namai › Šviesa ir stiklas › Laboratoriniai fizikos darbai, šviesos difrakcijos stebėjimas. Tema: šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas

Laboratoriniai fizikos darbai, šviesos difrakcijos stebėjimas. Tema: šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas

Laboratoriniai darbaišia tema: "Šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas"

Darbo tikslas: eksperimentiškai tirti trukdžių ir difrakcijos reiškinį.

Įranga: elektros lempa tiesia siūle, dvi stiklo plokštės, stiklinis vamzdelis, stiklas su muilo tirpalu, vielos žiedas su rankena 30 mm skersmens, kompaktinis diskas, suportas, nailono audinys.

Teorija: Trikdžiai – tai reiškinys, būdingas bet kokio pobūdžio bangoms: mechaninėms, elektromagnetinėms.

Bangų trukdžiai – dviejų (arba kelių) bangų pridėjimas erdvėje, kai skirtinguose taškuose gaunama banga sustiprinama arba susilpnėja.

Trikdžiai dažniausiai pastebimi, kai to paties šviesos šaltinio skleidžiamos bangos susilieja ir į tam tikrą tašką patenka skirtingais būdais. Neįmanoma gauti trukdžių modelio iš dviejų nepriklausomų šaltinių, nes molekulės arba atomai skleidžia šviesą atskirais bangų srautais, nepriklausomai vienas nuo kito. Atomai skleidžia šviesos bangų fragmentus (traukinius), kurių virpesių fazės yra atsitiktinės. Traukiniai yra apie 1 metro ilgio. Įvairių atomų bangos persidengia viena su kita. Atsiradusių svyravimų amplitudė laikui bėgant chaotiškai keičiasi taip greitai, kad akis nespėja pajusti šio modelių pasikeitimo. Todėl žmogus mato tolygiai apšviestą erdvę. Norint suformuoti stabilų trukdžių modelį, reikalingi nuoseklūs (suderinti) bangų šaltiniai.

Darnus vadinamos bangos, turinčios vienodą dažnį ir pastovų fazių skirtumą.

Susidariusio poslinkio amplitudė taške C priklauso nuo bangų takų skirtumo atstumu d2 – d1.

Maksimali būklė

, (Δd = d 2 - d 1 )

kur k = 0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…

(bangų kelio skirtumas lygus lyginiam pusbangių skaičiui)

Bangos iš šaltinių A ir B pateks į tašką C tomis pačiomis fazėmis ir „stiprins viena kitą“.

φ A = φ B - virpesių fazės

Δφ=0 - fazių skirtumas

A = 2X maks

Minimali sąlyga

, (Δd = d 2 - d 1 )

kur k = 0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(bangų kelio skirtumas lygus nelyginiam pusbangių skaičiui)

Bangos iš šaltinių A ir B pateks į tašką C priešfazėje ir „viena kitą panaikins“.

φ A ≠φ B – virpesių fazės

Δφ=π – fazių skirtumas

A=0 – susidariusios bangos amplitudė.

Interferencinis modelis– reguliarus padidinto ir sumažėjusio šviesos intensyvumo sričių kaitaliojimas.

Šviesos trukdžiai– erdvinis šviesos spinduliuotės energijos perskirstymas, kai ant jų yra dvi ar daugiau šviesos bangų.

Dėl difrakcijos šviesa nukrypsta nuo linijinio sklidimo (pavyzdžiui, šalia kliūčių kraštų).

Difrakcija – bangos nukrypimo nuo tiesinio sklidimo reiškinys, kai praeina pro mažas skylutes ir banga lenkiasi aplink mažas kliūtis.

Difrakcijos būsena:d , kur – kliūties dydis,λ - bangos ilgis. Kliūčių (skylių) matmenys turi būti mažesni arba panašūs į bangos ilgį.

Šio reiškinio (difrakcijos) egzistavimas riboja geometrinės optikos dėsnių taikymo sritį ir yra optinių prietaisų skiriamosios gebos ribos priežastis.

Difrakcinė gardelė– optinis įrenginys, kuris yra periodinė struktūra didelis skaičius reguliariai išdėstyti elementai, ant kurių atsiranda šviesos difrakcija. Tam tikros difrakcijos gardelės specifinio ir pastovaus profilio smūgiai kartojami tuo pačiu intervalu d (gardelės laikotarpis). Difrakcinės gardelės gebėjimas atskirti ant jos krintančios šviesos spindulį pagal bangos ilgį yra pagrindinė jos savybė. Yra atspindinčios ir skaidrios difrakcijos grotelės.IN šiuolaikiniai įrenginiai daugiausia naudojamos atspindinčios difrakcijos gardelės.

Sąlyga difrakcijos maksimumui stebėti:

d·sinφ=k·λ, kur k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d – gardelės periodas, φ – kampas, kuriuo stebimas maksimumas, irλ – bangos ilgis.

