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광 실험실 결론의 간섭 및 회절 관찰. 사진 보고서 "집에서 빛의 간섭 및 회절 관찰

실험실 작업 번호 11. 빛의 간섭 및 회절 현상 관찰.
작업의 목적 : 빛의 간섭 및 회절 현상을 실험적으로 연구하고 이러한 현상의 발생 조건과 공간에서 빛 에너지 분포의 특성을 식별합니다.
장비: 직선 필라멘트가 있는 전기 램프(클래스당 1개), 유리판 2개, PVC 튜브, 비눗물 유리, 직경 30mm의 손잡이가 있는 와이어 링, 블레이드, 종이 조각 ¼ 시트, 나일론 직물 5x5cm, 회절 격자, 조명 필터 .

간략한 이론
간섭 및 회절은 기계적, 전자기적 특성의 파동 특성 현상입니다. 파동 간섭은 공간에서 두 개(또는 여러 개)의 파동을 추가하는 것으로, 서로 다른 지점에서 결과 파동이 증폭되거나 약화됩니다. 서로 다른 방식으로 주어진 지점에 도달한 동일한 광원에서 방출되는 파동이 중첩될 때 간섭이 관찰됩니다. 안정적인 간섭 패턴을 형성하기 위해서는 동일한 주파수와 일정한 위상차를 갖는 일관된 파동이 필요합니다. 서로 밀착된 두 개의 투명 유리 사이의 에어 웨지 갭에서 산화물, 지방의 박막에서 일관된 파동을 얻을 수 있습니다.
지점 C에서 결과 변위의 진폭은 거리 d2 – d1에서 파도의 경로 차이에 따라 달라집니다.
[ 사진을 보시려면 파일을 다운받으세요 ] Maximum-(진동의 증폭) 조건 : 파동의 경로 차이가 반파의 짝수와 같음
여기서 k=0; ±1; ±2; ±3;
[ 사진을 보려면 파일을 다운로드하세요 ] 소스 A와 B의 파동은 동일한 위상으로 C 지점에 도달하고 “서로 증폭됩니다.
경로 차이가 반파의 홀수와 같으면 파동이 서로 약해지고 만나는 지점에서 최소값이 관찰됩니다.

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빛이 간섭하면 광파 에너지의 공간적 재분배가 발생합니다.
회절은 파동에 의해 작은 구멍을 통과하고 작은 장애물을 둥글게 할 때 직선 전파에서 파동이 편향되는 현상입니다.
회절은 Huygens-Fresnel 원리에 의해 설명됩니다. 파동이 도달한 장애물의 각 지점은 장애물의 가장자리를 넘어 전파되고 서로 간섭하여 안정적인 간섭 패턴을 형성하는 일관된 2차 파동의 소스가 됩니다. 조명 최대값과 최소값, 백색광에서 무지갯빛으로 채색됨. 회절 발현 조건: 장애물(구멍)의 크기가 파장보다 작거나 파장에 상응해야 함 회절은 가는 필라멘트, 유리의 스크래치, 종이의 슬릿-세로 절단, 속눈썹에서 관찰됨 , 안개 낀 유리 위의 물방울, 구름이나 유리 위의 얼음 결정, 곤충의 키틴질 덮개의 강모, 새 깃털, CD, 포장지., 회절 격자에.,
회절 격자는 빛이 회절되는 다수의 규칙적으로 배열된 요소의 주기적인 구조인 광학 장치입니다. 주어진 회절 격자에 대해 정의되고 일정한 프로필이 있는 스트로크는 동일한 간격 d(격자 주기)를 통해 반복됩니다. 입사광선을 파장으로 분해하는 회절 격자의 능력은 주요 특성입니다. 반사 및 투명 회절 격자가 있습니다. 현대 장치에서는 주로 반사 회절 격자가 사용됩니다.

진전:
작업 1. A) 박막에 대한 간섭 관찰:
체험 1. 와이어 링을 비눗물에 담급니다. 와이어 링에 비누막이 형성됩니다.
수직으로 배치하십시오. 필름 두께가 변함에 따라 너비와 색상이 변하는 밝고 어두운 가로 줄무늬를 관찰합니다. 광 필터를 통해 사진을 검사하십시오.
얼마나 많은 밴드가 관찰되고 색상이 어떻게 번갈아 나타나는지 기록하십시오.
체험 2. PVC 튜브를 사용하여 비눗방울을 불고 주의 깊게 살펴봅니다. 백색광을 비추면 스펙트럼 색상으로 칠해진 간섭 반점의 형성을 관찰하고 광 필터를 통해 그림을 검사합니다.
거품에 어떤 색상이 표시되며 위에서 아래로 어떻게 번갈아 나타납니까?
B) 에어 웨지의 간섭 관찰:
경험 3. 두 개의 유리판을 조심스럽게 닦고 함께 놓고 손가락으로 짠다. 접촉면의 모양이 이상적이지 않기 때문에 판 사이에 가장 얇은 기공이 형성됩니다. 이들은 공기 쐐기이며 간섭이 발생합니다. 판을 누르는 힘이 변하면 에어웨지의 두께가 변하여 간섭 극대와 극소의 위치와 형태가 변하게 되는데, 이때 광필터를 통해 사진을 관찰한다.
백색광에서 보이는 것과 필터를 통해 보이는 것을 그립니다.

결론: 간섭이 발생하는 이유, 사진의 밝기와 색상에 영향을 미치는 간섭 패턴에서 최대의 색상을 설명하는 방법.

작업 2. 빛의 회절 관찰.
경험 4. 칼날로 종이에 슬릿을 자르고 종이를 눈에 대고 슬릿을 통해 광원 램프를 봅니다. 조도의 최대값과 최소값을 관찰하고 빛 필터를 통해 사진을 살펴봅니다.
백색광과 단색광에서 보이는 회절 패턴을 스케치합니다.
종이를 변형하여 슬릿의 폭을 줄이고 회절을 관찰합니다.
경험 5. 회절 격자를 통한 광원 램프를 고려하십시오.
회절 패턴은 어떻게 변경되었습니까?
경험 6. 빛나는 램프의 실에서 나일론 천을 들여다보십시오. 직물을 축 주위로 회전시켜 두 개의 회절대가 직각으로 교차하는 형태의 명확한 회절 패턴을 얻습니다.
관찰된 회절 십자형을 스케치합니다. 이 현상을 설명하십시오.
결론을 내리십시오 : 회절이 발생하는 이유, 회절 패턴에서 최대 색상을 설명하는 방법, 사진의 밝기와 색상에 영향을 미치는 요소.
제어 질문:
간섭현상과 회절현상의 공통점은?
안정적인 간섭 패턴을 제공할 수 있는 파동은 무엇입니까?
교실 천장에 매달린 램프로 인해 학생 테이블에 간섭 패턴이 없는 이유는 무엇입니까?

