Observation av interferens och diffraktion av ljus laboratorieresultat. Fotorapport ”Observation av störningar och diffraktion av ljus hemma

Laboratoriearbete nr 11. Observation av fenomenet interferens och diffraktion av ljus.
Syftet med arbetet: att experimentellt studera fenomenet interferens och diffraktion av ljus, att identifiera förutsättningarna för förekomsten av dessa fenomen och arten av fördelningen av ljusenergi i rymden.
Utrustning: en elektrisk lampa med en rak glödtråd (en per klass), två glasplattor, ett PVC-rör, ett glas med en tvållösning, en trådring med ett handtag med en diameter på 30 mm, ett blad, en pappersremsa ¼ ark, nylontyg 5x5 cm, ett diffraktionsgitter, ljusfilter .

Kort teori
Interferens och diffraktion är fenomen som är karakteristiska för vågor av alla slag: mekaniska, elektromagnetiska. Våginterferens är tillägget av två (eller flera) vågor i rymden, i vilka vid dess olika punkter en förstärkning eller försvagning av den resulterande vågen erhålls. Interferens observeras när vågor överlagras, emitterade av samma ljuskälla, som kom till en given punkt på olika sätt. För bildandet av ett stabilt interferensmönster behövs koherenta vågor - vågor som har samma frekvens och en konstant fasskillnad. Koherenta vågor kan erhållas på tunna filmer av oxider, fett, på ett luftkilgap mellan två transparenta glas som pressas mot varandra.
Amplituden för den resulterande förskjutningen i punkt C beror på skillnaden i vågornas väg på avståndet d2 – d1.
[ Ladda ner filen för att se bilden ] Maximalt-(förstärkning av svängningar) tillstånd: skillnaden i vågornas väg är lika med ett jämnt antal halvvågor
där k=0; ± 1; ±2; ± 3;
[ Ladda ner filen för att se bilden ] Vågor från källorna A och B kommer till punkt C i samma faser och "förstärker varandra.
Om vägskillnaden är lika med ett udda antal halvvågor, kommer vågorna att försvaga varandra och ett minimum kommer att observeras vid mötespunkten.

[ Ladda ner filen för att se bilden ][ Ladda ner filen för att se bilden ]
När ljus interfererar sker en rumslig omfördelning av ljusvågornas energi.
Diffraktion är fenomenet med vågavvikelse från rätlinjig utbredning när den passerar genom små hål och rundar av små hinder av vågen.
Diffraktion förklaras av Huygens-Fresnel-principen: varje punkt på hindret som nås av vågen blir en källa till sekundära vågor, koherenta, som fortplantar sig bortom hindrets kanter och stör varandra och bildar ett stabilt interferensmönster - växling av belysningsmaxima och minima, iriserande färg i vitt ljus. Villkor för manifestation av diffraktion: Dimensionerna på hindren (hålen) måste vara mindre än eller stå i proportion till våglängden Diffraktion observeras på tunna filament, repor på glas, på ett slits vertikalt snitt i ett pappersark, på ögonfransar , på vattendroppar på immigt glas, på iskristaller i ett moln eller på glas, på borsten av kitinhöljet av insekter, på fågelfjädrar, på CD-skivor, omslagspapper., På ett diffraktionsgitter.,
Ett diffraktionsgitter är en optisk anordning, som är en periodisk struktur av ett stort antal regelbundet anordnade element på vilka ljus diffrakteras. Slag med en profil definierad och konstant för ett givet diffraktionsgitter upprepas genom samma intervall d (gitterperiod). Förmågan hos ett diffraktionsgitter att sönderdela en ljusstråle som infaller på det till våglängder är dess huvudsakliga egenskap. Det finns reflekterande och transparenta diffraktionsgitter. I moderna enheter används främst reflekterande diffraktionsgitter.

Framsteg:
Uppgift 1. A) Observation av interferens på en tunn film:
Erfarenhet 1. Doppa trådringen i tvållösningen. En tvålfilm bildas på trådringen.
Placera den vertikalt. Vi observerar ljusa och mörka horisontella ränder som ändras i bredd och färg när filmtjockleken ändras. Undersök bilden genom ett ljusfilter.
Skriv ner hur många band som observeras och hur färgerna växlar i dem?
Erfarenhet 2. Använd ett PVC-rör, blås en såpbubbla och undersök den noggrant. När den är upplyst med vitt ljus, observera bildandet av interferensfläckar, målade i spektrala färger. Undersök bilden genom ett ljusfilter.
Vilka färger är synliga i bubblan och hur växlar de från topp till botten?
B) Observation av interferens på luftkilen:
Upplev 3. Torka försiktigt av två glasskivor, sätt ihop och kläm med fingrarna. På grund av att kontaktytornas form inte är idealiska, bildas de tunnaste lufthålen mellan plattorna - dessa är luftkilar, interferens uppstår på dem. När kraften som trycker ihop plattorna ändras ändras luftkilens tjocklek, vilket leder till en förändring av placeringen och formen av interferensmaxima och minima. Undersök sedan bilden genom ett ljusfilter.
Rita vad du ser i vitt ljus och vad du ser genom ett filter.

Slutsats: Varför störningar uppstår, hur man förklarar färgen på maxima i interferensmönstret, vilket påverkar bildens ljusstyrka och färg.

Uppgift 2. Observation av ljusdiffraktion.
Erfarenhet 4. Med ett blad skär vi en skåra i ett pappersark, applicerar papperet på våra ögon och tittar genom skåran på ljuskällans lampa. Vi observerar maxima och minima för belysning och undersöker sedan bilden genom ett ljusfilter.
Skissa diffraktionsmönstret sett i vitt ljus och i monokromatiskt ljus.
Deformerar papperet, vi minskar slitsens bredd, vi observerar diffraktion.
Erfarenhet 5. Betrakta en ljuskälla-lampa genom ett diffraktionsgitter.
Hur har diffraktionsmönstret förändrats?
Upplev 6. Titta genom nylontyget på tråden på en självlysande lampa. Genom att vända tyget runt axeln uppnås ett tydligt diffraktionsmönster i form av två diffraktionsband korsade i räta vinklar.
Skissa det observerade diffraktionskorset. Förklara detta fenomen.
Gör en slutsats: varför diffraktion uppstår, hur man förklarar färgen på maxima i diffraktionsmönstret, vad som påverkar bildens ljusstyrka och färg.
Kontrollfrågor:
Vad är gemensamt mellan fenomenet interferens\erence och fenomenet diffraktion?
Vilka vågor kan ge ett stabilt interferensmönster?
Varför finns det inget störningsmönster på elevbordet från lampor som hängs upp i taket i klassrummet?