Iš maksimalios sąlygos išplaukia sinφ=(k·λ)/d.

Tegu k=1, tada sinφ kr =λ kr /d ir sinφ f =λ f /d.

Yra žinoma, kad λ cr >λ f, todėl sinφ cr >sinφ f. Nes y= sinφ f – tada funkcija didėjaφ cr >φ f

Štai kodėl violetinė difrakcijos spektre yra arčiau centro.

Šviesos trukdžių ir difrakcijos reiškiniuose laikomasi energijos tvermės dėsnio. Interferencinėje srityje šviesos energija tik perskirstoma, nekeičiama į kitų rūšių energiją. Energijos padidėjimas kai kuriuose interferencijos modelio taškuose, palyginti su visa šviesos energija, kompensuojamas jos sumažėjimu kituose taškuose (bendra šviesos energija yra dviejų šviesos pluoštų iš nepriklausomų šaltinių šviesos energija). Šviesios juostelės atitinka energijos maksimumus, tamsios – energijos minimumus.

Progresas:

Patirtis 1. Įmerkite vielos žiedą į muiluotą tirpalą.Ant vielos žiedo susidaro muilo plėvelė.

Padėkite jį vertikaliai. Stebime šviesias ir tamsias horizontalias juosteles, kurių plotis keičiasi keičiantis plėvelės storiui.

Paaiškinimas. Šviesių ir tamsių juostelių atsiradimas paaiškinamas šviesos bangų, atsispindėjusių nuo plėvelės paviršiaus, trukdžiais. trikampis d = 2h.Šviesos bangų kelio skirtumas lygus dvigubam plėvelės storiui.Pastačius vertikaliai, plėvelė yra pleišto formos. Šviesos bangų kelio skirtumas viršutinėje jo dalyje bus mažesnis nei apatinėje. Tose filmo vietose, kur kelio skirtumas lygus lyginiam pusbangių skaičiui, pastebimos šviesios juostelės. O su nelyginiu pusbangių skaičiumi – tamsios juostelės. Horizontalus juostelių išdėstymas paaiškinamas horizontaliu vienodo plėvelės storio linijų išdėstymu.

Muilo plėvelę apšviečiame balta šviesa (iš lempos). Pastebime, kad šviesios juostelės nuspalvintos spektrinėmis spalvomis: viršuje – mėlyna, apačioje – raudona.

Paaiškinimas. Toks dažymas paaiškinamas šviesos juostelių padėties priklausomybe nuo krintančios spalvos bangos ilgio.

Taip pat pastebime, kad juostelės, plėsdamos ir išlaikydamos savo formą, juda žemyn.

Paaiškinimas. Tai paaiškinama sumažėjusiu plėvelės storiu, nes muilo tirpalas, veikiamas gravitacijos, teka žemyn.

Patirtis 2. Stikliniu vamzdeliu išpūskite muilo burbulą ir atidžiai jį apžiūrėkite.Kai apšviečiate balta šviesa, stebėkite, kaip susidaro spalvoti trikdžių žiedai, nuspalvinti spektrinėmis spalvomis. Viršutinis kiekvieno šviesos žiedo kraštas turi Mėlyna spalva, apatinis raudonas. Plėvelės storiui mažėjant, žiedai, taip pat plečiasi, lėtai juda žemyn. Jų žiedo forma paaiškinama vienodo storio žiedo formos linijomis.

Atsakyti į klausimus:

Kodėl muilo burbulai yra vaivorykštės spalvos?
Kokios formos yra vaivorykštės juostelės?
Kodėl burbulo spalva nuolat keičiasi?

Patirtis 3*. Kruopščiai nuvalykite dvi stiklines plokštes, sudėkite jas ir suspauskite pirštais. Dėl netobulos besiliečiančių paviršių formos tarp plokščių susidaro plonos oro tuštumos.

	Šviesai atsispindėjus nuo tarpą sudarančių plokščių paviršių, atsiranda ryškios vaivorykštės juostelės – žiedo formos arba netaisyklingos formos. Pasikeitus jėgai, spaudžiančiai plokštes, keičiasi juostelių vieta ir forma.Nubraižykite matomas nuotraukas.

Paaiškinimas: Plokščių paviršiai negali būti visiškai plokšti, todėl liečiasi tik keliose vietose. Aplink šias vietas susidaro ploniausi oro pleištai įvairių formų, suteikiantis trukdžių modelį. Praleidžiamoje šviesoje maksimali sąlyga yra 2h=kl

Atsakyti į klausimus:

Kodėl plokštelių prisilietimo vietose pastebimos ryškios vaivorykštės žiedo formos arba netaisyklingos formos juostelės?