6. 달 주위의 색깔 있는 원은 어떻게 설명할 수 있습니까?

첨부 파일

주제에 대한 실험실 작업 : "빛의 간섭과 회절 관찰"

작업의 목표: 간섭과 회절 현상을 실험적으로 연구합니다.

장비: 직선 필라멘트가 있는 전기 램프, 유리판 2개, 유리관, 비눗물 유리, 직경 30mm의 손잡이가 있는 와이어 링, CD, 나일론 천, 조명 필터.

이론: 간섭은 기계적, 전자기적 특성의 파동 특성 현상입니다.

웨이브 간섭 – 서로 다른 지점에서 결과 파동의 증폭 또는 감쇠가 얻어지는 두 개(또는 여러 개의) 파동의 공간 추가 .

일반적으로 간섭은 동일한 광원에서 방출된 파동이 서로 다른 방식으로 주어진 지점에 도달할 때 중첩될 때 관찰됩니다. 두 개의 독립적인 소스에서 간섭 패턴을 얻는 것은 불가능합니다. 분자 또는 원자는 서로 독립적으로 별도의 파동 열로 빛을 방출합니다. 원자는 진동의 위상이 무작위인 광파(기차) 조각을 방출합니다. Tsugi는 약 1m 길이입니다. 서로 다른 원자의 웨이브 트레인이 서로 중첩됩니다. 결과 진동의 진폭은 시간이 지남에 따라 혼란스럽게 변하므로 눈이 이러한 그림의 변화를 느낄 시간이 없습니다. 따라서 사람은 공간이 고르게 켜진 것을 볼 수 있습니다. 안정적인 간섭 패턴을 형성하기 위해서는 일관된(정합된) 파원이 필요합니다.

일관된 동일한 주파수와 일정한 위상차를 갖는 파동이라고합니다.

지점 C에서 결과 변위의 진폭은 거리 d2 – d1에서 파도의 경로 차이에 따라 달라집니다.

최대 조건

, (Δd=d 2 -디 1 )

어디 k=0; ±1; ±2; ±3 ;…

(파동 경로의 차이는 짝수 개의 반파와 같습니다)

소스 A와 B의 파동은 동일한 위상으로 C 지점에 도달하고 "서로 증폭"됩니다.

φA = φB - 진동 단계

Δφ=0 - 위상차

A=2X 최대

최소 조건

, (Δd=d 2 -디 1 )

어디 k=0; ±1; ±2; ±3;…

(파동의 경로 차이는 반파의 홀수와 같습니다)

소스 A와 B의 파동은 반대 위상으로 C 지점에 도달하여 "서로 소멸"합니다.

φ A ≠φ B - 진동 단계

Δφ=π - 위상차

A=0 결과 웨이브의 진폭입니다.

간섭 패턴 – 광도가 높고 낮은 영역을 규칙적으로 교대합니다.

빛의 간섭 - 두 개 이상의 광파가 중첩될 때 광 방사 에너지의 공간적 재분배.

회절로 인해 빛은 직선 전파에서 벗어납니다(예: 장애물 가장자리 근처).

회절 – 파도에 의해 작은 구멍을 통과하고 작은 장애물을 둥글게 할 때 직선 전파에서 파도가 편향되는 현상 .

회절 발현 조건 : 디< λ , 어디 디 - 장애물의 크기,λ - 파장. 장애물(구멍)의 치수는 파장보다 작거나 파장에 상응해야 합니다.

이 현상(회절)의 존재는 기하 광학 법칙의 범위를 제한하고 광학 기기의 해상도를 제한하는 이유입니다.

회절 격자 - 빛이 회절되는 다수의 규칙적으로 배열된 요소의 주기적 구조인 광학 장치. 주어진 회절 격자에 대해 정의되고 일정한 프로필을 가진 스트로크가 일정한 간격으로 반복됩니다.디 (격자 기간). 입사광선을 파장으로 분해하는 회절 격자의 능력은 주요 특성입니다. 반사 및 투명 회절 격자가 있습니다.현대 장치에서는 주로 반사 회절 격자가 사용됩니다. .

회절 극대를 관찰하기 위한 조건 :

d sinφ = k λ,어디 k=0; ±1; ±2; ±3; 디 - 격자 기간 , φ - 최대값이 관찰되는 각도, 및 λ - 파장.

최대 조건에서 다음과 같습니다.sinφ=(k λ)/d .

k=1이라고 하면 sinφ KR =λ KR /디그리고 sinφ 에프 =λ 에프 /디.

그것은 알려져있다 λ KR >λ 에프 , 따라서 sinφ KR >sinφ 에프 . 왜냐하면 y=sinφ 에프 - 기능이 증가하고 있습니다.φ KR >φ 에프

따라서 회절 스펙트럼의 보라색은 중앙에 더 가깝게 위치합니다.

빛의 간섭 및 회절 현상에서 에너지 보존 법칙이 준수됩니다. . 간섭 영역에서 빛 에너지는 다른 유형의 에너지로 변환되지 않고 재분배될 뿐입니다. 총 광 에너지에 대한 간섭 패턴의 일부 지점에서의 에너지 증가는 다른 지점에서의 감소로 보상됩니다(총 광 에너지는 독립적인 광원에서 나오는 두 개의 광선의 광 에너지입니다). 밝은 줄무늬는 에너지 최대값에 해당하고 어두운 줄무늬는 에너지 최소값에 해당합니다.

진전:

경험 1. 와이어 링을 비눗물에 담급니다. 와이어 링에 비누막이 형성됩니다.

수직으로 배치하십시오. 필름 두께가 변함에 따라 너비가 변하는 밝고 어두운 가로 줄무늬를 관찰합니다.