6. Hur förklarar man de färgade cirklarna runt månen?

Bifogade filer

Laborationer på ämnet : "Observation av störningar och diffraktion av ljus"

Målet med arbetet: experimentellt studera fenomenet interferens och diffraktion.

Utrustning: en elektrisk lampa med en rak glödtråd, två glasplattor, ett glasrör, ett glas med en tvållösning, en trådring med ett handtag med en diameter på 30 mm, en CD, nylontyg, ett ljusfilter.

Teori: Interferens är ett fenomen som är karakteristiskt för vågor av alla slag: mekaniska, elektromagnetiska.

Vågstörningar – addition i rymden av två (eller flera) vågor, i vilka vid sina olika punkter en förstärkning eller dämpning av den resulterande vågen erhålls .

Vanligtvis observeras interferens när vågor som emitteras av samma ljuskälla överlagras, som kom till en given punkt på olika sätt. Det är omöjligt att få ett interferensmönster från två oberoende källor, eftersom molekyler eller atomer avger ljus i separata vågtåg, oberoende av varandra. Atomer avger fragment av ljusvågor (tåg), där svängningarnas faser är slumpmässiga. Tsugi är cirka 1 meter lång. Vågtåg av olika atomer är överlagrade på varandra. Amplituden av de resulterande svängningarna förändras kaotiskt med tiden så snabbt att ögat inte hinner känna denna förändring av bilder. Därför ser en person utrymmet jämnt upplyst. För att bilda ett stabilt interferensmönster behövs koherenta (matchade) vågkällor.

sammanhängande kallas vågor som har samma frekvens och konstant fasskillnad.

Amplituden för den resulterande förskjutningen i punkt C beror på skillnaden i vågornas väg på avståndet d2 – d1.

Maximalt skick

, (Ad=d 2 -d 1 )

Var k=0; ± 1; ±2; ± 3 ;…

(skillnaden i vågornas väg är lika med ett jämnt antal halvvågor)

Vågor från källorna A och B kommer till punkt C i samma faser och "förstärker varandra".

φ A = φ B - svängningsfaser

Δφ=0 - fasskillnad

A=2X max

Minimivillkor

, (Ad=d 2 -d 1 )

Var k=0; ± 1; ±2; ± 3;…

(skillnaden i vågornas väg är lika med ett udda antal halvvågor)

Vågor från källorna A och B kommer att komma till punkt C i motfas och "släcka varandra".

φ A ≠φ B - oscillationsfaser

Δφ=π - fasskillnad

A=0 är amplituden för den resulterande vågen.

interferensmönster – regelbunden växling av områden med hög och låg ljusintensitet.

Ljus störningar - rumslig omfördelning av ljusstrålningens energi när två eller flera ljusvågor överlagras.

På grund av diffraktion avviker ljuset från en rätlinjig utbredning (till exempel nära kanterna på hinder).

Diffraktion – fenomenet med vågavvikelse från rätlinjig utbredning när den passerar genom små hål och rundar små hinder av vågen .

Diffraktionsmanifestationstillstånd : d< λ , Var d - storleken på hindret,λ - våglängd. Dimensionerna på hindren (hålen) måste vara mindre än eller stå i proportion till våglängden.

Förekomsten av detta fenomen (diffraktion) begränsar omfattningen av den geometriska optikens lagar och är anledningen till den begränsade upplösningen hos optiska instrument.

Diffraktionsgitter - en optisk anordning, som är en periodisk struktur av ett stort antal regelbundet anordnade element på vilka ljus diffrakteras. Slag med en definierad profil och konstant för ett givet diffraktionsgitter upprepas med regelbundna intervalld (gitterperiod). Förmågan hos ett diffraktionsgitter att sönderdela en ljusstråle som infaller på det till våglängder är dess huvudsakliga egenskap. Det finns reflekterande och transparenta diffraktionsgitter.I moderna enheter används främst reflekterande diffraktionsgitter. .

Villkoret för att observera diffraktionsmaximum :

d sinφ=k λ, Var k=0; ± 1; ±2; ± 3; d - rivningsperiod , φ - vinkeln vid vilken maxima observeras, och λ - våglängd.

Av maxtillståndet följersinφ=(k λ)/d .

Låt då k=1 sinφ kr =λ kr /d Och sinφ f =λ f /d.

Det är känt att λ kr >λ f , därav sinφ kr >sinφ f . Därför att y=sinφ f - funktionen ökar alltsåφ kr >φ f

Därför är den violetta färgen i diffraktionsspektrumet belägen närmare mitten.

I fenomenet interferens och diffraktion av ljus observeras lagen om energibevarande . I interferensområdet omfördelas ljusenergin endast utan att omvandlas till andra typer av energi. Ökningen av energi vid vissa punkter av interferensmönstret i förhållande till den totala ljusenergin kompenseras av dess minskning vid andra punkter (total ljusenergi är ljusenergin från två ljusstrålar från oberoende källor). Ljusa ränder motsvarar energimaxima, mörka ränder motsvarar energiminima.

Framsteg:

Erfarenhet 1. Doppa trådringen i tvållösningen. En tvålfilm bildas på trådringen.

Placera den vertikalt. Vi observerar ljusa och mörka horisontella ränder som ändras i bredd när filmtjockleken ändras.