Paaiškinimas : Difrakcijos spektrų ryškumas priklauso nuo griovelių, taikomų diske, dažnio ir nuo spindulių kritimo kampo. Beveik lygiagretūs spinduliai, krintantys iš lempos kaitinimo siūlelio, atsispindi nuo gretimų išgaubimų tarp griovelių taškuose A ir B. Spinduliai, atsispindėję kampu, lygiu kritimo kampui, sudaro baltos linijos pavidalo lempos kaitinamojo siūlo vaizdą. Kituose kampuose atsispindintys spinduliai turi tam tikrą kelio skirtumą, dėl kurio atsiranda bangų pridėjimas.

Ką tu stebi? Paaiškinkite pastebėtus reiškinius. Apibūdinkite trukdžių modelį.

Kompaktinio disko paviršius yra spiralinis takelis, kurio aukštis atitinka matomos šviesos bangos ilgį. Smulkios struktūros paviršiuje atsiranda difrakcijos ir trukdžių reiškiniai. Kompaktinių diskų blizgesys turi vaivorykštės spalvą.

Patirtis 5. Pažvelkite per nailoninį audinį į degančios lempos siūlą. Sukdami audinį aplink savo ašį, pasiekite aiškų difrakcijos raštą dviejų stačiu kampu sukryžiuotų difrakcijos juostelių pavidalu.

Paaiškinimas : kryžiaus centre matomas baltos spalvos difrakcijos maksimumas. Esant k=0, bangų takų skirtumas lygus nuliui, todėl centrinis maksimumas yra baltas. Kryžius susidaro dėl to, kad audinio siūlai yra dvi difrakcijos gardelės, sulenktos viena kitai statmenais plyšiais. Spektrinių spalvų atsiradimas paaiškinamas tuo balta šviesa susideda iš skirtingo ilgio bangų. Skirtingų bangų ilgių šviesos difrakcijos maksimumas gaunamas skirtingose vietose.

Nubraižykite stebimą difrakcijos kryžių.Paaiškinkite pastebėtus reiškinius.

Įrašykite išvadą. Nurodykite, kuriame iš jūsų atliktų eksperimentų buvo pastebėtas trukdžių reiškinys, o kuriame difrakcija.

Darbo tikslas: stebėti šviesos trukdžius ir difrakciją.

teorija.Šviesos trukdžiai.Šviesos banginės savybės ryškiausiai atsiskleidžia trukdžių ir difrakcijos reiškiniuose. Šviesos trukdžiai paaiškina muilo burbulų ir plonų aliejaus plėvelių spalvą ant vandens, nors muilo tirpalas ir aliejus yra bespalviai. Šviesos bangos iš dalies atsispindi nuo plonos plėvelės paviršiaus ir iš dalies patenka į ją. Ant antrosios plėvelės ribos vėl atsiranda dalinis bangų atspindys (1 pav.). Šviesos bangos, atspindėtos dviejų plonos plėvelės paviršių, sklinda ta pačia kryptimi, bet skirtingais keliais.

1 paveikslas.

Kelio skirtumui, kuris yra sveikojo skaičiaus bangos ilgių kartotinis:

stebimas trukdžių maksimumas.

Skirtumui l, kuris yra nelyginio pusbangių skaičiaus kartotinis:

, (2)

laikomasi trukdžių minimumo. Kai didžiausia sąlyga tenkinama vienam šviesos bangos ilgiui, ji netenkinama kitiems bangos ilgiams. Todėl apšvietus balta šviesa plona, bespalvė, skaidri plėvelė atrodo spalvota. Pasikeitus plėvelės storiui arba šviesos bangų kritimo kampui, pakinta kelio skirtumas, o kitokio bangos ilgio šviesai tenkinama maksimali sąlyga.

Trikdžių plonose plėvelėse reiškinys naudojamas paviršiaus apdorojimo ir optikos valymo kokybei kontroliuoti.

Šviesos difrakcija. Kai šviesa praeina pro mažą ekrano skylutę, aplink centrinę šviesos tašką pastebimi pakaitomis tamsūs ir šviesūs žiedai (2 pav.).

2 pav.

Jei šviesa praeina per siaurą taikinį, gautas modelis parodytas 3 paveiksle.

3 pav.

Šviesos nukrypimo nuo tiesinės sklidimo krypties reiškinys pravažiuojant per kliūties kraštą vadinamas šviesos difrakcija.

Kintamų šviesių ir tamsių žiedų atsiradimą geometrinių šešėlių srityje prancūzų fizikas Fresnelis paaiškino tuo, kad šviesos bangos, sklindančios dėl difrakcijos iš skirtingus taškus skylės viename ekrano taške trukdo viena kitai.