설명. 밝은 밴드와 어두운 밴드의 출현은 필름 표면에서 반사된 광파의 간섭으로 설명됩니다. 삼각형 d = 2h.광파의 경로 차이는 필름 두께의 두 배입니다. 필름을 수직으로 놓았을 때 쐐기 모양의 모양을 갖습니다. 상부의 광파 경로 차이는 하부보다 적습니다. 경로 차이가 짝수의 반파와 같은 필름의 위치에서 밝은 줄무늬가 관찰됩니다. 그리고 홀수의 반파-어두운 줄무늬가 있습니다. 줄무늬의 수평 배열은 필름 두께가 동일한 라인의 수평 배열로 설명됩니다.

(램프에서 나오는) 백색광으로 비누막을 비춥니다. 우리는 스펙트럼 색상의 밝은 밴드의 착색을 관찰합니다 : 상단 - 파란색, 하단 - 빨간색.

설명. 이 착색은 입사 색상의 파장에 대한 광 밴드의 위치 의존성에 의해 설명됩니다.

우리는 또한 밴드가 확장되고 모양을 유지하면서 아래로 이동하는 것을 관찰합니다.

조명 필터를 사용하고 단색광으로 조명하면 간섭 패턴이 변경됩니다(어두운 밴드와 밝은 밴드의 교대가 변경됨).

설명. 이것은 비누 용액이 중력의 영향으로 아래로 흐르기 때문에 필름 두께가 감소하기 때문입니다.

경험 2. 유리관으로 비눗방울을 불고 주의 깊게 살펴보세요. 백색광을 비추었을 때 스펙트럼 색상으로 착색된 간섭 고리의 형성을 관찰하십시오. 각 라이트 링의 상단 가장자리는 파란색이고 하단은 빨간색입니다. 필름 두께가 감소함에 따라 확장되는 링도 천천히 아래로 이동합니다. 그들의 환형 모양은 동일한 두께의 선의 환형 모양으로 설명됩니다.

질문에 답하십시오:

비누 거품이 무지개 빛깔인 이유는 무엇입니까?

무지개 줄무늬는 어떤 모양입니까?

거품의 색깔은 왜 계속 변하는 걸까요?

경험 3 . 두 개의 유리판을 철저히 닦고 결합하고 손가락으로 짠다. 접촉면의 비이상적인 형상으로 인해 플레이트 사이에 가장 얇은 기공이 형성됩니다.

설명: 판의 표면은 완벽하게 평평할 수 없으므로 몇 군데만 닿습니다. 이 장소 주변에는 다양한 형태의 가장 얇은 공기 쐐기가 형성되어 간섭의 그림을 제공합니다. 투과광에서 최대 조건 2h=kl

질문에 답하십시오:

플레이트의 접촉점에서 밝은 무지개 빛깔의 고리 모양 또는 불규칙한 모양의 줄무늬가 관찰되는 이유는 무엇입니까?

간섭 줄무늬의 모양과 위치가 압력에 따라 변하는 이유는 무엇입니까?

경험 4. 녹음 중인 CD 표면을 여러 각도에서 주의 깊게 살펴보십시오.

설명 : 회절 스펙트럼의 밝기는 디스크에 증착된 홈의 주파수와 광선의 입사각에 따라 달라집니다. 램프 필라멘트에서 입사하는 거의 평행한 광선은 점 A와 B의 홈 사이의 인접 돌출부에서 반사됩니다. 입사각과 동일한 각도로 반사된 광선은 흰색 선 형태의 램프 필라멘트 이미지를 형성합니다. 다른 각도에서 반사된 광선에는 특정 경로 차이가 있으며 그 결과 파동이 추가됩니다.

당신은 무엇을 관찰하고 있습니까? 관찰된 현상을 설명하시오. 간섭 패턴을 설명하십시오.

CD의 표면은 가시광선의 파장에 상응하는 피치를 가진 나선형 트랙입니다. 미세 구조의 표면에서는 회절 및 간섭 현상이 나타납니다. CD의 하이라이트는 무지갯빛입니다.

경험 5. 불타는 램프의 필라멘트에서 나일론 천을 들여다보십시오. 직물을 축 주위로 회전시켜 두 개의 회절대가 직각으로 교차하는 형태의 명확한 회절 패턴을 얻습니다.

설명 : 십자형 중앙에 흰색 회절 피크가 보입니다. k=0에서 파동 경로 차이는 0이므로 중앙 최대값은 흰색입니다. 십자형은 직물의 실이 서로 수직인 슬롯으로 함께 접힌 두 개의 회절 격자이기 때문에 얻어진다. 스펙트럼 색상의 출현은 백색광이 길이가 다른 파동으로 구성된다는 사실로 설명됩니다. 다른 파장에 대한 빛의 최대 회절은 다른 위치에서 얻습니다.

관찰된 회절 십자형을 스케치합니다. 관찰된 현상을 설명하시오.

경험 6.

작은 구멍에서의 회절

이러한 회절을 관찰하려면 두꺼운 종이와 핀이 필요합니다. 핀을 사용하여 시트에 작은 구멍을 만듭니다. 그런 다음 구멍을 눈에 가깝게 가져오고 밝은 광원을 관찰합니다. 이 경우 빛의 회절이 보입니다.

출력을 기록합니다. 간섭 현상이 관찰된 실험과 회절이 발생한 실험을 표시하십시오. . 당신이 경험한 간섭과 회절의 예를 제시하십시오.

제어 질문( 각 학생은 질문에 대한 답을 준비합니다 ):

빛이란 무엇입니까?

빛이 전자기파라는 것을 누가 증명했습니까?

진공에서 빛의 속도는 얼마입니까?

빛의 간섭을 발견한 사람은?

얇은 간섭막의 무지갯빛 착색을 설명하는 것은 무엇입니까?

두 개의 백열 전구에서 나오는 광파가 간섭할 수 있습니까? 왜?

두꺼운 기름층이 무지개 빛깔이 아닌 이유는 무엇입니까?

주 회절 최대값의 위치는 격자 슬릿의 수에 따라 달라집니까?

비누막의 겉보기 무지개 빛깔이 항상 변하는 이유는 무엇입니까?

수업의 목적:

"빛의 간섭 및 회절" 주제에 대한 지식을 일반화합니다.
학생들의 실험적 기술과 능력의 형성을 계속합니다.
자연 현상을 설명하기 위해 이론적 지식을 적용합니다.
물리학 및 과학 지식 과정에 대한 관심 형성을 촉진합니다.
학생들의 시야 확장, 실험 결과에서 결론을 도출하는 능력 개발에 기여합니다.

