) schränkt den Geltungsbereich der Gesetze der geometrischen Optik ein und ist der Grund für die begrenzte Auflösung optischer Instrumente.

Beugungsgitter- ein optisches Gerät, das eine periodische Struktur aufweist eine große Anzahl regelmäßig beabstandete Elemente, an denen Licht gebeugt wird. Striche mit einem für ein bestimmtes Beugungsgitter definierten und konstanten Profil werden in regelmäßigen Abständen wiederholt D (Gitterperiode). Die Fähigkeit eines Beugungsgitters, einen auf es einfallenden Lichtstrahl in Wellenlängen zu zerlegen, ist seine Haupteigenschaft. Es gibt reflektierende und transparente Beugungsgitter.IN moderne Geräte Es werden hauptsächlich reflektierende Beugungsgitter verwendet.

Die Bedingung für die Beobachtung des Beugungsmaximums:

d sinφ=k λ, wobei k=0; ± 1; ±2; ± 3; d - Gitterperiode, φ - der Winkel, in dem die Maxima beobachtet werden, undλ ist die Wellenlänge.

Aus der Maximalbedingung folgt sinφ=(k λ)/d .

Sei k=1, dann ist sinφ cr =λ cr /d und sinφ f =λ f /d.

Es ist bekannt, dass λ cr >λ f , also sinφ cr >sinφ f . Weil y= sinφ f - Die Funktion nimmt also zuφ cr >φ f

Deshalb lila im Beugungsspektrum liegt näher am Zentrum.

Bei den Phänomenen der Interferenz und Lichtbeugung gilt das Energieerhaltungsgesetz. Im Interferenzbereich wird Lichtenergie lediglich umverteilt, ohne in andere Energiearten umgewandelt zu werden. Der Energieanstieg an einigen Punkten des Interferenzmusters im Verhältnis zur gesamten Lichtenergie wird durch seine Abnahme an anderen Punkten kompensiert (die gesamte Lichtenergie ist die Lichtenergie zweier Lichtstrahlen aus unabhängigen Quellen). Helle Streifen entsprechen Energiemaxima, dunkle Streifen entsprechen Energieminima.

Fortschritt:

Erleben Sie 1. Tauchen Sie den Drahtring in die Seifenlösung.Auf dem Drahtring bildet sich ein Seifenfilm.

Positionieren Sie es vertikal. Wir beobachten helle und dunkle horizontale Streifen, deren Breite sich mit der Schichtdicke ändert.

Erläuterung. Das Auftreten heller und dunkler Streifen wird durch die Interferenz von Lichtwellen erklärt, die von der Filmoberfläche reflektiert werden. Dreieck d = 2h.Der Unterschied im Weg der Lichtwellen beträgt die doppelte Dicke des Films.Bei vertikaler Platzierung hat die Folie eine keilförmige Form. Der Unterschied im Weg der Lichtwellen im oberen Teil wird geringer sein als im unteren Teil. An den Stellen des Films, an denen der Gangunterschied einer geraden Anzahl von Halbwellen entspricht, sind helle Streifen zu beobachten. Und mit einer ungeraden Anzahl von Halbwellen – dunkle Streifen. Die horizontale Anordnung der Streifen erklärt sich durch die horizontale Anordnung von Linien gleicher Filmdicke.

Wir beleuchten den Seifenfilm mit weißem Licht (von der Lampe). Wir beobachten die Färbung von Lichtbändern in Spektralfarben: oben blau, unten rot.

Erläuterung. Diese Färbung wird durch die Abhängigkeit der Position der Lichtbänder von der Wellenlänge der einfallenden Farbe erklärt.

Wir beobachten auch, dass sich die Bänder nach unten bewegen, indem sie sich ausdehnen und ihre Form behalten.

Erläuterung. Dies ist auf eine Verringerung der Filmdicke zurückzuführen, da die Seifenlösung aufgrund der Schwerkraft nach unten fließt.

Erfahrung 2. Blasen Sie mit einem Glasrohr eine Seifenblase auf und untersuchen Sie sie sorgfältig.Beobachten Sie bei Beleuchtung mit weißem Licht die Bildung farbiger Interferenzringe, die in Spektralfarben gefärbt sind. Die Oberkante jedes Lichtrings hat blaue Farbe, das untere ist rot. Mit abnehmender Filmdicke bewegen sich die ebenfalls expandierenden Ringe langsam nach unten. Ihre Ringform erklärt sich aus der Ringform gleich dicker Linien.