Förklaring. Utseendet på ljusa och mörka band förklaras av interferensen av ljusvågor som reflekteras från filmytan. triangel d = 2h.Skillnaden i ljusvågornas väg är lika med två gånger filmens tjocklek. När den placeras vertikalt har filmen en kilformad form. Skillnaden i ljusvågornas väg i dess övre del kommer att vara mindre än i dess nedre del. På de platser i filmen där banskillnaden är lika med ett jämnt antal halvvågor observeras ljusa ränder. Och med ett udda antal halvvågor - mörka ränder. Det horisontella arrangemanget av ränderna förklaras av det horisontella arrangemanget av linjer med samma filmtjocklek.

Vi belyser tvålfilmen med vitt ljus (från lampan). Vi observerar färgningen av ljusband i spektrala färger: överst - blått, längst ner - rött.

Förklaring. Denna färgning förklaras av beroendet av ljusbandens position på våglängden för den infallande färgen.

Vi observerar också att banden, expanderar och behåller sin form, rör sig nedåt.

Om du använder ljusfilter och lyser med monokromatiskt ljus, ändras interferensmönstret (växlingen av mörka och ljusa band ändras)

Förklaring. Detta beror på en minskning av filmtjockleken, eftersom tvållösningen rinner ner under inverkan av gravitationen.

Erfarenhet 2. Blås en såpbubbla med ett glasrör och undersök det noggrant. När den är upplyst med vitt ljus, observera bildandet av färgade interferensringar, färgade i spektrala färger. Den övre kanten på varje ljusring är blå, botten är röd. När filmtjockleken minskar, rör sig ringarna, som också expanderar, långsamt nedåt. Deras ringformade form förklaras av den ringformade formen av linjer med lika tjocklek.

Svara på frågorna:

Varför är såpbubblor iriserande?

Vilken form har regnbågens ränder?

Varför ändras färgen på bubblan hela tiden?

Erfarenhet 3 . Torka noga av två glasskivor, lägg ihop och kläm med fingrarna. På grund av kontaktytornas icke-idealiska form bildas de tunnaste lufthålen mellan plattorna.

Förklaring: Plattornas ytor kan inte vara helt jämna, så de berör endast på ett fåtal ställen. Runt dessa platser bildas de tunnaste luftkilarna av olika former, vilket ger en bild av störningar. I genomsläppt ljus är det maximala tillståndet 2h=kl

Svara på frågorna:

Varför observeras ljusa iriserande ringformade eller oregelbundet formade ränder vid plattornas kontaktpunkter?

Varför ändras formen och placeringen av interferensfransarna med tryck?

Erfarenhet 4. Undersök noggrant från olika vinklar ytan på CD-skivan (som spelas in).

Förklaring : Ljusstyrkan hos diffraktionsspektra beror på frekvensen av spåren avsatta på skivan och på strålarnas infallsvinkel. Nästan parallella strålar som infaller från lampglödtråden reflekteras från intilliggande utbuktningar mellan spåren vid punkterna A och B. Strålarna som reflekteras i en vinkel lika med infallsvinkeln bildar en bild av lampglödtråden i form av en vit linje. Strålar som reflekteras i andra vinklar har en viss vägskillnad, som ett resultat av vilket vågorna läggs till.

Vad observerar du? Förklara de observerade fenomenen. Beskriv interferensmönstret.

Ytan på en CD är ett spiralspår med en tonhöjd som motsvarar våglängden för synligt ljus. På en finstrukturerad yta uppstår diffraktions- och interferensfenomen. Höjdpunkterna på CD-skivor är iriserande.

Erfarenhet 5. Titta genom nylontyget på glödtråden på en brinnande lampa. Genom att vända tyget runt axeln uppnås ett tydligt diffraktionsmönster i form av två diffraktionsband korsade i räta vinklar.

Förklaring : En vit diffraktionstopp är synlig i mitten av korset. Vid k=0 är vågvägsskillnaden lika med noll, så det centrala maximumet är vitt. Korset erhålls eftersom tygets trådar är två diffraktionsgitter som är ihopvikta med inbördes vinkelräta slitsar. Uppkomsten av spektrala färger förklaras av det faktum att vitt ljus består av vågor av olika längd. Diffraktionsmaximum för ljus för olika våglängder erhålls på olika platser.

Skissa det observerade diffraktionskorset. Förklara de observerade fenomenen.

Erfarenhet 6.

Diffraktion vid ett litet hål

För att observera sådan diffraktion behöver vi ett tjockt pappersark och en nål. Använd en nål och gör ett litet hål i arket. Sedan för vi hålet nära ögat och observerar en stark ljuskälla. I detta fall är ljusets diffraktion synlig

Spela in utgången. Ange i vilket av dina experiment störningsfenomenet observerades och i vilken diffraktion . Ge exempel på interferens och diffraktion som du har stött på.

Kontrollfrågor ( varje elev förbereder svar på frågor ):

Vad är ljus?

Vem bevisade att ljus är en elektromagnetisk våg?

Vad är ljusets hastighet i vakuum?

Vem upptäckte ljusets interferens?

Vad förklarar den iriserande färgen på tunna interferensfilmer?

Kan ljusvågor från två glödlampor störa? Varför?

Varför är ett tjockt lager av olja inte iriserande?

Beror läget för huvuddiffraktionsmaxima på antalet gitterslitsar?

Varför ändras den skenbara iriserande färgen på en tvålfilm hela tiden?

Syftet med lektionen:

• generalisera kunskap om ämnet "Interferens och diffraktion av ljus";
• fortsätta bildandet av studenters experimentella färdigheter och förmågor;
• tillämpa teoretisk kunskap för att förklara naturfenomen;
• främja bildandet av intresse för fysik och processen för vetenskaplig kunskap;
• bidra till att utvidga elevernas horisonter, utvecklingen av förmågan att dra slutsatser från resultaten av experimentet.

Utrustning:

• rak glödlampa (en per klass);
• trådring med handtag (verk nr 1,2);
• ett glas tvålvatten (verk nr 1,2);
• glasplattor (40 x 60 mm), 2 stycken per set (arbete nr 3) (hemgjord utrustning);
• bromsok (arbete nr 4);
• nylontyg (100 x 100 mm, hemgjord utrustning, arbete nr 5);
• grammofonskivor (4 och 8 slag per 1 mm, verk nr 6);
• CD-skivor (verk nr 6);
• fotografier av insekter och fåglar (verk nr 7).