Prietaisai ir priedai: stiklinės plokštelės - 2 vnt., nailoninės arba kambrinės atvartos, eksponuota fotojuosta su skutimosi peiliuku padarytu plyšeliu, gramofono plokštelė (arba gramofono plokštelės fragmentas), suportai, šviestuvas tiesiu siūlu (vienas visam grupė), spalvoti pieštukai.

Darbo tvarka:

1. Trikdžių stebėjimas:

1.1. Kruopščiai nuvalykite stiklines plokštes, sulenkite jas kartu ir suspauskite pirštais.

1.2. Apžiūrėkite plokštes atspindintoje šviesoje tamsiame fone (jos turi būti išdėstytos taip, kad ant stiklo paviršiaus nesusidarytų per ryškūs atspindžiai nuo langų ar baltų sienų).

1.3. Kai kuriose vietose, kur plokštelės liečiasi, stebėkite ryškias vaivorykštės spalvos žiedo formos arba netaisyklingos formos juosteles.

1.4. Atkreipkite dėmesį į susidarančių trukdžių kraštų formos ir vietos pokyčius keičiantis slėgiui.

1.5. Pabandykite pamatyti sklindančios šviesos trukdžių modelį ir nubrėžkite jį protokole.

1.6. Apsvarstykite trukdžių modelį, kai šviesa patenka į kompaktinio disko paviršių, ir nubrėžkite jį protokole.

2. Difrakcijos stebėjimas:

2.1. Tarp apkabos nasrų padėkite 0,5 mm pločio tarpą.

2.2. Padėkite plyšį arti akies, padėkite jį horizontaliai.

2.3. Žvelgdami pro plyšį į horizontaliai išsidėsčiusį šviečiantį lempos siūlą, stebėkite vaivorykštės juosteles (difrakcijos spektrus) abiejose kaitinamojo siūlo pusėse.

2.4. Pakeitę plyšio plotį nuo 0,5 iki 0,8 mm, pastebėkite, kaip šis pokytis veikia difrakcijos spektrus.

2.5. Protokole nubraižykite difrakcijos modelį.

2.6. Stebėkite difrakcijos spektrus praleidžiamoje šviesoje, naudodami nailoninius arba kambrinius atvartus.

2.7. Nubraižykite pastebėtus trukdžių ir difrakcijos modelius.

3. Padarykite išvadą apie atliktą darbą.

4. Atsakykite į saugumo klausimus.

Kontroliniai klausimai:

1. Kaip susidaro koherentinės šviesos bangos?

2. Kokios fizinės šviesos bangų savybės lemia spalvų skirtumą?

3. Po to, kai atsitrenkė į akmenį skaidrus ledas atsiranda įtrūkimų, mirguliuojančių visomis vaivorykštės spalvomis. Kodėl?

4. Ką matai, kai pro paukščio plunksną žiūri į lemputę?

5. Kuo prizmės asimiliuoti spektrai skiriasi nuo difrakcijos spektrų?

LABORATORINIS DARBAS Nr.17.

Darbo tikslas : tyrinėti charakteristikosšviesos trukdžiai ir difrakcija.

Progresas

1. Nailono grotelės

Sukūrėme labai paprastą prietaisą šviesos difrakcijai kasdienėmis sąlygomis stebėti. Tam naudojome skaidres, labai plonos nailono medžiagos gabalėlį ir „Moment“ klijus.

Dėl to turime labai kokybišką dvimatę difrakcinę gardelę.

Nailono siūlai yra vienas nuo kito šviesos bangos ilgio eilės atstumu. Todėl šis nailono audinys suteikia gana aiškų difrakcijos raštą. Be to, kadangi siūlai erdvėje susikerta stačiu kampu, gaunama dvimatė gardelė.

2. Pieno dangos uždėjimas

Ruošiant pieno tirpalą, vienas arbatinis šaukštelis pieno skiedžiamas 4–5 šaukštais vandens. Tada ant stalo dedama švari stiklo lėkštė, paruošta kaip substratas, ant jos viršutinio paviršiaus užlašinami keli lašai tirpalo, plonu sluoksniu paskirstoma per visą paviršių ir kelias minutes leidžiama išdžiūti. Po to plokštelė dedama ant krašto, nusausinant likusį tirpalą, ir galiausiai dar kelias minutes džiovinama pasvirusioje padėtyje.

3. Likopodžio danga

Ant švarios lėkštės paviršiaus užlašinkite lašą mašininio ar augalinio aliejaus (galite naudoti riebalų, margarino, sviesto arba vazelinu) paskleiskite plonu sluoksniu ir švelniai nuvalykite suteptą paviršių švaria šluoste.

Ant jo likęs plonas riebalų sluoksnis veikia kaip lipnus pagrindas. Ant šio paviršiaus užpilamas nedidelis likopodžio kiekis (žiupsnelis), lėkštė pakreipiama 30 laipsnių kampu ir, bakstelėjus pirštu per kraštą, milteliai pilami iki pagrindo. Išsiliejimo srityje lieka platus pėdsakas gana vienodo likopodžio sluoksnio pavidalu.