장비:

직선 필라멘트 램프(클래스당 하나);
손잡이가 있는 와이어 링(작업 번호 1,2);
비눗물 한 잔 (작업 번호 1,2);
유리판(40 x 60mm), 세트당 2개(작품 번호 3)(집에서 만든 장비);
캘리퍼스(작업 번호 4);
나일론 원단 (100 x 100 mm, 집에서 만든 장비, 작업 번호 5);
축음기 레코드 (1mm 당 4 및 8 스트로크, 작업 번호 6);
CD (작업 번호 6);
곤충과 새의 사진 (작업 번호 7).

수업 진행

I. "빛의 간섭"(연구 자료의 반복) 주제에 대한 지식의 실현.

교사: 실험 작업을 수행하기 전에 주요 자료를 반복합니다.

간섭 현상이라고 하는 현상은 무엇입니까?

어떤 파동이 간섭으로 특징지어집니까?

일관된 파동을 정의합니다.

간섭 최대값과 최소값에 대한 조건을 기록하십시오.

간섭 현상에서 에너지 보존 법칙이 관찰됩니까?

재학생 (권장 답변):

– 간섭은 기계적, 전자기적 특성의 파동 특성 현상입니다. "파동의 간섭은 공간에 두 개(또는 여러 개)의 파동이 추가되는 것으로, 서로 다른 지점에서 결과 파동이 증폭되거나 약화됩니다."

– 안정된 간섭무늬를 형성하기 위해서는 결맞은(정합된) 파동원이 필요하다.

- 결맞음파란 주파수가 같고 위상차가 일정한 파동을 말한다.

칠판에 학생들은 최대값과 최소값에 대한 조건을 적습니다.

지점 C에서 결과 변위의 진폭은 거리에서 파도의 경로 차이에 따라 달라집니다. 디 2 – 디 1 .

그림 1 - 최대 조건

그림 2 - 최소 조건

, ()

여기서 k=0; ±1; ±2; ±3;…

(파동 경로의 차이는 짝수 개의 반파와 같습니다)

소스 S 1과 S 2의 파동은 같은 단계에서 C 지점에 도달하고 "서로 증폭"됩니다.

진동의 단계

위상차

А=2Х max는 결과 파동의 진폭입니다.

, ()

여기서 k=0; ±1; ±2; ±3;…

(파동의 경로 차이는 반파의 홀수와 같습니다)

소스 S 1과 S 2의 파동은 반대 위상으로 C 지점에 도달하고 "서로 소멸"합니다.

진동의 단계

위상차

A=0은 결과 웨이브의 진폭입니다.

간섭 패턴은 광도가 증가하거나 감소하는 영역이 규칙적으로 교대로 나타나는 패턴입니다.

- 빛의 간섭 - 두 개 이상의 광파가 중첩될 때 빛 복사 에너지의 공간적 재분배.

결과적으로 빛의 간섭 및 회절 현상에서 에너지 보존 법칙이 준수됩니다. 간섭 영역에서 빛 에너지는 다른 유형의 에너지로 변환되지 않고 재분배될 뿐입니다. 총 광 에너지에 대한 간섭 패턴의 일부 지점에서의 에너지 증가는 다른 지점에서의 감소로 보상됩니다(총 광 에너지는 독립적인 광원에서 나오는 두 개의 광선의 광 에너지입니다).

밝은 줄무늬는 에너지 최대값에 해당하고 어두운 줄무늬는 에너지 최소값에 해당합니다.

교사: 수업의 실용적인 부분으로 넘어갑시다.

실험적 작업 1

"비누막에 대한 빛의 간섭 현상 관찰".

장비: 비누 용액이 담긴 안경, 직경 30mm의 손잡이가 달린 와이어 링. ( 그림 3 참조)

학생들은 어두운 교실에서 단색 조명 아래 편평한 비누막 위의 간섭을 관찰합니다.

와이어 링에 비누막을 놓고 수직으로 놓습니다.

필름 두께가 변함에 따라 너비가 변하는 밝고 어두운 가로 줄무늬를 관찰합니다( 그림 4 참조).

설명. 밝은 밴드와 어두운 밴드의 출현은 필름 표면에서 반사된 광파의 간섭으로 설명됩니다. 삼각형 d = 2h

광파의 경로 차이는 필름 두께의 두 배입니다.

필름을 수직으로 놓았을 때 쐐기 모양의 모양을 갖습니다. 상부의 광파 경로 차이는 하부보다 적습니다. 경로 차이가 짝수의 반파와 같은 필름의 위치에서 밝은 줄무늬가 관찰됩니다. 그리고 홀수의 반파 - 밝은 줄무늬가 있습니다. 줄무늬의 수평 배열은 필름 두께가 동일한 라인의 수평 배열로 설명됩니다.

4. (램프에서 나오는) 백색광으로 비누막을 비춥니다.

5. 스펙트럼 색상의 밝은 밴드 착색을 관찰합니다. 상단 - 파란색, 하단 - 빨간색.

설명. 이 착색은 입사 색상의 파장에 대한 광 밴드의 위치 의존성에 의해 설명됩니다.

6. 또한 확장되고 모양을 유지하는 스트립이 아래로 이동하는 것을 관찰합니다.

설명. 이것은 비누 용액이 중력의 영향으로 아래로 흐르기 때문에 필름 두께가 감소하기 때문입니다.

실험 작업 2

"비눗방울에 대한 빛의 간섭 관찰".

1. 학생들은 거품을 불어 (그림 5 참조).

2. 위쪽과 아래쪽에 분광색으로 칠해진 간섭 고리의 형성을 관찰합니다. 각 라이트 링의 상단 가장자리는 파란색이고 하단은 빨간색입니다. 필름 두께가 감소함에 따라 확장되는 링도 천천히 아래로 이동합니다. 그들의 환형 모양은 동일한 두께의 선의 환형 모양으로 설명됩니다.

실험 작업 3번.

“에어필름에 빛의 간섭 관찰”

학생들은 깨끗한 유리판을 함께 놓고 손가락으로 짠다(그림 6 참조).

접시는 어두운 배경에 반사광으로 보입니다.

어떤 곳에서는 밝은 무지개 빛깔의 고리 모양 또는 닫힌 불규칙한 모양의 줄무늬가 관찰됩니다.