Lektionens framsteg

I. Aktualisering av kunskap om ämnet "Ljusinterferens" (upprepning av det studerade materialet).

Lärare: Innan vi utför de experimentella uppgifterna kommer vi att upprepa huvudmaterialet.

Vilket fenomen kallas för störningsfenomenet?

Vilka vågor kännetecknas av interferens?

Definiera koherenta vågor.

Skriv ner villkoren för störningsmaxima och -minima.

Iakttas lagen om energibevarande i interferensfenomen?

Studenter (föreslagna svar):

– Interferens är ett fenomen som är karakteristiskt för vågor av alla slag: mekaniska, elektromagnetiska. "Vågors interferens är tillägget i rymden av två (eller flera) vågor, i vilka vid sina olika punkter en förstärkning eller försvagning av den resulterande vågen erhålls."

– För bildandet av ett stabilt interferensmönster behövs koherenta (matchade) vågkällor.

– Koherenta vågor är vågor som har samma frekvens och en konstant fasskillnad.

På tavlan skriver eleverna upp villkoren för max och minimum.

Amplituden för den resulterande förskjutningen vid punkt C beror på skillnaden i vågornas väg på avstånd d 2 – d 1 .

figur 1 - maximala villkor	figur 2 - minimivillkor
, () där k=0; ± 1; ±2; ± 3;… (skillnaden i vågornas väg är lika med ett jämnt antal halvvågor) Vågor från källorna S 1 och S 2 kommer till punkt C i samma faser och "förstärker varandra". Svängningsfaser Fasskillnad А=2Х max är amplituden för den resulterande vågen.	, () där k=0; ± 1; ±2; ± 3;… (skillnaden i vågornas väg är lika med ett udda antal halvvågor) Vågor från källorna S 1 och S 2 kommer till punkt C i motfas och "släcker varandra". Svängningsfaser Fasskillnad A=0 är amplituden för den resulterande vågen.

Ett interferensmönster är en regelbunden växling av områden med ökad och minskad ljusintensitet.

- Interferens av ljus - rumslig omfördelning av ljusstrålningens energi när två eller flera ljusvågor överlagras.

Följaktligen, i fenomenen interferens och diffraktion av ljus, observeras lagen om bevarande av energi. I interferensområdet omfördelas ljusenergin endast utan att omvandlas till andra typer av energi. Ökningen av energi vid vissa punkter av interferensmönstret i förhållande till den totala ljusenergin kompenseras av dess minskning vid andra punkter (total ljusenergi är ljusenergin från två ljusstrålar från oberoende källor).

Ljusa ränder motsvarar energimaxima, mörka ränder motsvarar energiminima.

Lärare: Låt oss gå vidare till den praktiska delen av lektionen.

Försöksarbete nr 1

"Observation av fenomenet ljusinterferens på en tvålfilm".

Utrustning: glasögon med en lösning av tvål, trådringar med ett handtag med en diameter på 30 mm. ( se figur 3)

Elever observerar störningar i ett mörkt klassrum på en platt tvålfilm under monokromatisk belysning.

På trådringen får vi en tvålfilm och placerar den vertikalt.

Vi observerar ljusa och mörka horisontella ränder som ändras i bredd när filmtjockleken ändras ( se figur 4).

Förklaring. Utseendet på ljusa och mörka band förklaras av interferensen av ljusvågor som reflekteras från filmytan. triangel d = 2h

Skillnaden i ljusvågornas väg är lika med två gånger filmens tjocklek.

När den placeras vertikalt har filmen en kilformad form. Skillnaden i ljusvågornas väg i dess övre del kommer att vara mindre än i dess nedre del. På de platser i filmen där banskillnaden är lika med ett jämnt antal halvvågor observeras ljusa ränder. Och med ett udda antal halvvågor - ljusa ränder. Det horisontella arrangemanget av ränderna förklaras av det horisontella arrangemanget av linjer med samma filmtjocklek.

4. Belys tvålfilmen med vitt ljus (från lampan).

5. Vi observerar färgningen av ljusband i spektrala färger: överst - blå, längst ner - röd.

Förklaring. Denna färgning förklaras av beroendet av ljusbandens position på våglängden för den infallande färgen.

6. Vi observerar också att remsorna, expanderar och bibehåller sin form, rör sig nedåt.

Förklaring. Detta beror på en minskning av filmtjockleken, eftersom tvållösningen rinner ner under inverkan av gravitationen.

Experimentarbete nr 2

"Observation av störningen av ljus på en såpbubbla".

1. Eleverna blåser bubblor (Se figur 5).

2. Vi observerar bildandet av interferensringar målade i spektrala färger på dess övre och nedre delar. Den övre kanten på varje ljusring är blå, botten är röd. När filmtjockleken minskar, rör sig ringarna, som också expanderar, långsamt nedåt. Deras ringformade form förklaras av den ringformade formen av linjer med lika tjocklek.

Försöksarbete nr 3.

"Observation av störningar av ljus på en luftfilm"

Eleverna sätter ihop rena glasskivor och klämmer ihop dem med fingrarna (se bild nr 6).

Plattorna ses i reflekterat ljus mot en mörk bakgrund.

Vi observerar på vissa ställen ljusa iriserande ringformade eller slutna oregelbundet formade ränder.

Ändra trycket och observera förändringen i rändernas placering och form.

Lärare: Observationer i detta arbete är individuella. Skissa det interferensmönster du observerar.

Förklaring: Plattornas ytor kan inte vara helt jämna, så de berör endast på ett fåtal ställen. Runt dessa platser bildas de tunnaste luftkilarna av olika former, vilket ger en bild av störningar. (bild nr 7).

I genomsläppt ljus är det maximala tillståndet 2h=kl

Lärare: Fenomenet interferens och polarisering inom konstruktions- och ingenjörsteknik används för att studera de spänningar som uppstår i enskilda noder av strukturer och maskiner. Forskningsmetoden kallas fotoelastisk. Till exempel, när detaljmodellen deformeras, kränks homogeniteten hos organiskt glas. Interferensmönstrets karaktär återspeglar de inre spänningarna i delen.(bild nr 8) .