Keisdami plokštės pasvirimą, šią procedūrą kartokite keletą kartų, kol visas plokštės paviršius pasidengs panašiu sluoksniu. Po to miltelių perteklius nupilamas pastatant lėkštę vertikaliai ir daužant jos kraštą į stalą ar kitą kietą daiktą.

Sferinės likopodžio dalelės (samanų samanų sporos) turi pastovų skersmenį. Tokia danga, susidedanti iš daugybės nepermatomų to paties skersmens d rutuliukų, atsitiktinai paskirstytų per skaidraus pagrindo paviršių, yra panaši į difrakcijos modelio intensyvumo pasiskirstymą iš apvalios skylės.

Išvada:

Stebimi šviesos trukdžiai:

1) Muilo plėvelių naudojimas ant vielinio rėmo arba įprastų muilo burbulų;

2) Specialus prietaisas „Niutono žiedas“.

Šviesos difrakcijos stebėjimas:

I. Pieno danga ir likopodis yra natūralios difrakcijos grotelės, nes pieno dalelės ir likopodžio sporos yra artimos šviesos bangos ilgiui. Vaizdas pasirodo gana ryškus ir aiškus, jei per šiuos preparatus žiūrite į ryškią šviesos šaltinį.

II. Difrakcinė gardelė yra laboratorinis prietaisas, kurio skiriamoji geba yra 1/200, leidžiantis stebėti šviesos difrakciją baltoje ir monošviesoje.

III. Jei žiūrite į ryškios šviesos šaltinį per savo blakstienas, taip pat galite stebėti difrakciją.

IV. Paukščių plunksnos (ploniausi pluoštai) taip pat gali būti naudojamos kaip difrakcijos grotelės, nes atstumas tarp pluoštų ir jų dydžiai yra proporcingi šviesos bangos ilgiui.

V. Lazerinis diskas yra atspindinti difrakcinė gardelė, kurios grioveliai yra taip arti, kad yra įveikiama kliūtis šviesos bangai.

VI. Nailono grotelės, kurias gaminome specialiai šiam laboratoriniam darbui, dėl audinio plonumo ir pluoštų artumo yra geros dvimatės difrakcijos grotelės.

Tema: Optika

Pamoka: Praktinis darbas tema „Šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas“

Vardas:"Šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas".

Tikslas: eksperimentiškai tirti šviesos trukdžius ir difrakciją.

Įranga: tiesi kaitrinė lempa, 2 stiklo plokštės, vielinis rėmas, muilo tirpalas, apkaba, storas popierius, kambro gabalas, nailono siūlas, spaustukas.

Patirtis 1

Interferencinio modelio stebėjimas naudojant stiklo plokštes.

Paimame dvi stiklines plokštes, prieš tai darydami jas kruopščiai nušluostome, tada sandariai sulenkiame ir suspaudžiame. Reikia nubraižyti trukdžių modelį, kurį matome plokštėse.

Norėdami pamatyti paveikslėlio pokytį priklausomai nuo stiklo suspaudimo laipsnio, turite paimti suspaudimo įtaisą ir varžtais suspausti plokštes. Dėl to pasikeičia trukdžių modelis.

Patirtis 2

Trikdžiai ant plonų plėvelių.

Norėdami stebėti šį eksperimentą, paimkite muiluotą vandenį ir vielos rėmą, tada stebėkite, kaip susidaro plona plėvelė. Jei rėmas nuleistas į muiluotą vandenį, jį pakėlus bus matoma muilo plėvelė. Stebint šią plėvelę atspindėtoje šviesoje, galima pamatyti trukdžių pakraščius.

Patirtis 3

Muilo burbulų trukdžiai.

Norėdami stebėti, naudosime muilo tirpalą. Pučiant muilo burbulus. Tai, kaip burbuliukai mirksi, yra šviesos trukdžiai (žr. 1 pav.).

Ryžiai. 1. Šviesos trukdžiai burbuliukuose

Vaizdas, kurį matome, gali atrodyti taip (žr. 2 pav.).

Ryžiai. 2. Interferencinis modelis

Tai yra baltos šviesos trukdžiai, kai uždedame objektyvą ant stiklo ir apšviečiame jį paprasta balta šviesa.

Jei naudojate šviesos filtrus ir apšviečiate monochromatine šviesa, pasikeičia trukdžių modelis (keičiasi tamsių ir šviesių juostų kaita) (žr. 3 pav.).

Ryžiai. 3. Filtrų naudojimas

Dabar pereikime prie difrakcijos stebėjimo.