압력을 변화시키고 줄무늬의 위치와 모양의 변화를 관찰하십시오.

교사: 이 작업의 관찰은 개별적입니다. 관찰한 간섭 패턴을 스케치합니다.

설명: 판의 표면은 완벽하게 평평할 수 없으므로 몇 군데만 닿습니다. 이 장소 주변에는 다양한 형태의 가장 얇은 공기 쐐기가 형성되어 간섭의 그림을 제공합니다. (그림 7).

투과광에서 최대 조건 2h=kl

선생님: 건설 및 엔지니어링 기술의 간섭 및 분극 현상은 구조물 및 기계의 개별 노드에서 발생하는 응력을 연구하는 데 사용됩니다. 연구 방법을 광탄성이라고합니다. 예를 들어 부품 모델이 변형되면 유기 유리의 균질성이 위반되고 간섭 패턴의 특성은 부품의 내부 응력을 반영합니다.(그림 8) .

II. "빛의 회절"(연구 자료의 반복) 주제에 대한 지식의 실현.

교사: 작업의 두 번째 부분을 수행하기 전에 주요 자료를 반복하겠습니다.

회절 현상이라고 하는 현상은 무엇입니까?

회절이 나타나는 조건.

회절 격자, 유형 및 주요 속성.

회절 극대를 관찰하기 위한 조건.

보라색이 간섭 패턴의 중심에 더 가까운 이유는 무엇입니까?

재학생 (권장 답변):

회절은 파동에 의해 작은 구멍을 통과하고 작은 장애물을 둥글게 할 때 직선 전파에서 파동이 편향되는 현상입니다.

회절이 나타나는 조건: 디 < , 어디 디는 장애물의 크기이고 는 파장입니다. 장애물(구멍)의 치수는 파장보다 작거나 파장에 상응해야 합니다. 이 현상(회절)의 존재는 기하 광학 법칙의 범위를 제한하고 광학 기기의 해상도를 제한하는 이유입니다.

회절 격자는 빛이 회절되는 다수의 규칙적인 간격을 둔 요소의 주기적인 구조인 광학 장치입니다. 주어진 회절 격자에 대해 정의되고 일정한 프로필을 가진 스트로크가 일정한 간격으로 반복됩니다. 디(격자 기간). 입사광선을 파장으로 분해하는 회절 격자의 능력은 주요 특성입니다. 반사 및 투명 회절 격자가 있습니다. 현대 장치에서는 주로 반사 회절 격자가 사용됩니다..

최대 회절 관찰 조건:

실험 작업 4번.

"좁은 슬릿에 의한 빛의 회절 관찰"

장비: (센티미터 도면 번호 9)

턱 사이에 0.5mm 너비의 틈이 생길 때까지 캘리퍼스 슬라이더를 이동합니다.
스폰지의 경 사진 부분을 눈 가까이에 놓습니다 (쉘을 수직으로 배치).
이 틈을 통해 우리는 불타는 램프의 수직으로 위치한 실을 봅니다.
실의 양쪽에서 평행한 무지개 빛깔의 줄무늬가 관찰됩니다.
0.05 - 0.8mm 범위에서 슬롯의 너비를 변경합니다. 더 좁은 슬릿을 통과할 때 밴드는 서로 떨어져 움직이고 더 넓어지며 뚜렷한 스펙트럼을 형성합니다. 가장 넓은 슬릿을 통해 보면 가장자리가 매우 좁고 서로 가깝습니다.
학생들은 공책에서 본 것을 그립니다.

실험 작업 5번.

"카프론 직물의 빛 회절 관찰".

장비: 100x100mm 크기의 나일론 직물 곧은 필라멘트가 있는 램프(그림 10)

우리는 불타는 램프의 실에서 나일론 천을 들여다 봅니다.
우리는 "회절 교차"(두 개의 회절 띠가 직각으로 교차하는 형태의 패턴)를 관찰합니다.
학생들은 자신이 본 그림을 공책에 그립니다(회절 교차).

설명 : 지각 중앙에 흰색 회절 피크가 보인다. k=0에서 파동 경로 차이는 0이므로 중앙 최대값은 흰색입니다.

십자형은 직물의 실이 서로 수직인 슬롯으로 함께 접힌 두 개의 회절 격자이기 때문에 얻어진다. 스펙트럼 색상의 출현은 백색광이 길이가 다른 파동으로 구성된다는 사실로 설명됩니다. 다른 파장에 대한 빛의 최대 회절은 다른 위치에서 얻습니다.

실험 작업 6번.

"축음기 레코드와 레이저 디스크에서 빛의 회절 관찰".

장비: 직선 필라멘트 램프, 축음기 레코드(그림 11 참조)

축음기 레코드는 좋은 회절 격자입니다.

홈이 램프 필라멘트와 평행하도록 레코드를 배치하고 반사광에서 회절을 관찰합니다.
우리는 여러 차수의 밝은 회절 스펙트럼을 관찰합니다.

설명: 회절 스펙트럼의 밝기는 레코드에 적용된 홈의 주파수와 광선의 입사각에 따라 달라집니다. (그림 12 참조)

램프 필라멘트에서 입사하는 거의 평행한 광선은 점 A와 B의 홈 사이의 인접 돌출부에서 반사됩니다. 입사각과 동일한 각도로 반사된 광선은 흰색 선 형태의 램프 필라멘트 이미지를 형성합니다. 다른 각도에서 반사된 광선에는 특정 경로 차이가 있으며 그 결과 파동이 추가됩니다.

비슷한 방식으로 레이저 디스크의 회절을 관찰해 봅시다. (그림 13 참조)

CD의 표면은 가시광선의 파장에 필적하는 단차를 가진 나선형 트랙으로, 미세한 표면에 회절과 간섭 현상이 나타납니다. CD의 하이라이트는 무지갯빛입니다.

실험 작업 7번.

“사진에서 곤충의 회절 착색 관찰”.

장비: (도면 번호 14, 15, 16 참조)

교사: 새, 나비, 딱정벌레의 회절 착색은 자연계에서 매우 흔합니다. 회절 색상의 다양한 음영은 공작새, 꿩, 검은 황새, 벌새 및 나비의 특징입니다. 동물의 회절 착색은 생물 학자뿐만 아니라 물리학 자도 연구했습니다.

학생들은 사진을 봅니다.