II. Aktualisering av kunskap om ämnet "Diffraktion av ljus" (upprepning av det studerade materialet).

Lärare: Innan vi gör den andra delen av arbetet kommer vi att upprepa huvudmaterialet.

Vilket fenomen kallas för diffraktionsfenomenet?

Villkor för manifestation av diffraktion.

Diffraktionsgitter, dess typer och huvudsakliga egenskaper.

Villkor för att observera diffraktionsmaximum.

Varför är lila närmare mitten av interferensmönstret?

Studenter (föreslagna svar):

Diffraktion är fenomenet med vågavvikelse från rätlinjig utbredning när den passerar genom små hål och rundar av små hinder av vågen.

Villkor för manifestationen av diffraktion: d < , Var där storleken på hindret, är våglängden. Dimensionerna på hindren (hålen) måste vara mindre än eller stå i proportion till våglängden. Förekomsten av detta fenomen (diffraktion) begränsar omfattningen av den geometriska optikens lagar och är anledningen till den begränsade upplösningen hos optiska instrument.

Ett diffraktionsgitter är en optisk anordning som är en periodisk struktur av ett stort antal regelbundet åtskilda element på vilka ljus diffrakteras. Slag med en definierad profil och konstant för ett givet diffraktionsgitter upprepas med regelbundna intervall d(gitterperiod). Förmågan hos ett diffraktionsgitter att sönderdela en ljusstråle som infaller på det till våglängder är dess huvudsakliga egenskap. Det finns reflekterande och transparenta diffraktionsgitter. I moderna enheter används främst reflekterande diffraktionsgitter..

Villkor för att observera diffraktionsmaximum:

Försöksarbete nr 4.

"Observation av ljusets diffraktion genom en smal slits"

Utrustning: (cm ritning nr 9)

1. Vi flyttar skjutreglaget på bromsoket tills ett gap på 0,5 mm brett bildas mellan käftarna.
2. Vi lägger den avfasade delen av svamparna nära ögat (placerar skalet vertikalt).
3. Genom detta gap tittar vi på den vertikalt placerade tråden på den brinnande lampan.
4. Vi observerar iriserande ränder parallellt med den på båda sidor av tråden.
5. Vi ändrar spårets bredd i intervallet 0,05 - 0,8 mm. När de passerar till smalare slitsar rör sig banden isär, blir bredare och bildar distinkta spektra. Sett genom den bredaste slitsen är fransarna väldigt smala och nära varandra.
6. Eleverna ritar det de ser i sina anteckningsböcker.

Försöksarbete nr 5.

"Observation av ljusdiffraktion på kaprontyg".

Utrustning: en lampa med rak glödtråd, nylontyg 100x100 mm i storlek (Figur 10)

1. Vi tittar genom nylontyget på tråden till en brinnande lampa.
2. Vi observerar ett "diffraktionskors" (ett mönster i form av två diffraktionsband korsade i rät vinkel).
3. Eleverna ritar i en anteckningsbok bilden de ser (diffraktionskors).

Förklaring: En vit diffraktionstopp är synlig i mitten av skorpan. Vid k=0 är vågvägsskillnaden lika med noll, så det centrala maximumet är vitt.

Korset erhålls eftersom tygets trådar är två diffraktionsgitter som är ihopvikta med inbördes vinkelräta slitsar. Uppkomsten av spektrala färger förklaras av det faktum att vitt ljus består av vågor av olika längd. Diffraktionsmaximum för ljus för olika våglängder erhålls på olika platser.

Experimentarbete nr 6.

"Observation av ljusets diffraktion på en grammofonskiva och en laserskiva".

Utrustning: rak glödlampa, grammofonskiva (se figur 11)

Grammofonskivan är ett bra diffraktionsgitter.

1. Vi placerar skivan så att spåren är parallella med lampglödtråden och observerar diffraktionen i reflekterat ljus.
2. Vi observerar ljusa diffraktionsspektra av flera ordningar.

Förklaring: Diffraktionsspektrats ljusstyrka beror på frekvensen av spåren som appliceras på skivan och på strålarnas infallsvinkel. (se figur 12)

Nästan parallella strålar som infaller från lampglödtråden reflekteras från intilliggande utbuktningar mellan spåren vid punkterna A och B. Strålarna som reflekteras i en vinkel lika med infallsvinkeln bildar en bild av lampglödtråden i form av en vit linje. Strålar som reflekteras i andra vinklar har en viss vägskillnad, som ett resultat av vilket vågorna läggs till.

Låt oss observera diffraktion på en laserskiva på ett liknande sätt. (se figur 13)

Ytan på en CD är ett spiralspår med ett steg som är jämförbart med våglängden för synligt ljus.Diffraktions- och interferensfenomen uppträder på den finkorniga ytan. Höjdpunkterna på CD-skivor är iriserande.

Försöksarbete nr 7.

"Observation av diffraktionsfärgning av insekter från fotografier".

Utrustning: (Se ritningar nr 14, 15, 16.)

Lärare: Diffraktionsfärgen hos fåglar, fjärilar och skalbaggar är mycket vanlig i naturen. Ett brett utbud av nyanser av diffraktiva färger är karakteristiskt för påfåglar, fasaner, svarta storkar, kolibrier och fjärilar. Diffraktionsfärgen hos djur studerades inte bara av biologer utan också av fysiker.

Eleverna tittar på fotografier.

Förklaring: Den yttre ytan av fjäderdräkten hos många fåglar och överkroppen hos fjärilar och skalbaggar kännetecknas av en regelbunden upprepning av strukturella element med en period på en till flera mikron, som bildar ett diffraktionsgitter. Till exempel kan strukturen på de centrala ögonen på påfågelns svans ses i figur nr 14. Färgen på ögonen ändras beroende på hur ljuset faller på dem, i vilken vinkel vi tittar på dem.