Beantworten Sie die Fragen:

Warum schillern Seifenblasen?
Welche Form haben die Regenbogenstreifen?
Warum ändert sich die Farbe der Blase ständig?

Erleben Sie 3 *. Zwei Glasplatten gründlich abwischen, zusammensetzen und mit den Fingern zusammendrücken. Aufgrund der nicht idealen Form der Kontaktflächen entstehen zwischen den Platten die dünnsten Luftporen.

	Wenn Licht von den Oberflächen der Platten reflektiert wird, die den Spalt bilden, erscheinen helle schillernde Streifen – ringförmig oder unregelmäßige Form. Wenn sich die Kraft ändert, die die Platten zusammendrückt, ändern sich die Anordnung und Form der Streifen.Zeichne die Bilder, die du siehst.

Erläuterung: Die Oberflächen der Platten können nicht vollkommen eben sein und berühren sich daher nur an wenigen Stellen. Um diese Stellen bilden sich die dünnsten Luftkeile. verschiedene Formen ein Bild der Störung geben. Im Durchlicht beträgt die maximale Bedingung 2h=kl

Beantworten Sie die Fragen:

Warum sind an den Kontaktpunkten der Platten hell schillernde ringförmige oder unregelmäßig geformte Streifen zu beobachten?

Erläuterung : Die Helligkeit der Beugungsspektren hängt von der Häufigkeit der auf der Scheibe aufgebrachten Rillen und vom Einfallswinkel der Strahlen ab. Nahezu parallele Strahlen, die vom Lampenfaden einfallen, werden von benachbarten Ausbuchtungen zwischen den Rillen an den Punkten A und B reflektiert. Die in einem Winkel reflektierten Strahlen, der dem Einfallswinkel entspricht, bilden ein Bild des Lampenfadens in Form einer weißen Linie. Unter anderen Winkeln reflektierte Strahlen haben einen gewissen Gangunterschied, wodurch sich die Wellen addieren.

Was beobachten Sie? Erklären Sie die beobachteten Phänomene. Beschreiben Sie das Interferenzmuster.

Die Oberfläche einer CD ist eine spiralförmige Spur mit einer Steigung, die der Wellenlänge des sichtbaren Lichts entspricht. Auf einer feinstrukturierten Oberfläche treten Beugungs- und Interferenzphänomene auf. Die Highlights von CDs sind schillernd.

Erleben Sie 5. Schauen Sie durch das Nylongewebe auf den Glühfaden einer brennenden Lampe. Durch Drehen des Stoffes um die Achse erhalten Sie ein klares Beugungsmuster in Form zweier rechtwinklig gekreuzter Beugungsbänder.

Erläuterung : In der Mitte des Kreuzes ist ein weißer Beugungspeak sichtbar. Bei k=0 ist der Wellengangunterschied gleich Null, das zentrale Maximum ist also weiß. Das Kreuz entsteht dadurch, dass die Fäden des Stoffes zwei zusammengefaltete Beugungsgitter mit zueinander senkrechten Schlitzen sind. Das Auftreten von Spektralfarben erklärt sich daraus weißes Licht besteht aus Wellen unterschiedlicher Länge. Das Beugungsmaximum von Licht für verschiedene Wellenlängen wird an verschiedenen Orten erhalten.

Skizzieren Sie das beobachtete Beugungskreuz.Erklären Sie die beobachteten Phänomene.

Notieren Sie die Ausgabe. Geben Sie an, bei welchem Ihrer Experimente das Phänomen der Interferenz und bei welchem der Beugung beobachtet wurde.

Ziel der Arbeit: Beobachten Sie die Interferenz und Beugung von Licht.

Theorie.Lichtinterferenz. Die Welleneigenschaften des Lichts kommen am deutlichsten in den Phänomenen Interferenz und Beugung zum Ausdruck. Lichtinterferenz erklärt die Farbe von Seifenblasen und dünnen Ölfilmen auf Wasser, obwohl Seifenlösung und Öl farblos sind. Lichtwellen werden teilweise von der Oberfläche eines dünnen Films reflektiert und gelangen teilweise in diesen hinein. An der zweiten Grenze des Films kommt es erneut zu einer teilweisen Reflexion der Wellen (Abb. 1). Lichtwellen, die von zwei Oberflächen eines dünnen Films reflektiert werden, breiten sich in die gleiche Richtung aus, legen jedoch unterschiedliche Wege zurück.

Bild 1.