설명 : 많은 새들의 깃털의 외부 표면과 나비와 딱정벌레의 상체는 회절 격자를 형성하는 1에서 수 미크론 주기의 구조적 요소가 규칙적으로 반복되는 것이 특징입니다. 예를 들어 공작 꼬리 중앙 눈의 구조는 그림 14에서 볼 수 있습니다. 눈의 색은 빛이 눈에 떨어지는 방식과 보는 각도에 따라 달라집니다.

제어 질문(각 학생은 작업이 포함된 카드를 받습니다. 질문에 서면으로 답변합니다. ):

빛이란 무엇입니까?
빛이 전자기파라는 것을 누가 증명했습니까?
진공에서 빛의 속도는 얼마입니까?
빛의 간섭을 발견한 사람은?
얇은 간섭막의 무지갯빛 착색을 설명하는 것은 무엇입니까?
두 개의 백열 전구에서 나오는 광파가 간섭할 수 있습니까? 왜?
두꺼운 기름층이 무지개 빛깔이 아닌 이유는 무엇입니까?
주 회절 최대값의 위치는 격자 슬릿의 수에 따라 달라집니까?
비누막의 겉보기 무지개 빛깔이 항상 변하는 이유는 무엇입니까?

숙제 (그룹에서 학생의 개별 특성을 고려하여).

– "Vavilov의 역설" 주제에 대한 보고서를 준비합니다.

– "간섭", "회절"이라는 키워드로 크로스워드 퍼즐을 구성합니다.

문학:

Arabadzhi V.I. 곤충의 회절 착색 / "Quantum" 2호, 1975
볼코프 V.A. 물리학의 보편적 수업 개발. 11학년. - M.: VAKO, 2006.
코즐로프 S.A. CD의 일부 광학적 특성에 대해. / "학교에서의 물리학" 2006년 1호
CD / "학교에서의 물리학" No. 1, 2006
Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. 물리학: Proc. 11셀용. 평균 학교 - 남.: 교육, 2000
Fabrikant V.A. Vavilov의 역설 / "Quantum" No. 2, 1971
물리학: Proc. 11셀용. 평균 학교 / N.M. Shakhmaev, S.N. Shakhmaev, D.Sh Shodiev. -M .: 교육, 1991.
물리적 백과 사전 / "소비에트 백과 사전", 1983.
교육 기관의 7-11 학년 물리학 정면 실험실 수업: 책. 교사 / V.A. Burov, Yu.I. Dik, B.S. Zworykin 및 기타; 에드. V. A. Burova, G. G. Nikiforova. - M .: 교육: Proc. 문학., 1996

실습 #13

주제: "빛의 간섭과 회절 관찰"

작업의 목표:간섭과 회절 현상을 실험적으로 연구합니다.

장비:직선 필라멘트 (클래스 당 하나)가있는 전기 램프, 유리판 2 개, 유리관, 비눗물 유리, 직경 30mm의 손잡이가있는 와이어 링, CD, 캘리퍼스, 나일론 천.

이론:

간섭은 기계적, 전자기적 특성의 파동 특성 현상입니다.

웨이브 간섭 – 서로 다른 지점에서 결과 파동의 증폭 또는 감쇠가 얻어지는 두 개(또는 여러 개의) 파동의 공간 추가.

일관된 동일한 주파수와 일정한 위상차를 갖는 파동이라고합니다.

지점 C에서 결과 변위의 진폭은 거리 d2 – d1에서 파도의 경로 차이에 따라 달라집니다.

최대 조건

, (Δd=d2-d1 )

어디 k=0; ±1; ±2; ±3 ;…

(파동 경로의 차이는 짝수 개의 반파와 같습니다)

소스 A와 B의 파동은 동일한 위상으로 C 지점에 도달하고 "서로 증폭"됩니다.

φ A \u003d φ B - 진동의 위상

Δφ=0 - 위상차

A=최대 2X

최소 조건

, (Δd=d2-d1)

어디 k=0; ±1; ±2; ±3;…

(파동의 경로 차이는 반파의 홀수와 같습니다)

소스 A와 B의 파동은 반대 위상으로 C 지점에 도달하여 "서로 소멸"합니다.

φ A ≠φ B - 진동 단계

Δφ=π - 위상차

A=0 결과 웨이브의 진폭입니다.

간섭 패턴– 광도가 높고 낮은 영역을 규칙적으로 교대합니다.

빛의 간섭- 두 개 이상의 광파가 중첩될 때 광 방사 에너지의 공간적 재분배.

회절로 인해 빛은 직선 전파에서 벗어납니다(예: 장애물 가장자리 근처).

회절 – 파도에 의해 작은 구멍을 통과하고 작은 장애물을 둥글게 할 때 직선 전파에서 파도가 편향되는 현상.

회절 발현 조건: 디< λ , 어디 디- 장애물의 크기, λ - 파장. 장애물(구멍)의 치수는 파장보다 작거나 파장에 상응해야 합니다.

이 현상(회절)의 존재는 기하 광학 법칙의 범위를 제한하고 광학 기기의 해상도를 제한하는 이유입니다.

회절 격자- 빛이 회절되는 다수의 규칙적으로 배열된 요소의 주기적 구조인 광학 장치. 주어진 회절 격자에 대해 정의되고 일정한 프로필을 가진 스트로크가 일정한 간격으로 반복됩니다. 디(격자 기간). 입사광선을 파장으로 분해하는 회절 격자의 능력은 주요 특성입니다. 반사 및 투명 회절 격자가 있습니다. 현대 장치에서는 주로 반사 회절 격자가 사용됩니다..

회절 극대를 관찰하기 위한 조건:

d sinφ = k λ, 어디 k=0; ±1; ±2; ±3; 디- 격자 기간 , φ - 최대값이 관찰되는 각도, 및 λ - 파장.

최대 조건에서 다음과 같습니다. sinφ=(k λ)/d.

k=1이라고 하면 sinφ cr =λ cr /d그리고 sinφ f =λ f /d.

그것은 알려져있다 λ cr >λ f,따라서 sinφ cr>sinφf. 왜냐하면 y= sinφf - 기능이 증가하고 있습니다. φ cr >φ f

따라서 회절 스펙트럼의 보라색은 중앙에 더 가깝게 위치합니다.