Difrakcija yra bangos reiškinys, būdingas visoms bangoms, stebimas bet kokių objektų kraštinėse dalyse.

Patirtis 4

Šviesos difrakcija mažu siauru plyšiu.

Sukurkime tarpą tarp apkabos nasrų, judindami jo dalis varžtais. Norėdami stebėti šviesos difrakciją, tarp apkabos nasrų suspaudžiame popieriaus lapą, kad būtų galima ištraukti šį popieriaus lapą. Po to šį siaurą plyšį statmenai priartiname prie akies. Stebint ryškų šviesos šaltinį (kaitinamąją lempą) per plyšį, matosi šviesos difrakcija (žr. 4 pav.).

Ryžiai. 4. Šviesos difrakcija plonu plyšiu

Patirtis 5

Difrakcija ant storo popieriaus

Jei paimsite storą popieriaus lapą ir įpjausite skustuvu, tada pritraukę šį popieriaus pjūvį prie akies ir pakeitę gretimų dviejų lapų vietą, galėsite stebėti šviesos difrakciją.

Patirtis 6

Mažos diafragmos difrakcija

Norint stebėti tokią difrakciją, mums reikia storo popieriaus lapo ir kaiščio. Naudodami kaištį, lape padarykite nedidelę skylę. Tada skylę priartiname prie akies ir stebime ryškų šviesos šaltinį. Tokiu atveju matoma šviesos difrakcija (žr. 5 pav.).

Difrakcijos modelio pokytis priklauso nuo skylės dydžio.

Ryžiai. 5. Šviesos difrakcija maža apertūra

Patirtis 7

Šviesos difrakcija ant tankaus skaidraus audinio gabalo (nailono, kambro).

Paimkime kambrinę juostelę ir, padėję ją nedideliu atstumu nuo akių, pro juostą pažiūrėkime į ryškios šviesos šaltinį. Pamatysime difrakciją, t.y. įvairiaspalvės juostelės ir ryškus kryžius, kurį sudarys difrakcijos spektro linijos.

Paveikslėlyje parodytos mūsų stebimos difrakcijos nuotraukos (žr. 6 pav.).

Ryžiai. 6. Šviesos difrakcija

Pranešimas: jame turėtų būti pateikti darbo metu pastebėti trukdžių ir difrakcijos modeliai.

Linijų pokytis apibūdina, kaip vyksta tam tikra bangų lūžio ir pridėjimo (atėmimo) procedūra.

Remiantis difrakcijos modeliu, gautu iš plyšio, buvo sukurtas specialus prietaisas - difrakcinė gardelė. Tai plyšių rinkinys, pro kurį praeina šviesa. Šis prietaisas reikalingas norint atlikti išsamius šviesos tyrimus. Pavyzdžiui, šviesos bangos ilgiui nustatyti galima naudoti difrakcinę gardelę.

Fizika ().
Rugsėjo pirmoji. Mokomasis ir metodinis laikraštis ().

Laboratorinis darbas Nr.13

Tema: "Šviesos trukdžių ir difrakcijos stebėjimas"

Darbo tikslas: eksperimentiškai tirti trukdžių ir difrakcijos reiškinį.

Įranga: elektros lempa su tiesia siūle (po vieną klasei), dvi stiklo plokštės, stiklinis vamzdelis, stiklas su muilo tirpalu, vielos žiedas su rankena 30 mm skersmens, CD, apkaba, nailono audinys.

Teorija:

Trikdžiai – tai reiškinys, būdingas bet kokio pobūdžio bangoms: mechaninėms, elektromagnetinėms.

Bangų trukdžiai – dviejų (arba kelių) bangų pridėjimas erdvėje, kai skirtinguose taškuose gaunama banga sustiprinama arba susilpnėja.

Darnus vadinamos bangos, turinčios vienodą dažnį ir pastovų fazių skirtumą.

Susidariusio poslinkio amplitudė taške C priklauso nuo bangų takų skirtumo atstumu d2 – d1.

Maksimali būklė

, (Δd = d 2 - d 1 )

Kur k = 0; ± 1; ± 2; ± 3 ;…

(bangų kelio skirtumas lygus lyginiam pusbangių skaičiui)

Bangos iš šaltinių A ir B pateks į tašką C tomis pačiomis fazėmis ir „stiprins viena kitą“.

φ A =φ B - virpesių fazės

Δφ=0 - fazių skirtumas

A = 2X maks

Minimali sąlyga

, (Δd = d 2 - d 1)

Kur k = 0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(bangų kelio skirtumas lygus nelyginiam pusbangių skaičiui)

Bangos iš šaltinių A ir B pateks į tašką C priešfazėje ir „viena kitą panaikins“.

φ A ≠φ B – virpesių fazės

Δφ=π – fazių skirtumas

A=0 – susidariusios bangos amplitudė.