Kontrollfrågor (varje elev får ett kort med en uppgift - svara skriftligt på frågorna ):

1. Vad är ljus?
2. Vem bevisade att ljus är en elektromagnetisk våg?
3. Vad är ljusets hastighet i vakuum?
4. Vem upptäckte ljusets interferens?
5. Vad förklarar den iriserande färgen på tunna interferensfilmer?
6. Kan ljusvågor från två glödlampor störa? Varför?
7. Varför är ett tjockt lager av olja inte iriserande?
8. Beror läget för huvuddiffraktionsmaxima på antalet gitterslitsar?
9. Varför ändras den skenbara iriserande färgen på en tvålfilm hela tiden?

Läxa (i grupper, med hänsyn till elevernas individuella egenskaper).

- Förbered en rapport om ämnet "Vavilovs paradox".

– Skriv korsord med nyckelorden "interferens", "diffraktion".

Litteratur:

1. Arabadzhi V.I. Diffraktionsfärgning av insekter / "Quantum" nr 2, 1975
2. Volkov V.A. Universell lektionsutveckling i fysik. Årskurs 11. - M.: VAKO, 2006.
3. Kozlov S.A. På vissa optiska egenskaper för CD-skivor. / ”Fysik i skolan” nr 1, 2006
4. CD-skivor / "Fysik i skolan" nr 1, 2006
5. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fysik: Proc. för 11 celler. snitt skola - M .: Utbildning, 2000
6. Fabrikant V.A. Vavilovs paradox / "Quantum" nr 2, 1971
7. Fysik: Proc. för 11 celler. snitt skola / N.M. Shakhmaev, S.N. Shakhmaev, D.Sh. Shodiev. - M .: Utbildning, 1991.
8. Physical Encyclopedic Dictionary / "Soviet Encyclopedia", 1983.
9. Frontala laborationer i fysik i årskurs 7 - 11 av läroanstalter: Bok. för läraren / V.A. Burov, Yu.I. Dik, B.S. Zworykin och andra; Ed. V.A. Burova, G.G. Nikiforova. - M .: Utbildning: Proc. lit., 1996

Lab #13

Ämne: "Observation av störningar och diffraktion av ljus"

Målet med arbetet: experimentellt studera fenomenet interferens och diffraktion.

Utrustning: en elektrisk lampa med en rak glödtråd (en per klass), två glasplattor, ett glasrör, ett glas med en tvållösning, en trådring med ett handtag med en diameter på 30 mm, en CD, en tjocklek, nylontyg.

Teori:

Interferens är ett fenomen som är karakteristiskt för vågor av alla slag: mekaniska, elektromagnetiska.

Vågstörningar – addition i rymden av två (eller flera) vågor, i vilka vid sina olika punkter en förstärkning eller dämpning av den resulterande vågen erhålls.

Vanligtvis observeras interferens när vågor som emitteras av samma ljuskälla överlagras, som kom till en given punkt på olika sätt. Det är omöjligt att få ett interferensmönster från två oberoende källor, eftersom molekyler eller atomer avger ljus i separata vågtåg, oberoende av varandra. Atomer avger fragment av ljusvågor (tåg), där svängningarnas faser är slumpmässiga. Tsugi är cirka 1 meter lång. Vågtåg av olika atomer är överlagrade på varandra. Amplituden av de resulterande svängningarna förändras kaotiskt med tiden så snabbt att ögat inte hinner känna denna förändring av bilder. Därför ser en person utrymmet jämnt upplyst. För att bilda ett stabilt interferensmönster behövs koherenta (matchade) vågkällor.

sammanhängande kallas vågor som har samma frekvens och konstant fasskillnad.

Amplituden för den resulterande förskjutningen i punkt C beror på skillnaden i vågornas väg på avståndet d2 – d1.

Maximalt skick

, (Ad=d2-d1 )

Var k=0; ± 1; ±2; ± 3 ;…

(skillnaden i vågornas väg är lika med ett jämnt antal halvvågor)

Vågor från källorna A och B kommer till punkt C i samma faser och "förstärker varandra".

φ A \u003d φ B - faser av svängningar

Δφ=0 - fasskillnad

A=2X max

Minimivillkor

, (Ad=d2-d1)

Var k=0; ± 1; ±2; ± 3;…

(skillnaden i vågornas väg är lika med ett udda antal halvvågor)

Vågor från källorna A och B kommer att komma till punkt C i motfas och "släcka varandra".

φ A ≠φ B - oscillationsfaser

Δφ=π - fasskillnad

A=0 är amplituden för den resulterande vågen.

interferensmönster– regelbunden växling av områden med hög och låg ljusintensitet.

Ljus störningar- rumslig omfördelning av ljusstrålningens energi när två eller flera ljusvågor överlagras.

På grund av diffraktion avviker ljuset från en rätlinjig utbredning (till exempel nära kanterna på hinder).

Diffraktion – fenomenet med vågavvikelse från rätlinjig utbredning när den passerar genom små hål och rundar små hinder av vågen.

Diffraktionsmanifestationstillstånd: d< λ , Var d- storleken på hindret, λ - våglängd. Dimensionerna på hindren (hålen) måste vara mindre än eller stå i proportion till våglängden.

Förekomsten av detta fenomen (diffraktion) begränsar omfattningen av den geometriska optikens lagar och är anledningen till den begränsade upplösningen hos optiska instrument.

Diffraktionsgitter- en optisk anordning, som är en periodisk struktur av ett stort antal regelbundet anordnade element på vilka ljus diffrakteras. Slag med en definierad profil och konstant för ett givet diffraktionsgitter upprepas med regelbundna intervall d(gitterperiod). Förmågan hos ett diffraktionsgitter att sönderdela en ljusstråle som infaller på det till våglängder är dess huvudsakliga egenskap. Det finns reflekterande och transparenta diffraktionsgitter. I moderna enheter används främst reflekterande diffraktionsgitter..

Villkoret för att observera diffraktionsmaximum:

d sinφ=k λ, Var k=0; ± 1; ±2; ± 3; d- rivningsperiod , φ - vinkeln vid vilken maxima observeras, och λ - våglängd.