Bei einem Gangunterschied, der ein Vielfaches einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen ist:

Es wird ein Interferenzmaximum beobachtet.

Für die Differenz l, ein Vielfaches einer ungeraden Anzahl von Halbwellen:

, (2)

Es wird ein Interferenzminimum eingehalten. Wenn die Maximalbedingung für eine Lichtwellenlänge erfüllt ist, ist sie für andere Wellenlängen nicht erfüllt. Daher scheint ein dünner, farbloser, transparenter Film, der mit weißem Licht beleuchtet wird, farbig zu sein. Bei einer Änderung der Filmdicke oder des Einfallswinkels von Lichtwellen ändert sich der Gangunterschied und die Maximalbedingung ist für Licht mit einer anderen Wellenlänge erfüllt.

Das Phänomen der Interferenz in dünnen Filmen wird zur Kontrolle der Qualität der Oberflächenbehandlung und der Antireflexion von Optiken genutzt.

Lichtbeugung. Wenn Licht durch ein kleines Loch im Bildschirm fällt, werden um den zentralen hellen Fleck abwechselnd dunkle und helle Ringe beobachtet (Abb. 2).

Figur 2.

Wenn das Licht ein schmales Ziel durchdringt, erhält man das in Abbildung 3 gezeigte Bild.

Figur 3

Das Phänomen der Lichtablenkung aus der geradlinigen Ausbreitungsrichtung beim Passieren der Barrierekante wird als Lichtbeugung bezeichnet.

Das Auftreten abwechselnd heller und dunkler Ringe im Bereich des geometrischen Schattens erklärte der französische Physiker Fresnel damit, dass die Lichtwellen durch Beugung entstehen verschiedene Punkte Löcher an einer Stelle des Bildschirms stören sich gegenseitig.

Instrumente und Zubehör: Glasplatten - 2 Stück, Nylon- oder Cambric-Flicken, beleuchtete Folie mit einem mit einer Rasierklinge gemachten Schlitz, eine Schallplatte (oder ein Fragment einer Schallplatte), ein Messschieber, eine Lampe mit geradem Glühfaden (eine für das Ganze). Gruppe), Buntstifte.

Arbeitsablauf:

1. Interferenzbeobachtung:

1.1. Wischen Sie die Glasplatten gründlich ab, setzen Sie sie zusammen und drücken Sie sie mit den Fingern zusammen.

1.2. Untersuchen Sie die Platten im Auflicht vor einem dunklen Hintergrund (sie müssen so positioniert werden, dass sich keine zu hellen Reflexionen von Fenstern oder weißen Wänden auf der Glasoberfläche bilden).

1.3. An einigen Stellen, an denen sich die Platten berühren, sind hell schillernde ringförmige oder unregelmäßig geformte Streifen zu beobachten.

1.4. Beachten Sie Veränderungen in der Form und Position der erhaltenen Interferenzstreifen bei einer Druckänderung.

1.5. Versuchen Sie, das Interferenzmuster im Durchlicht zu erkennen und zeichnen Sie es in das Protokoll ein.

1.6. Betrachten Sie das Interferenzmuster, wenn Licht auf die Oberfläche der CD trifft, und zeichnen Sie es in das Protokoll ein.

2. Beugungsbeobachtung:

2.1. Zwischen den Backen des Bremssattels einen 0,5 mm breiten Spalt einbauen.

2.2. Befestigen Sie den Schlitz nahe am Auge und platzieren Sie ihn horizontal.

2.3. Wenn Sie durch den Schlitz auf einen horizontal angeordneten leuchtenden Lampenfaden schauen, beobachten Sie Regenbogenstreifen (Beugungsspektren) auf beiden Seiten des Glühfadens.

2.4. Beachten Sie, wie sich diese Änderung auf die Beugungsspektren auswirkt, wenn Sie die Spaltbreite von 0,5 auf 0,8 mm ändern.

2.5. Zeichnen Sie das Beugungsmuster in das Protokoll ein.

2.6. Beobachten Sie Beugungsspektren im Durchlicht unter Verwendung von Nylon- oder Cambric-Flecken.

2.7. Skizzieren Sie die beobachteten Interferenz- und Beugungsmuster.

3. Machen Sie eine Schlussfolgerung über die geleistete Arbeit.

4. Sicherheitsfragen beantworten.

Kontrollfragen:

1. Wie entstehen kohärente Lichtwellen?

2. Welche physikalische Eigenschaft von Lichtwellen hängt mit dem Farbunterschied zusammen?

3. Nach dem Auftreffen auf den Stein transparentes Eis Es entstehen Risse, die in allen Farben des Regenbogens schimmern. Warum?