Interferencinis modelis– reguliarus padidinto ir sumažėjusio šviesos intensyvumo sričių kaitaliojimas.

Šviesos trukdžiai– erdvinis šviesos spinduliuotės energijos perskirstymas, kai ant jų yra dvi ar daugiau šviesos bangų.

Dėl difrakcijos šviesa nukrypsta nuo linijinio sklidimo (pavyzdžiui, šalia kliūčių kraštų).

Difrakcija – bangos nukrypimo nuo tiesinio sklidimo reiškinys, kai praeina pro mažas skylutes ir banga lenkiasi aplink mažas kliūtis.

Difrakcijos sąlyga: d< λ , Kur d– kliūties dydis, λ - bangos ilgis. Kliūčių (skylių) matmenys turi būti mažesni arba panašūs į bangos ilgį.

Šio reiškinio (difrakcijos) egzistavimas riboja geometrinės optikos dėsnių taikymo sritį ir yra optinių prietaisų skiriamosios gebos ribos priežastis.

Difrakcinė gardelė– optinis įtaisas, kuris yra periodinė daugybės reguliariai išdėstytų elementų struktūra, ant kurios atsiranda šviesos difrakcija. Tam tikros difrakcijos gardelės specifinio ir pastovaus profilio smūgiai kartojami tuo pačiu intervalu d(gardelės laikotarpis). Difrakcinės gardelės gebėjimas atskirti ant jos krintančios šviesos spindulį pagal bangos ilgį yra pagrindinė jos savybė. Yra atspindinčios ir skaidrios difrakcijos grotelės. Šiuolaikiniuose instrumentuose daugiausia naudojamos atspindinčios difrakcijos gardelės..

Sąlyga difrakcijos maksimumui stebėti:

d·sinφ=k·λ, Kur k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; d- gardelės laikotarpis , φ - kampas, kuriuo stebimas maksimumas, ir λ - bangos ilgis.

Iš maksimalios sąlygos išplaukia sinφ=(k λ)/d.

Tada tegul k=1 sinφcr =λcr/d Ir sinφ f =λ f /d.

Yra žinoma, kad λ cr > λ f, vadinasi sinφ kr>sinφ f. Nes y= sinφ f - tada funkcija didėja φ cr >φ f

Todėl violetinė spalva difrakcijos spektre yra arčiau centro.

Progresas:

Patirtis 1.Įmerkite vielos žiedą į muiluotą tirpalą. Ant vielos žiedo susidaro muilo plėvelė.

Padėkite jį vertikaliai. Stebime šviesias ir tamsias horizontalias juosteles, kurių plotis keičiasi keičiantis plėvelės storiui.

Paaiškinimas.Šviesių ir tamsių juostelių atsiradimas paaiškinamas šviesos bangų, atsispindėjusių nuo plėvelės paviršiaus, trukdžiais. trikampis d = 2h. Šviesos bangų kelio skirtumas lygus dvigubam plėvelės storiui. Pastačius vertikaliai, plėvelė yra pleišto formos. Šviesos bangų kelio skirtumas viršutinėje jo dalyje bus mažesnis nei apatinėje. Tose filmo vietose, kur kelio skirtumas lygus lyginiam pusbangių skaičiui, pastebimos šviesios juostelės. O su nelyginiu pusbangių skaičiumi – tamsios juostelės. Horizontalus juostelių išdėstymas paaiškinamas horizontaliu vienodo plėvelės storio linijų išdėstymu.

Muilo plėvelę apšviečiame balta šviesa (iš lempos). Pastebime, kad šviesios juostelės nuspalvintos spektrinėmis spalvomis: viršuje – mėlyna, apačioje – raudona.

Paaiškinimas. Toks dažymas paaiškinamas šviesos juostelių padėties priklausomybe nuo krintančios spalvos bangos ilgio.

Taip pat pastebime, kad juostelės, plėsdamos ir išlaikydamos savo formą, juda žemyn.

Paaiškinimas. Tai paaiškinama sumažėjusiu plėvelės storiu, nes muilo tirpalas, veikiamas gravitacijos, teka žemyn.

Patirtis 2. Stikliniu vamzdeliu išpūskite muilo burbulą ir atidžiai jį apžiūrėkite. Kai apšviečiate balta šviesa, stebėkite, kaip susidaro spalvoti trikdžių žiedai, nuspalvinti spektrinėmis spalvomis. Kiekvieno šviesos žiedo viršutinis kraštas yra mėlynas, o apatinis - raudonas. Plėvelės storiui mažėjant, žiedai, taip pat plečiasi, lėtai juda žemyn. Jų žiedo forma paaiškinama vienodo storio žiedo formos linijomis.

