Дослід із подвійним дзеркалом Френеля

Схема досліду

Одним з історично значущих експериментів, які проводили у XVIII і XIX століттях, щоб довести хвильову природу світла, був дослід із подвійним дзеркалом, придуманий Френелем 1816 року.

Попередні знання

Для цього досліду учням не потрібні особливі попередні знання.

Принцип

Двома плоскими дзеркалами, нахиленими одне до одного майже на 180°, через відбивання розбіжного пучка світла створюють два уявні джерела світла, від яких начебто виходять два розбіжні пучки світла; вони здатні інтерферувати, бо є когерентними.

Навчальна мета

Спершу учні мають ознайомитися з принциповою будовою досліду Френеля й описати інтерференційну картину. Нахил обох дзеркал одне до одного незмінний, і завдяки цьому складання спрощується.

У другому складанні треба визначити довжину хвилі червоного світла. Використавши інші світлофільтри, можна визначити довжину хвилі й для інших кольорів.

Завдання

Учні мають спрямувати вузький пучок світла під великим кутом падіння на подвійне дзеркало Френеля і поспостерігати за явищами, що при цьому виникають. Після цього вони мають визначити відстань між уявними джерелами світла і за нею та за інтерференційною картиною визначити довжину хвилі червоного світла.

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

Сонце як природне джерело світла

Світлом називають видиму для людини частину електромагнітного спектра. За допомогою подвійного дзеркала можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції - що вказує на хвильову природу світла.

Але який вигляд має інтерференційна картина і як за нею визначити довжину хвилі світла? Ці питання досліджують у цьому досліді.

1. Спрямуй вузький пучок світла під великим кутом падіння на подвійне дзеркало Френеля і поспостерігай за явищами, що при цьому виникають.
2. Визнач відстань між уявними джерелами світла і за нею та за інтерференційною картиною визнач довжину хвилі червоного світла.

Дослід 1

• Склади оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної штативної основи та приклади масштабну лінійку (рис. 1 і рис. 2).

Рисунок 1

• Складіть освітлювач за рисунками 3 і 4 та закріпіть його в лівій частині штативної основи так, щоб бік із лінзою був повернутий від оптичної лави (рис. 5).
• Насуньте світлонепроникну діафрагму перед лінзою освітлювача (рис. 6).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

• Постав лінзу з f = +50 мм на оптичну лаву на позначці 6 см (рис. 7).
• Закріпи тримач діафрагм із регульованою щілиною на оправі зі шкалою і постав її на оптичну лаву приблизно на позначці 8 см (рис. 8).

Рисунок 7

• Постав ковзну опору з тримачем пластин і дзеркалом Френеля приблизно на позначці 20 см між штативними стрижнями (рис. 9).

Рисунок 9

Рисунок 10

Дослід 1

• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкни блок живлення (рис. 10).
• Відюстуй щілинну діафрагму й дзеркало Френеля так, щоб світло, яке йде від щілини, рівномірно й ковзно падало на обидві частини подвійного дзеркала і водночас частково проходило повз дзеркало.

Рисунок 10

• Постав екран на ковзній опорі приблизно на позначці 180 см на шляху променів і відюстуй подвійну щілину, обертаючи її навколо власної осі та переміщуючи перпендикулярно до оптичної осі так, щоб світло, яке йде безпосередньо від щілини, було приблизно за 2 см від двох однаково яскравих смуг, утворених двома уявними джерелами світла, що виникли внаслідок відбивання.

Рисунок 11

• Підправ положення дзеркала, обережно повертаючи його так, щоб обидва відбиті дзеркалами пучки світла падали на екран в одне й те саме місце.
• Зніми екран із ковзної опори і заміни його тримачем пластин зі спостережною оптикою (рис. 11).

Рисунок 12

• Постав спостережну оптику на оптичну лаву приблизно на позначці 48 см (рис. 12) і, якщо потрібно, трохи поверни щілину з тримачем, доки інтерференційні смуги не стануть різкими (щілина має стояти паралельно до площин дзеркал).
• Змінюй ширину щілини і за потреби злегка підправ також подвійне дзеркало.

Рисунок 12

• Постав спостережну оптику знову на шляху променів приблизно на позначці 180 см.
• Поспостерігай за інтерференційними смугами; дивись при цьому в лінзу спостережної оптики так, щоб поле зору було освітлене рівномірно.
• Опиши свої спостереження.

Дослід 2

• Не змінюючи поки що складеної установки, всунь червоний світлофільтр у гніздо освітлювача (рис. 13).

• Виміряй і запиши відстань d між червоними інтерференційними смугами за допомогою спостережної оптики. Для цього визнач відстань, наприклад, між 6 смугами (тобто на рис.14) і візьми середнє значення.
• Виміряй відстань e між щілиною і спостережною оптикою та запиши її.
• Щоб визначити відстань між двома уявними джерелами світла (щілинами), постав лінзу з f = +300 мм на позначці 48 см (рис. 14). Знову внеси екран на шлях променів і посувай його доти, доки уявні щілини не будуть зображені різко.

Рисунок 14

• Постав спостережну оптику замість екрана; виміряй відстань a' між зображеннями щілин (пор. рис. 15).
• Виміряй відстань g між регульованою щілиною (тобто уявними щілинами) і лінзою з f = +300 мм, а також відстань b між лінзою і спостережною оптикою
• Після цього вимкни блок живлення.

Рисунок 15

Рисунок 16

Рисунок 15