4. Was sehen Sie, wenn Sie durch die Feder eines Vogels in eine Glühbirne schauen?

5. Was ist der Unterschied zwischen den von einem Prisma assimilierten Spektren und den Beugungsspektren?

LABORARBEIT Nr. 17.

Ziel der Arbeit : erkunden Eigenschaften Interferenz und Beugung von Licht.

Fortschritt

1. Nylongitter

Wir haben ein sehr einfaches Gerät zur Beobachtung der Lichtbeugung unter häuslichen Bedingungen entwickelt. Hierzu wurden Diarahmen, ein Stück sehr dünnes Nylonmaterial und Moment-Kleber verwendet.

Dadurch verfügen wir über ein zweidimensionales Beugungsgitter von sehr hoher Qualität.

Nylonfäden sind in einem Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts voneinander angeordnet. Daher ergibt dieses Nylongewebe ein ziemlich klares Beugungsmuster. Da sich die Fäden im Raum außerdem im rechten Winkel schneiden, entsteht ein zweidimensionales Gitter.

2. Milchüberzug

Bei der Zubereitung einer Milchlösung wird ein Teelöffel Milch mit 4-5 Esslöffeln Wasser verdünnt. Anschließend wird eine saubere, als Unterlage vorbereitete Glasplatte auf den Tisch gelegt, auf deren Oberseite einige Tropfen der Lösung aufgetragen, mit einer dünnen Schicht über die gesamte Fläche verstrichen und einige Minuten trocknen gelassen. Anschließend wird die Platte hochkant gestellt, die Reste der Lösung abtropfen lassen und abschließend noch einige Minuten in Schräglage getrocknet.

3. Beschichtung mit Lycopodium

Ein Tropfen Maschinen- oder Pflanzenöl wird auf die Oberfläche eines sauberen Tellers aufgetragen (Sie können ein Körnchen Fett, Margarine usw. verwenden). Butter oder Vaseline) mit einer dünnen Schicht beschmieren und die verschmierte Oberfläche vorsichtig mit einem sauberen Tuch abwischen.

Die darauf verbleibende dünne Fettschicht dient als Haftgrund. Auf diese Oberfläche wird eine kleine Menge (eine Prise) Lycopodium gegossen, die Platte um 30 Grad geneigt und durch Antippen des Randes mit dem Finger das Pulver auf den Boden gegossen. Im Bereich des Schuppens verbleibt eine breite Spur in Form einer ziemlich homogenen Lycopodiumschicht.

Ändern Sie die Neigung der Platte und wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis die gesamte Oberfläche der Platte mit einer ähnlichen Schicht bedeckt ist. Anschließend wird das überschüssige Pulver abgeschüttet, indem die Platte senkrecht gestellt und mit der Kante auf einen Tisch oder einen anderen harten Gegenstand geschlagen wird.

Kugelförmige Lycopodium-Partikel (Moossporen) zeichnen sich durch einen konstanten Durchmesser aus. Eine solche Beschichtung, die aus einer großen Anzahl undurchsichtiger Kugeln mit dem gleichen Durchmesser d besteht, die zufällig über die Oberfläche eines transparenten Substrats verteilt sind, ähnelt der Intensitätsverteilung im Beugungsmuster eines runden Lochs.

Abschluss:

Lichtinterferenz wird beobachtet:

1) Verwendung von Seifenfilmen auf einem Drahtrahmen oder gewöhnlichen Seifenblasen;

2) Ein spezielles Gerät „Newtons Ring“.

Lichtbeugungsbeobachtung:

I. Die milchige Beschichtung und das Lycopodium stellen ein natürliches Beugungsgitter dar, da Milchpartikel und Sporen von Lycopodium in ihrer Größe nahe an der Wellenlänge des Lichts liegen. Das Bild ist recht hell und klar, wenn man durch diese Präparate auf eine helle Lichtquelle blickt.

II. Ein Beugungsgitter ist ein Laborgerät mit einer Auflösung von 1/200, mit dem Sie die Beugung von Licht im Weiß- und Monolicht beobachten können.

III. Wenn Sie durch Ihre eigenen Wimpern auf eine helle Lichtquelle blicken, können Sie auch Beugung beobachten.

IV. Vogelfeder (die dünnsten Zotten) Kann auch als Beugungsgitter verwendet werden, da der Abstand zwischen den Zotten und ihre Größe der Wellenlänge des Lichts entsprechen.