빛의 간섭 및 회절 현상에서 에너지 보존 법칙이 준수됩니다.. 간섭 영역에서 빛 에너지는 다른 유형의 에너지로 변환되지 않고 재분배될 뿐입니다. 총 광 에너지에 대한 간섭 패턴의 일부 지점에서의 에너지 증가는 다른 지점에서의 감소로 보상됩니다(총 광 에너지는 독립적인 광원에서 나오는 두 개의 광선의 광 에너지입니다). 밝은 줄무늬는 에너지 최대값에 해당하고 어두운 줄무늬는 에너지 최소값에 해당합니다.

진전:

경험 1.와이어 링을 비눗물에 담급니다. 와이어 링에 비누막이 형성됩니다.

수직으로 배치하십시오. 필름 두께가 변함에 따라 너비가 변하는 밝고 어두운 가로 줄무늬를 관찰합니다.

설명.밝은 밴드와 어두운 밴드의 출현은 필름 표면에서 반사된 광파의 간섭으로 설명됩니다. 삼각형 d = 2h. 광파의 경로 차이는 필름 두께의 두 배입니다.필름을 수직으로 놓았을 때 쐐기 모양의 모양을 갖습니다. 상부의 광파 경로 차이는 하부보다 적습니다. 경로 차이가 짝수의 반파와 같은 필름의 위치에서 밝은 줄무늬가 관찰됩니다. 그리고 홀수의 반파-어두운 줄무늬가 있습니다. 줄무늬의 수평 배열은 필름 두께가 동일한 라인의 수평 배열로 설명됩니다.

(램프에서 나오는) 백색광으로 비누막을 비춥니다. 우리는 스펙트럼 색상의 밝은 밴드의 착색을 관찰합니다 : 상단 - 파란색, 하단 - 빨간색.

설명.이 착색은 입사 색상의 파장에 대한 광 밴드의 위치 의존성에 의해 설명됩니다.

우리는 또한 밴드가 확장되고 모양을 유지하면서 아래로 이동하는 것을 관찰합니다.

설명.이것은 비누 용액이 중력의 영향으로 아래로 흐르기 때문에 필름 두께가 감소하기 때문입니다.

경험 2. 유리관으로 비눗방울을 불고 주의 깊게 살펴보세요.백색광을 비추었을 때 스펙트럼 색상으로 착색된 간섭 고리의 형성을 관찰하십시오. 각 라이트 링의 상단 가장자리는 파란색이고 하단은 빨간색입니다. 필름 두께가 감소함에 따라 확장되는 링도 천천히 아래로 이동합니다. 그들의 환형 모양은 동일한 두께의 선의 환형 모양으로 설명됩니다.

질문에 답하십시오:

비누 거품이 무지개 빛깔인 이유는 무엇입니까?
무지개 줄무늬는 어떤 모양입니까?
거품의 색깔은 왜 계속 변하는 걸까요?

경험 3.두 개의 유리판을 철저히 닦고 결합하고 손가락으로 짠다. 접촉면의 비이상적인 형상으로 인해 플레이트 사이에 가장 얇은 기공이 형성됩니다.

틈을 형성하는 판의 표면에서 빛이 반사되면 고리 모양 또는 불규칙한 모양의 밝은 무지개 빛깔의 줄무늬가 나타납니다. 플레이트를 압축하는 힘이 변경되면 스트립의 배열과 모양이 변경됩니다. 보이는 그림을 그립니다.

설명:판의 표면은 완벽하게 평평할 수 없으므로 몇 군데만 닿습니다. 이 장소 주변에는 다양한 형태의 가장 얇은 공기 쐐기가 형성되어 간섭의 그림을 제공합니다. 투과광에서 최대 조건 2h=kl

질문에 답하십시오:

플레이트의 접촉점에서 밝은 무지개 빛깔의 고리 모양 또는 불규칙한 모양의 줄무늬가 관찰되는 이유는 무엇입니까?
간섭 줄무늬의 모양과 위치가 압력에 따라 변하는 이유는 무엇입니까?

경험 4.녹음 중인 CD 표면을 여러 각도에서 주의 깊게 살펴보십시오.

설명: 회절 스펙트럼의 밝기는 디스크에 증착된 홈의 주파수와 광선의 입사각에 따라 달라집니다. 램프 필라멘트에서 입사하는 거의 평행한 광선은 점 A와 B의 홈 사이의 인접 돌출부에서 반사됩니다. 입사각과 동일한 각도로 반사된 광선은 흰색 선 형태의 램프 필라멘트 이미지를 형성합니다. 다른 각도에서 반사된 광선에는 특정 경로 차이가 있으며 그 결과 파동이 추가됩니다.

당신은 무엇을 관찰하고 있습니까? 관찰된 현상을 설명하시오. 간섭 패턴을 설명하십시오.

경험 5.턱 사이에 0.5mm 너비의 틈이 생길 때까지 캘리퍼스 슬라이더를 이동합니다.

스폰지의 경 사진 부분을 눈 가까이에 놓습니다 (틈새를 수직으로 배치). 이 틈을 통해 우리는 불타는 램프의 수직으로 위치한 실을 봅니다. 실의 양쪽에서 무지개 줄무늬가 평행을 이루는 것을 관찰합니다. 0.05 - 0.8mm 범위에서 슬롯의 너비를 변경합니다. 더 좁은 슬릿을 통과할 때 밴드는 서로 떨어져 움직이고 더 넓어지며 뚜렷한 스펙트럼을 형성합니다. 가장 넓은 슬릿을 통해 보면 가장자리가 매우 좁고 서로 가깝습니다. 공책에 보이는 그림을 그립니다. 관찰된 현상을 설명하라.

경험 6.불타는 램프의 필라멘트에서 나일론 천을 들여다보십시오. 직물을 축 주위로 회전시켜 두 개의 회절대가 직각으로 교차하는 형태의 명확한 회절 패턴을 얻습니다.

설명: 지각 중앙에 백색 회절 피크가 보인다. k=0에서 파동 경로 차이는 0이므로 중앙 최대값은 흰색입니다. 십자형은 직물의 실이 서로 수직인 슬롯으로 함께 접힌 두 개의 회절 격자이기 때문에 얻어진다. 스펙트럼 색상의 출현은 백색광이 길이가 다른 파동으로 구성된다는 사실로 설명됩니다. 다른 파장에 대한 빛의 최대 회절은 다른 위치에서 얻습니다.

관찰된 회절 십자형을 스케치합니다. 관찰된 현상을 설명하시오.