Av maxtillståndet följer sinφ=(k λ)/d.

Låt då k=1 sinφ cr =λ cr /d Och sinφ f = λ f/d.

Det är känt att λ cr >λ f, därav sinφ cr>sinφ f. Därför att y= sinφ f - funktionen ökar alltså φ cr >φ f

Därför är den violetta färgen i diffraktionsspektrumet belägen närmare mitten.

I fenomenet interferens och diffraktion av ljus observeras lagen om energibevarande. I interferensområdet omfördelas ljusenergin endast utan att omvandlas till andra typer av energi. Ökningen av energi vid vissa punkter av interferensmönstret i förhållande till den totala ljusenergin kompenseras av dess minskning vid andra punkter (total ljusenergi är ljusenergin från två ljusstrålar från oberoende källor). Ljusa ränder motsvarar energimaxima, mörka ränder motsvarar energiminima.

Framsteg:

Erfarenhet 1.Doppa trådringen i tvållösningen. En tvålfilm bildas på trådringen.

Placera den vertikalt. Vi observerar ljusa och mörka horisontella ränder som ändras i bredd när filmtjockleken ändras.

Förklaring. Utseendet på ljusa och mörka band förklaras av interferensen av ljusvågor som reflekteras från filmytan. triangel d = 2h. Skillnaden i ljusvågornas väg är lika med två gånger filmens tjocklek. När den placeras vertikalt har filmen en kilformad form. Skillnaden i ljusvågornas väg i dess övre del kommer att vara mindre än i dess nedre del. På de platser i filmen där banskillnaden är lika med ett jämnt antal halvvågor observeras ljusa ränder. Och med ett udda antal halvvågor - mörka ränder. Det horisontella arrangemanget av ränderna förklaras av det horisontella arrangemanget av linjer med samma filmtjocklek.

Vi belyser tvålfilmen med vitt ljus (från lampan). Vi observerar färgningen av ljusband i spektrala färger: överst - blått, längst ner - rött.

Förklaring. Denna färgning förklaras av beroendet av ljusbandens position på våglängden för den infallande färgen.

Vi observerar också att banden, expanderar och behåller sin form, rör sig nedåt.

Förklaring. Detta beror på en minskning av filmtjockleken, eftersom tvållösningen rinner ner under inverkan av gravitationen.

Erfarenhet 2. Blås en såpbubbla med ett glasrör och undersök det noggrant. När den är upplyst med vitt ljus, observera bildandet av färgade interferensringar, färgade i spektrala färger. Den övre kanten på varje ljusring är blå, botten är röd. När filmtjockleken minskar, rör sig ringarna, som också expanderar, långsamt nedåt. Deras ringformade form förklaras av den ringformade formen av linjer med lika tjocklek.

Svara på frågorna:

1. Varför är såpbubblor iriserande?
2. Vilken form har regnbågens ränder?
3. Varför ändras färgen på bubblan hela tiden?

Erfarenhet 3. Torka noga av två glasskivor, lägg ihop och kläm med fingrarna. På grund av kontaktytornas icke-idealiska form bildas de tunnaste lufthålen mellan plattorna.

När ljus reflekteras från ytorna på plattorna som bildar gapet uppträder ljusa iriserande ränder - ringformade eller oregelbundna i formen. När kraften som trycker ihop plattorna ändras ändras remsornas arrangemang och form. Rita bilderna du ser.

Förklaring: Plattornas ytor kan inte vara helt jämna, så de berör endast på ett fåtal ställen. Runt dessa platser bildas de tunnaste luftkilarna av olika former, vilket ger en bild av störningar. I genomsläppt ljus är det maximala tillståndet 2h=kl

Svara på frågorna:

1. Varför observeras ljusa iriserande ringformade eller oregelbundet formade ränder vid plattornas kontaktpunkter?
2. Varför ändras formen och placeringen av interferensfransarna med tryck?

Erfarenhet 4.Undersök noggrant från olika vinklar ytan på CD-skivan (som spelas in).

Förklaring: Ljusstyrkan hos diffraktionsspektra beror på frekvensen av spåren avsatta på skivan och på strålarnas infallsvinkel. Nästan parallella strålar som infaller från lampglödtråden reflekteras från intilliggande utbuktningar mellan spåren vid punkterna A och B. Strålarna som reflekteras i en vinkel lika med infallsvinkeln bildar en bild av lampglödtråden i form av en vit linje. Strålar som reflekteras i andra vinklar har en viss vägskillnad, som ett resultat av vilket vågorna läggs till.

Vad observerar du? Förklara de observerade fenomenen. Beskriv interferensmönstret.

Ytan på en CD är ett spiralspår med en tonhöjd som motsvarar våglängden för synligt ljus. På en finstrukturerad yta uppstår diffraktions- och interferensfenomen. Höjdpunkterna på CD-skivor är iriserande.

Erfarenhet 5. Vi flyttar skjutreglaget på bromsoket tills ett gap på 0,5 mm brett bildas mellan käftarna.

Vi lägger den avfasade delen av svamparna nära ögat (placerar gapet vertikalt). Genom detta gap tittar vi på den vertikalt placerade tråden på den brinnande lampan. Vi observerar regnbågsränder parallellt med den på båda sidor av tråden. Vi ändrar spårets bredd i intervallet 0,05 - 0,8 mm. När de passerar till smalare slitsar rör sig banden isär, blir bredare och bildar distinkta spektra. Sett genom den bredaste slitsen är fransarna väldigt smala och nära varandra. Rita bilden du ser i din anteckningsbok. Förklara observerade fenomen.

Erfarenhet 6. Titta genom nylontyget på glödtråden på en brinnande lampa. Genom att vända tyget runt axeln uppnås ett tydligt diffraktionsmönster i form av två diffraktionsband korsade i räta vinklar.

Förklaring: En vit diffraktionstopp är synlig i mitten av skorpan. Vid k=0 är vågvägsskillnaden lika med noll, så det centrala maximumet är vitt. Korset erhålls eftersom tygets trådar är två diffraktionsgitter som är ihopvikta med inbördes vinkelräta slitsar. Uppkomsten av spektrala färger förklaras av det faktum att vitt ljus består av vågor av olika längd. Diffraktionsmaximum för ljus för olika våglängder erhålls på olika platser.