V. Die Laserscheibe ist ein reflektierendes Beugungsgitter, dessen Rillen so nah beieinander liegen, dass sie ein überwindbares Hindernis für die Lichtwelle darstellen.

VI. Das Nylongitter, das wir speziell für diese Laborarbeit hergestellt haben, ist aufgrund der Dünnheit des Gewebes und der Nähe der Fasern ein gutes zweidimensionales Beugungsgitter.

Thema: Optik

Lektion: Praktische Arbeit zum Thema „Beobachtung der Interferenz und Beugung von Licht“

Name:„Beobachtung von Interferenz und Lichtbeugung“.

Ziel: Untersuchen Sie experimentell die Interferenz und Beugung von Licht.

Ausrüstung: Lampe mit geradem Glühfaden, 2 Glasplatten, Drahtgestell, Seifenlösung, Messschieber, dickes Papier, Stück Batist, Nylonfaden, Clip.

Erleben Sie 1

Beobachtung des Interferenzmusters mit Glasplatten.

Wir nehmen zwei Glasplatten, wischen sie vorher sorgfältig ab, falten sie dann fest und drücken sie zusammen. Das Interferenzmuster, das wir auf den Platten sehen, muss skizziert werden.

Um die Veränderung des Kompressionsgrades der Brille im Bild zu erkennen, ist es notwendig, eine Klemmvorrichtung zu nehmen und die Platten mit Hilfe von Schrauben zusammenzudrücken. Dadurch ändert sich das Interferenzmuster.

Erfahrung 2

Interferenz auf dünnen Filmen.

Um dieses Experiment zu beobachten, nehmen wir Seifenwasser und einen Drahtrahmen und sehen uns dann an, wie ein dünner Film entsteht. Wird der Rahmen in Seifenlauge abgesenkt, ist nach dem Anheben ein Seifenfilm darin sichtbar. Wenn man diesen Film im reflektierten Licht betrachtet, kann man Interferenzstreifen erkennen.

Erleben Sie 3

Störung durch Seifenblasen.

Zur Beobachtung verwenden wir eine Seifenlösung. Wir blasen Seifenblasen. Die Art und Weise, wie die Blasen schimmern, ist die Interferenz des Lichts (siehe Abb. 1).

Reis. 1. Leichte Interferenz in Blasen

Das Bild, das wir beobachten, könnte so aussehen (siehe Abb. 2).

Reis. 2. Interferenzmuster

Dabei handelt es sich um Weißlichtinterferenzen, wenn wir eine Linse auf Glas setzen und diese mit einfachem weißem Licht beleuchten.

Wenn Sie Lichtfilter verwenden und mit monochromatischem Licht beleuchten, ändert sich das Interferenzmuster (der Wechsel von dunklen und hellen Bändern ändert sich) (siehe Abb. 3).

Reis. 3. Filter verwenden

Wir wenden uns nun der Beobachtung der Beugung zu.

Beugung ist ein allen Wellen innewohnendes Wellenphänomen, das an den Randteilen beliebiger Objekte beobachtet wird.

Erleben Sie 4

Lichtbeugung durch einen kleinen schmalen Spalt.

Lassen Sie uns einen Spalt zwischen den Backen des Bremssattels schaffen, indem wir seine Teile mit Hilfe von Schrauben bewegen. Um die Lichtbeugung zu beobachten, klemmen wir ein Blatt Papier zwischen die Lippen des Messschiebers, um dieses Blatt dann herauszuziehen. Anschließend bringen wir diesen schmalen Schlitz senkrecht an das Auge heran. Wenn man eine helle Lichtquelle (eine Glühlampe) durch den Spalt betrachtet, kann man die Lichtbeugung erkennen (siehe Abb. 4).

Reis. 4. Lichtbeugung an einem dünnen Spalt

Erleben Sie 5

Beugung auf dickem Papier

Wenn Sie ein dickes Blatt Papier nehmen und mit einem Rasiermesser einen Einschnitt machen, können Sie die Lichtbeugung beobachten, indem Sie diesen Papierausschnitt nahe an das Auge bringen und die Position der beiden benachbarten Blätter ändern.

Erleben Sie 6

Beugung an einem kleinen Loch

Um eine solche Beugung zu beobachten, benötigen wir ein dickes Blatt Papier und eine Stecknadel. Machen Sie mit einer Stecknadel ein kleines Loch in das Blech. Dann bringen wir das Loch nah an das Auge und beobachten eine helle Lichtquelle. In diesem Fall ist Lichtbeugung sichtbar (siehe Abb. 5).

Die Änderung des Beugungsmusters hängt von der Aperturgröße ab.

Reis. 5. Lichtbeugung an einem kleinen Loch

Erleben Sie 7

Lichtbeugung an einem Stück dichten transparenten Stoffes (Nylon, Batist).

Nehmen wir ein Batistband, platzieren es in geringem Abstand zu den Augen und blicken durch das Band auf eine helle Lichtquelle. Wir werden Beugung sehen, d.h. mehrfarbige Streifen und ein helles Kreuz, das aus Linien des Beugungsspektrums besteht.

Die Abbildung zeigt Fotografien der Beugung, die wir beobachten (siehe Abb. 6).

Reis. 6. Lichtbeugung

Bericht: Es sollte die während der Arbeit beobachteten Interferenz- und Beugungsmuster darstellen.

Die Änderung der Linien charakterisiert, wie der eine oder andere Vorgang der Brechung und Addition (Subtraktion) von Wellen abläuft.

Basierend auf dem vom Spalt erhaltenen Beugungsmuster wurde ein spezielles Gerät erstellt - Beugungsgitter. Es handelt sich um eine Reihe von Schlitzen, durch die Licht fällt. Dieses Gerät wird benötigt, um detaillierte Lichtstudien durchzuführen. Mithilfe eines Beugungsgitters können Sie beispielsweise die Wellenlänge von Licht bestimmen.

Physik().
Der erste September. Pädagogische und methodische Zeitung ().

Labor Nr. 13

Thema: „Beobachtung der Interferenz und Beugung von Licht“

Ziel der Arbeit: das Phänomen der Interferenz und Beugung experimentell untersuchen.

Ausrüstung: eine elektrische Lampe mit geradem Glühfaden (eine pro Klasse), zwei Glasplatten, eine Glasröhre, ein Glas mit Seifenlösung, ein Drahtring mit einem Griff mit einem Durchmesser von 30 mm, eine CD, ein Messschieber, Nylongewebe.

Theorie:

Interferenz ist ein Phänomen, das für Wellen jeglicher Art charakteristisch ist: mechanisch, elektromagnetisch.

Welleninterferenz – Addition zweier (oder mehrerer) Wellen im Raum, bei der an verschiedenen Punkten eine Verstärkung oder Abschwächung der resultierenden Welle erzielt wird.

kohärent nennt man Wellen, die die gleiche Frequenz und einen konstanten Phasenunterschied haben.

Die Amplitude der resultierenden Verschiebung am Punkt C hängt von der Wegdifferenz der Wellen im Abstand d2 – d1 ab.

Maximaler Zustand

, (Δd=d 2 -d 1 )

Wo k=0; ± 1; ±2; ± 3 ;…

(Der Unterschied im Wellenverlauf entspricht einer geraden Anzahl von Halbwellen)

Wellen von den Quellen A und B erreichen Punkt C in den gleichen Phasen und „verstärken sich gegenseitig“.

φ A \u003d φ B - Schwingungsphasen

Δφ=0 – Phasendifferenz

A=2X max

Mindestzustand

, (Δd=d 2 -d 1)

Wo k=0; ± 1; ±2; ± 3;…

(Der Unterschied im Wellenverlauf ist gleich einer ungeraden Anzahl von Halbwellen)

Wellen von den Quellen A und B erreichen Punkt C gegenphasig und „löschen sich gegenseitig aus“.

φ A ≠φ B - Schwingungsphasen

Δφ=π – Phasendifferenz

A=0 ist die Amplitude der resultierenden Welle.

Interferenzmuster– Regelmäßiger Wechsel von Bereichen mit hoher und niedriger Lichtintensität.

Lichtinterferenz- räumliche Umverteilung der Energie der Lichtstrahlung bei Überlagerung zweier oder mehrerer Lichtwellen.

Aufgrund der Beugung weicht das Licht von einer geradlinigen Ausbreitung ab (z. B. in der Nähe von Hinderniskanten).

Beugung – das Phänomen der Wellenabweichung von der geradlinigen Ausbreitung beim Durchgang durch kleine Löcher und beim Umrunden kleiner Hindernisse durch die Welle.