출력을 기록합니다. 간섭 현상이 관찰된 실험과 회절이 발생한 실험을 표시하십시오..

제어 질문:

빛이란 무엇입니까?
빛이 전자기파라는 것을 누가 증명했습니까?
빛의 간섭이란 무엇입니까? 간섭의 최대 및 최소 조건은 무엇입니까?
두 개의 백열 전구에서 나오는 광파가 간섭할 수 있습니까? 왜?
빛의 회절이란?
주 회절 최대값의 위치는 격자 슬릿의 수에 따라 달라집니까?

주제: 빛의 간섭과 회절 현상 관찰.

작업의 목표: 간섭과 회절 현상을 실험적으로 연구합니다.

장비:

비누 용액이 든 안경;
손잡이가 있는 와이어 링;
나일론 원단;
CD;
백열 램프;
캘리퍼스;
두 개의 유리판;
잎;
족집게;
나일론 직물.

이론적 부분

간섭은 기계적, 전자기적 특성의 파동 특성 현상입니다. 파동 간섭은 공간에서 두 개(또는 여러 개)의 파동을 추가하는 것으로, 서로 다른 지점에서 결과 파동이 증폭되거나 약화됩니다. 안정적인 간섭 패턴을 형성하기 위해서는 일관된(정합된) 파원이 필요합니다. 간섭성 파동은 동일한 주파수와 일정한 위상차를 갖는 파동입니다.

최대 조건 Δd = ±kλ, 최소 조건, Δd = ±(2k + 1)λ/2여기서 k =0; ±1; ±2; ±3;...(파동 경로의 차이는 짝수 개의 반파와 같습니다.

간섭 패턴은 광도가 증가하거나 감소하는 영역이 규칙적으로 교대로 나타나는 패턴입니다. 광 간섭은 두 개 이상의 광파가 중첩될 때 광 복사 에너지의 공간적 재분배입니다. 결과적으로 빛의 간섭 및 회절 현상에서 에너지 보존 법칙이 준수됩니다. 간섭 영역에서 빛 에너지는 다른 유형의 에너지로 변환되지 않고 재분배될 뿐입니다. 총 광 에너지에 대한 간섭 패턴의 일부 지점에서의 에너지 증가는 다른 지점에서의 감소로 보상됩니다(총 광 에너지는 독립적인 광원에서 나오는 두 개의 광선의 광 에너지입니다).
밝은 줄무늬는 에너지 최대값에 해당하고 어두운 줄무늬는 에너지 최소값에 해당합니다.

회절은 파동에 의해 작은 구멍을 통과하고 작은 장애물을 둥글게 할 때 직선 전파에서 파동이 편향되는 현상입니다. 회절이 나타나는 조건: 디< λ, 어디 디- 장애물의 크기, λ - 파장. 장애물(구멍)의 치수는 파장보다 작거나 파장에 상응해야 합니다. 이 현상(회절)의 존재는 기하 광학 법칙의 범위를 제한하고 광학 기기의 해상도를 제한하는 이유입니다. 회절 격자는 빛이 회절되는 다수의 규칙적으로 배열된 요소의 주기적인 구조인 광학 장치입니다. 주어진 회절 격자에 대해 정의되고 일정한 프로필을 가진 스트로크가 일정한 간격으로 반복됩니다. 디(격자 기간). 입사광선을 파장으로 분해하는 회절 격자의 능력은 주요 특성입니다. 반사 및 투명 회절 격자가 있습니다. 현대 장치에서는 주로 반사 회절 격자가 사용됩니다. 최대 회절 관찰 조건: d sin(φ) = ± kλ

작업 지침

1. 와이어 프레임을 비눗물에 담급니다. 비누막의 간섭무늬를 관찰하고 그립니다. 필름이 흰색 빛(창문이나 램프에서)으로 조명되면 밝은 줄무늬가 표시됩니다. 상단은 파란색, 하단은 빨간색입니다. 유리관을 사용하여 비눗방울을 불어보세요. 그를 조심해. 백색광으로 조명하면 유색 간섭 고리의 형성이 관찰됩니다. 필름 두께가 감소함에 따라 링이 확장되고 아래로 이동합니다.

질문에 답하십시오:

비누 거품이 무지개 빛깔인 이유는 무엇입니까?
무지개 줄무늬는 어떤 모양입니까?
거품의 색깔은 왜 계속 변하는 걸까요?

2. 유리판을 깨끗이 닦은 후 합치고 손가락으로 꼭꼭 짠다. 접촉 표면의 비이상적인 모양으로 인해 플레이트 사이에 가장 얇은 기공이 형성되어 밝은 무지개 빛깔의 환형 또는 닫힌 불규칙한 모양의 줄무늬를 제공합니다. 플레이트를 압축하는 힘이 변경되면 밴드의 위치와 모양이 반사광과 투과광 모두에서 변경됩니다. 보이는 그림을 그립니다.

질문에 답하십시오:

밝은 무지개 빛깔의 고리 모양 또는 불규칙한 모양의 줄무늬가 판 사이의 별도 접촉 위치에서 관찰되는 이유는 무엇입니까?
얻어진 간섭 무늬의 모양과 위치가 압력 변화에 따라 변하는 이유는 무엇입니까?

3. CD를 눈높이에 수평으로 놓습니다. 당신은 무엇을 관찰하고 있습니까? 관찰된 현상을 설명하시오. 간섭 패턴을 설명하십시오.

4. 불타는 램프의 필라멘트에서 나일론 천을 들여다보십시오. 직물을 축 주위로 회전시켜 두 개의 회절대가 직각으로 교차하는 형태의 명확한 회절 패턴을 얻습니다. 관찰된 회절 십자형을 스케치합니다.

5. 캘리퍼의 턱에 의해 형성된 슬릿(슬릿 폭 0.05mm 및 0.8mm)을 통해 불타는 램프의 필라멘트를 검사할 때 두 가지 회절 패턴을 관찰하십시오. 캘리퍼가 수직축을 중심으로 부드럽게 회전할 때(슬릿 폭 0.8mm) 간섭 패턴의 특성 변화를 설명하십시오. 두 개의 블레이드를 사용하여 이 실험을 반복하고 서로를 누릅니다. 간섭 패턴의 특성 설명

당신의 발견을 기록하십시오. 어떤 실험에서 간섭 현상이 관찰되었는지 표시하십시오. 회절?