Skissa det observerade diffraktionskorset. Förklara de observerade fenomenen.

Spela in utgången. Ange i vilket av dina experiment störningsfenomenet observerades och i vilken diffraktion.

Kontrollfrågor:

1. Vad är ljus?
2. Vem bevisade att ljus är en elektromagnetisk våg?
3. Vad kallas interferens av ljus? Vilka är de högsta och lägsta villkoren för störningar?
4. Kan ljusvågor från två glödlampor störa? Varför?
5. Vad är ljusets diffraktion?
6. Beror läget för huvuddiffraktionsmaxima på antalet gitterslitsar?

Ämne: Observation av fenomenen interferens och diffraktion av ljus.

Målet med arbetet: experimentellt studera fenomenet interferens och diffraktion.

Utrustning:

• glasögon med en lösning av tvål;
• trådring med ett handtag;
• nylontyg;
• CD;
• glödlampa;
• skjutmått;
• två glasplattor;
• blad;
• pincett;
• nylontyg.

Teoretisk del

Interferens är ett fenomen som är karakteristiskt för vågor av alla slag: mekaniska, elektromagnetiska. Våginterferens är tillägget av två (eller flera) vågor i rymden, i vilka vid dess olika punkter en förstärkning eller försvagning av den resulterande vågen erhålls. För att bilda ett stabilt interferensmönster behövs koherenta (matchade) vågkällor. Koherenta vågor är vågor som har samma frekvens och konstant fasskillnad.

Maximala villkor Ad = ±kλ, minimivillkor, Ad = ± (2k + 1) λ/2 där k =0; ± 1; ±2; ± 3;...(skillnaden i vågornas väg är lika med ett jämnt antal halvvågor

Ett interferensmönster är en regelbunden växling av områden med ökad och minskad ljusintensitet. Ljusinterferens är den rumsliga omfördelningen av ljusstrålningens energi när två eller flera ljusvågor överlagras. Följaktligen, i fenomenen interferens och diffraktion av ljus, observeras lagen om bevarande av energi. I interferensområdet omfördelas ljusenergin endast utan att omvandlas till andra typer av energi. Ökningen av energi vid vissa punkter av interferensmönstret i förhållande till den totala ljusenergin kompenseras av dess minskning vid andra punkter (total ljusenergi är ljusenergin från två ljusstrålar från oberoende källor).
Ljusa ränder motsvarar energimaxima, mörka ränder motsvarar energiminima.

Diffraktion är fenomenet med vågavvikelse från rätlinjig utbredning när den passerar genom små hål och rundar av små hinder av vågen. Villkor för manifestationen av diffraktion: d< λ, Var d- storleken på hindret, λ - våglängd. Dimensionerna på hindren (hålen) måste vara mindre än eller stå i proportion till våglängden. Förekomsten av detta fenomen (diffraktion) begränsar omfattningen av den geometriska optikens lagar och är anledningen till den begränsade upplösningen hos optiska instrument. Ett diffraktionsgitter är en optisk anordning som är en periodisk struktur av ett stort antal regelbundet arrangerade element på vilka ljus diffrakteras. Slag med en definierad profil och konstant för ett givet diffraktionsgitter upprepas med regelbundna intervall d(gitterperiod). Förmågan hos ett diffraktionsgitter att sönderdela en ljusstråle som infaller på det till våglängder är dess huvudsakliga egenskap. Det finns reflekterande och transparenta diffraktionsgitter. I moderna enheter används främst reflekterande diffraktionsgitter. Villkor för att observera diffraktionsmaximum: d sin(φ) = ± kλ

Instruktioner för arbetet

1. Doppa trådramen i tvållösningen. Observera och rita interferensmönstret i tvålfilmen. När filmen är upplyst med vitt ljus (från ett fönster eller en lampa) färgas ljusränder: överst - blå, längst ner - röd. Använd ett glasrör för att blåsa en såpbubbla. Titta på honom. När den belyses med vitt ljus observeras bildandet av färgade interferensringar. När filmtjockleken minskar expanderar ringarna och rör sig nedåt.

Svara på frågorna:

1. Varför är såpbubblor iriserande?
2. Vilken form har regnbågens ränder?
3. Varför ändras färgen på bubblan hela tiden?

2. Torka av glasskivorna noggrant, sätt ihop dem och kläm med fingrarna. På grund av den icke-idealiska formen på kontaktytorna, bildas de tunnaste lufthålen mellan plattorna, vilket ger ljusa iriserande ringformiga eller slutna oregelbundet formade ränder. När kraften som komprimerar plattorna ändras ändras platsen och formen på banden både i reflekterat och genomsläppt ljus. Rita bilderna du ser.

Svara på frågorna:

1. Varför observeras ljusa iriserande ringformade eller oregelbundet formade ränder på separata platser för kontakt mellan plattorna?
2. Varför ändras formen och placeringen av de erhållna interferensfransarna med en förändring i trycket?

3. Lägg en CD horisontellt i ögonhöjd. Vad observerar du? Förklara de observerade fenomenen. Beskriv interferensmönstret.

4. Titta genom nylontyget på glödtråden på en brinnande lampa. Genom att vända tyget runt axeln uppnås ett tydligt diffraktionsmönster i form av två diffraktionsband korsade i räta vinklar. Skissa det observerade diffraktionskorset.

5. Observera två diffraktionsmönster när du undersöker glödtråden i en brinnande lampa genom en slits som bildas av käftarna på en bromsok (med en slitsbredd på 0,05 mm och 0,8 mm). Beskriv förändringen i interferensmönstrets karaktär när bromsoket roteras mjukt runt den vertikala axeln (med en slitsbredd på 0,8 mm). Upprepa detta experiment med två blad, tryck dem mot varandra. Beskriv arten av interferensmönstret

Registrera dina resultat. Ange i vilket av dina experiment fenomenet interferens observerades? diffraktion?