Zustand der Beugungsmanifestation: D< λ , Wo D- die Größe des Hindernisses, λ - Wellenlänge. Die Abmessungen der Hindernisse (Löcher) müssen kleiner oder gleich der Wellenlänge sein.

Die Existenz dieses Phänomens (Beugung) schränkt den Geltungsbereich der Gesetze der geometrischen Optik ein und ist der Grund für die begrenzte Auflösung optischer Instrumente.

Beugungsgitter- ein optisches Gerät, bei dem es sich um eine periodische Struktur aus einer großen Anzahl regelmäßig angeordneter Elemente handelt, an denen Licht gebeugt wird. Striche mit einem für ein bestimmtes Beugungsgitter definierten und konstanten Profil werden in regelmäßigen Abständen wiederholt D(Gitterperiode). Die Fähigkeit eines Beugungsgitters, einen auf es einfallenden Lichtstrahl in Wellenlängen zu zerlegen, ist seine Haupteigenschaft. Es gibt reflektierende und transparente Beugungsgitter. In modernen Geräten werden hauptsächlich reflektierende Beugungsgitter verwendet..

Die Bedingung für die Beobachtung des Beugungsmaximums:

d sinφ=k λ, Wo k=0; ± 1; ±2; ± 3; D- Reibperiode , φ - der Winkel, in dem die Maxima beobachtet werden, und λ - Wellenlänge.

Aus der Maximalbedingung folgt sinφ=(k λ)/d.

Dann sei k=1 sinφ cr =λ cr /d Und sinφ f =λ f /d.

Es ist bekannt, dass λ cr >λ f, somit sinφ cr>sinφ f. Weil y= sinφ f - Die Funktion nimmt also zu φ cr >φ f

Daher liegt die violette Farbe im Beugungsspektrum näher am Zentrum.

Fortschritt:

Erleben Sie 1.Tauchen Sie den Drahtring in die Seifenlösung. Auf dem Drahtring bildet sich ein Seifenfilm.

Positionieren Sie es vertikal. Wir beobachten helle und dunkle horizontale Streifen, deren Breite sich mit der Schichtdicke ändert.

Erläuterung. Das Auftreten heller und dunkler Streifen wird durch die Interferenz von Lichtwellen erklärt, die von der Filmoberfläche reflektiert werden. Dreieck d = 2h. Der Unterschied im Weg der Lichtwellen beträgt die doppelte Dicke des Films. Bei vertikaler Platzierung hat die Folie eine keilförmige Form. Der Unterschied im Weg der Lichtwellen im oberen Teil wird geringer sein als im unteren Teil. An den Stellen des Films, an denen der Gangunterschied einer geraden Anzahl von Halbwellen entspricht, sind helle Streifen zu beobachten. Und mit einer ungeraden Anzahl von Halbwellen – dunkle Streifen. Die horizontale Anordnung der Streifen erklärt sich durch die horizontale Anordnung von Linien gleicher Filmdicke.

Wir beleuchten den Seifenfilm mit weißem Licht (von der Lampe). Wir beobachten die Färbung von Lichtbändern in Spektralfarben: oben blau, unten rot.

Erläuterung. Diese Färbung wird durch die Abhängigkeit der Position der Lichtbänder von der Wellenlänge der einfallenden Farbe erklärt.

Wir beobachten auch, dass sich die Bänder nach unten bewegen, indem sie sich ausdehnen und ihre Form behalten.

Erläuterung. Dies ist auf eine Verringerung der Filmdicke zurückzuführen, da die Seifenlösung aufgrund der Schwerkraft nach unten fließt.

Erfahrung 2. Blasen Sie mit einem Glasrohr eine Seifenblase auf und untersuchen Sie sie sorgfältig. Beobachten Sie bei Beleuchtung mit weißem Licht die Bildung farbiger Interferenzringe, die in Spektralfarben gefärbt sind. Der obere Rand jedes Leuchtrings ist blau, der untere ist rot. Mit abnehmender Filmdicke bewegen sich die ebenfalls expandierenden Ringe langsam nach unten. Ihre Ringform erklärt sich aus der Ringform gleich dicker Linien.

Beantworten Sie die Fragen:

Warum schillern Seifenblasen?
Welche Form haben die Regenbogenstreifen?
Warum ändert sich die Farbe der Blase ständig?

Erleben Sie 3. Zwei Glasplatten gründlich abwischen, zusammensetzen und mit den Fingern zusammendrücken. Aufgrund der nicht idealen Form der Kontaktflächen entstehen zwischen den Platten die dünnsten Luftporen.