Atsakyti į klausimus:

Kodėl muilo burbulai yra vaivorykštės spalvos?
Kokios formos yra vaivorykštės juostelės?
Kodėl burbulo spalva nuolat keičiasi?

Patirtis 3. Kruopščiai nuvalykite dvi stiklines plokštes, sudėkite jas ir suspauskite pirštais. Dėl netobulos besiliečiančių paviršių formos tarp plokščių susidaro plonos oro tuštumos.

Šviesai atsispindėjus nuo tarpą formuojančių plokščių paviršių, atsiranda ryškios vaivorykštės juostelės – žiedo arba netaisyklingos formos. Pasikeitus jėgai, spaudžiančiai plokštes, keičiasi juostelių vieta ir forma. Nubraižykite matomas nuotraukas.

Paaiškinimas: Plokščių paviršiai negali būti visiškai plokšti, todėl liečiasi tik keliose vietose. Aplink šias vietas susidaro ploni įvairių formų oro pleištai, kurie sukuria trukdžių vaizdą. Praleidžiamoje šviesoje maksimali sąlyga yra 2h=kl

Atsakyti į klausimus:

Kodėl plokštelių prisilietimo vietose pastebimos ryškios vaivorykštės žiedo formos arba netaisyklingos formos juostelės?
Kodėl kintant slėgiui keičiasi trukdžių kraštelių forma ir vieta?

Patirtis 4.Atidžiai apžiūrėkite kompaktinio disko paviršių (ant kurio daromas įrašas) iš skirtingų kampų.

Paaiškinimas: Difrakcijos spektrų ryškumas priklauso nuo griovelių, taikomų diske, dažnio ir nuo spindulių kritimo kampo. Beveik lygiagretūs spinduliai, krintantys iš lempos kaitinimo siūlelio, atsispindi nuo gretimų išgaubimų tarp griovelių taškuose A ir B. Spinduliai, atsispindėję kampu, lygiu kritimo kampui, sudaro baltos linijos pavidalo lempos kaitinamojo siūlo vaizdą. Kituose kampuose atsispindintys spinduliai turi tam tikrą kelio skirtumą, dėl kurio atsiranda bangų pridėjimas.

Ką tu stebi? Paaiškinkite pastebėtus reiškinius. Apibūdinkite trukdžių modelį.

Patirtis 5. Slenkame suporto slankiklį tol, kol tarp nasrų susidaro 0,5 mm pločio tarpas.

Nusklembtą kempinėlių dalį dedame arti akies (plyšį statome vertikaliai). Pro šį tarpą žiūrime į vertikalų degančios lempos siūlą. Abiejose sriegio pusėse stebime jam lygiagrečias vaivorykštės juosteles. Plyšio plotį keičiame 0,05 - 0,8 mm ribose. Kai pereina prie daugiau siauri plyšiai juostos atsiskiria, tampa platesnės ir sudaro skirtingus spektrus. Stebint per plačiausią plyšį, juostelės yra labai siauros ir išsidėsčiusios arti viena kitos. Nupieškite paveikslėlį, kurį matėte užrašų knygelėje. Paaiškinkite pastebėtus reiškinius.

Patirtis 6. Pažvelkite per nailoninį audinį į degančios lempos siūlą. Sukdami audinį aplink savo ašį, pasiekite aiškų difrakcijos raštą dviejų stačiu kampu sukryžiuotų difrakcijos juostelių pavidalu.

Paaiškinimas: plutos centre matomas baltos spalvos difrakcijos maksimumas. Esant k=0, bangų takų skirtumas lygus nuliui, todėl centrinis maksimumas yra baltas. Kryžius susidaro dėl to, kad audinio siūlai yra dvi difrakcijos gardelės, sulenktos viena kitai statmenais plyšiais. Spektrinių spalvų atsiradimas paaiškinamas tuo, kad balta šviesa susideda iš skirtingo ilgio bangų. Skirtingų bangų ilgių šviesos difrakcijos maksimumas gaunamas skirtingose vietose.

Nubraižykite stebimą difrakcijos kryžių. Paaiškinkite pastebėtus reiškinius.

Įrašykite išvadą. Nurodykite, kuriame iš jūsų atliktų eksperimentų buvo pastebėtas trukdžių reiškinys, o kuriame difrakcija.

Kontroliniai klausimai:

Kas yra šviesa?
Kas įrodė, kad šviesa yra elektromagnetinė banga?
Kas vadinama šviesos trukdžiais? Kokios yra didžiausios ir minimalios trukdžių sąlygos?
Ar gali trukdyti šviesos bangos, sklindančios iš dviejų kaitrinių elektros lempų? Kodėl?
Kas yra šviesos difrakcija?
Ar pagrindinių difrakcijos maksimumų padėtis priklauso nuo gardelės plyšių skaičiaus?

Populiarus kategorijoje: