Дифракція на перешкодах і щілинах

Спостереження в досліді

Цей дослід складається з трьох частин:

• Частина 1: дифракція на малій перешкоді та на вузькій щілині
• Частина 2: дифракція на краю
• Частина 3: дифракція та інтерференція на широкій щілині.

Цими дослідами учні та студенти досліджують дифракцію та інтерференцію хвиль на перешкодах і щілинах.

Попередні знання

Учні та студенти вже мають бути обізнані з утворенням і поширенням хвиль на воді. Крім того, вони вже мають мати досвід роботи зі збудником хвиль і з кількома центрами збудження.

Принцип

В області дифракції на щілині, ширина якої більша за довжину хвилі, спостерігають характерну інтерференційну картину. У зоні геометричної тіні за широкою перешкодою також спостерігають інтерференцію дифрагованих хвильових цугів.

Навчальна мета

Учні та студенти дізнаються, як відбуваються дифракція та інтерференція хвиль на перешкодах і щілинах.

Завдання

Учні та студенти виконують три частини досліду: дифракцію хвиль на малій перешкоді та на вузькій щілині, дифракцію на краю, а також дифракцію та інтерференцію на широкій щілині.

Метод (2/2)

Дослід 3:

Плоскі хвилі перпендикулярно натрапляють на щілину, ширина якої більша за довжину хвилі. Досліджують інтерференційну картину, яку при цьому спостерігають за щілиною. У другій частині цього досліду замість щілини в хвильове поле вносять перешкоду приблизно такого самого розміру. Перешкода орієнтована паралельно до фронту хвилі (рис. праворуч).

Результат - частина 1

Від перешкоди (рис. праворуч угорі), як і від щілини (рис. праворуч унизу), розходяться колові хвилі. У випадку перешкоди ці колові хвилі інтерферують із плоскими хвилями, що надходять. Цієї інтерференції в області перед перешкодою можна уникнути, утворюючи короткі хвильові цуги замість неперервних хвиль. Проте зробити миттєвий знімок (фото) за коротких хвильових цугів майже неможливо, тому на фото інтерференцію видно. Крім того, помітно, що хвилі продовжуються в зону геометричної тіні перешкоди.

Результат - частина 2

Плоскі хвилі безперешкодно проходять повз перешкоду. Від краю бар'єра колова хвиля йде в його зону геометричної тіні (рис. праворуч угорі). Та частина плоских хвиль, яка натрапляє на перешкоду, відбивається, тож перед перешкодою утворюється стояча хвиля. Працюючи з короткими хвильовими цугами, помітно, що колова хвиля, яка йде від краю бар'єра, поширюється в усіх напрямках.

Результат - частина 3

За щілиною помітна інтерференційна картина. Нульовий порядок інтерференції при цьому помітно ширший за вищі порядки (рис. праворуч унизу). За перешкодою (зона тіні) видно інтерференційну картину, подібну до тієї, що за щілиною.

• Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

• Збудник плоских хвиль закріплюють на внутрішньому вузлі збудження і підводять до нижнього краю хвильової ванни.
• Для першої частини досліду в хвильову ванну кладуть гумовий корок (рис. праворуч угорі).
• Щоб продемонструвати дифракцію на вузькій щілині, двома бар'єрами по 71 мм утворюють щілину завширшки близько 10 мм (рис. праворуч унизу).

Складання

• Збудник плоских хвиль юстують так само, як у частині 1, і кладуть у хвильову ванну бар'єр 71 мм (рис. праворуч).

Виконання

• Залишають частоту збудження з першої частини досліду і добирають таку амплітуду збудження, щоб хвильова картина була чіткою.
• Поспостерігавши хвильову картину, повторюють дослід із короткими хвильовими цугами, утвореними кнопкою «Pulse».

Складання

• Двома бар'єрами по 71 мм у хвильовій ванні утворюють щілину завширшки близько 3 см (рис. праворуч угорі).

Виконання

• Частота збудження знову в межах від 18 до 25 Гц, а амплітуду збудження слід дібрати так, щоб перед щілиною і за нею була чітка хвильова картина.
• Спостерігають інтерференційну картину, що виникає за щілиною. Далі забирають обидва бар'єри по 71 мм і кладуть бар'єр 30 мм на те місце, де раніше була щілина (рис. праворуч унизу). Інтерференційну картину, помітну за бар'єром, порівнюють із тією, яку спостерігали в першій частині цього досліду.