Wenn Licht von den Oberflächen der Platten reflektiert wird, die den Spalt bilden, erscheinen helle schillernde Streifen – ringförmig oder unregelmäßig geformt. Wenn sich die Kraft ändert, die die Platten zusammendrückt, ändern sich die Anordnung und Form der Streifen. Zeichne die Bilder, die du siehst.

Erläuterung: Die Oberflächen der Platten können nicht vollkommen eben sein und berühren sich daher nur an wenigen Stellen. Um diese Stellen herum bilden sich dünnste Luftkeile unterschiedlicher Form, die ein Bild von Interferenzen vermitteln. Im Durchlicht beträgt die maximale Bedingung 2h=kl

Beantworten Sie die Fragen:

Warum sind an den Kontaktpunkten der Platten hell schillernde ringförmige oder unregelmäßig geformte Streifen zu beobachten?
Warum ändern sich Form und Lage der Interferenzstreifen mit dem Druck?

Erleben Sie 4.Untersuchen Sie die Oberfläche der CD (auf der aufgenommen wird) sorgfältig aus verschiedenen Blickwinkeln.

Erläuterung: Die Helligkeit der Beugungsspektren hängt von der Häufigkeit der auf der Scheibe aufgebrachten Rillen und vom Einfallswinkel der Strahlen ab. Nahezu parallele Strahlen, die vom Lampenfaden einfallen, werden von benachbarten Ausbuchtungen zwischen den Rillen an den Punkten A und B reflektiert. Die in einem Winkel reflektierten Strahlen, der dem Einfallswinkel entspricht, bilden ein Bild des Lampenfadens in Form einer weißen Linie. Unter anderen Winkeln reflektierte Strahlen haben einen gewissen Gangunterschied, wodurch sich die Wellen addieren.

Was beobachten Sie? Erklären Sie die beobachteten Phänomene. Beschreiben Sie das Interferenzmuster.

Erleben Sie 5. Wir verschieben den Schieber des Bremssattels, bis zwischen den Backen ein Spalt von 0,5 mm Breite entsteht.

Wir platzieren den abgeschrägten Teil der Schwämme nahe am Auge (wobei wir den Spalt vertikal platzieren). Durch diesen Spalt blicken wir auf den vertikal angeordneten Faden der brennenden Lampe. Auf beiden Seiten des Fadens beobachten wir parallel dazu Regenbogenstreifen. Wir ändern die Breite des Schlitzes im Bereich von 0,05 - 0,8 mm. Beim Übergang zu mehr schmale Spalten Die Banden entfernen sich, werden breiter und bilden deutliche Spektren. Durch den breitesten Schlitz betrachtet sind die Ränder sehr schmal und liegen eng beieinander. Zeichnen Sie das Bild, das Sie in Ihrem Notizbuch sehen. Beobachtete Phänomene erklären.

Erleben Sie 6. Schauen Sie durch das Nylongewebe auf den Glühfaden einer brennenden Lampe. Durch Drehen des Stoffes um die Achse erhalten Sie ein klares Beugungsmuster in Form zweier rechtwinklig gekreuzter Beugungsbänder.

Erläuterung: In der Mitte der Kruste ist ein weißer Beugungspeak sichtbar. Bei k=0 ist der Wellengangunterschied gleich Null, das zentrale Maximum ist also weiß. Das Kreuz entsteht dadurch, dass die Fäden des Stoffes zwei zusammengefaltete Beugungsgitter mit zueinander senkrechten Schlitzen sind. Das Auftreten von Spektralfarben erklärt sich dadurch, dass weißes Licht aus Wellen unterschiedlicher Länge besteht. Das Beugungsmaximum von Licht für verschiedene Wellenlängen wird an verschiedenen Orten erhalten.

Skizzieren Sie das beobachtete Beugungskreuz. Erklären Sie die beobachteten Phänomene.

Notieren Sie die Ausgabe. Geben Sie an, bei welchem Ihrer Experimente das Phänomen der Interferenz und bei welchem der Beugung beobachtet wurde.

Kontrollfragen:

Was ist Licht?
Wer hat bewiesen, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist?
Was nennt man Lichtinterferenz? Was sind die maximalen und minimalen Bedingungen für Störungen?
Können Lichtwellen von zwei Glühbirnen interferieren? Warum?
Was ist die Beugung von Licht?
Hängt die Lage der Hauptbeugungsmaxima von der Anzahl der Gitterspalten ab?

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