Дослід із біпризмою Френеля

Схема досліду

Поряд із дослідом із подвійним дзеркалом Френеля дослід із біпризмою Френеля є одним з історично значущих експериментів, які проводили у XVIII і XIX століттях, щоб довести хвильову природу світла.

Попередні знання

Для цього досліду учням не потрібні особливі попередні знання.

Принцип

У біпризмі Френеля грані, на які падає світло від світної щілини, утворюють кут, близький до 180°. Якщо розбіжний пучок світла падає на ребро біпризми, то внаслідок заломлення отримують два розбіжні когерентні пучки світла, які начебто виходять із двох уявних щілин і інтерферують за біпризмою.

Навчальна мета

Дослід має унаочнити учням хвильову природу світла. Учні вчаться визначати довжину хвилі з інтерференційної картини.

Завдання

Спершу учні мають ознайомитися зі складанням досліду з біпризмою й описати інтерференційну картину. У другому досліді треба визначити довжину хвилі червоного світла. Використавши інші світлофільтри, можна визначити довжину хвилі й для інших кольорів - за потреби з розподілом роботи між групами.

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 дифракційних об'єктів, як-от біпризми, можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції - що вказує на хвильову природу світла.

Але який вигляд має інтерференційна картина і які фізичні закономірності лежать в її основі? Ці питання досліджують у цьому досліді.

Дослід 1

• Склади оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної штативної основи, як показано на рисунку 1, та приклади масштабну лінійку.

Рисунок 1

• Склади освітлювач за рис. 2 і 3 та закріпи його в лівій частині штативної основи так, щоб бік із лінзою був повернутий від оптичної лави (рис. 4).
• Насунь світлонепроникну діафрагму перед лінзою освітлювача (рис. 5).

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

• Закріпи тримач діафрагм із регульованою щілиною на оправі зі шкалою (рис. 6 - 8).
• Постав лінзу з f = +50 мм безпосередньо біля освітлювача, а оправу зі шкалою - на оптичну лаву приблизно на позначці 8 см (рис. 9).

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

• Затисни біпризму в тримачі пластин, закріпи його на ковзній опорі й постав її на оптичну лаву приблизно на позначці 21 см так, щоб ребро біпризми було спрямоване до щілини (рис. 10 і рис. 11).
• Постав екран на ковзній опорі приблизно на позначці 90 см (рис. 12).
• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) (рис. 13) і увімкни його.

Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

• Поспостерігай за картиною на екрані. Якщо картина видна нечітко, посунь біпризму вбік і, якщо потрібно, злегка поверни щілинну діафрагму так, щоб світло падало точно на середину біпризми, а щілина була паралельна до тупого ребра.
• Зніми екран із ковзної опори і заміни його другим тримачем пластин зі спостережною оптикою (рис. 14).

Дослід 2

• Не змінюючи поки що складеної установки, всунь червоний світлофільтр у гніздо освітлювача (рис. 15).

• Виміряй відстань d між червоними інтерференційними смугами за допомогою спостережної оптики. Для цього визнач відстань між кількома смугами (dn для (n + 1) смуг; див. рис. 16) і візьми середнє значення. Запиши результат.

• Виміряй відстань e між щілиною і спостережною оптикою та запиши результат.

Рисунок 16

Рисунок 17

Рисунок 18

• Щоб визначити відстань між двома уявними джерелами світла (щілинами), постав лінзу з f = +300 мм на правому кінці оптичної лави (рис. 17). Знову внеси екран на шлях променів і посувай його доти, доки уявні щілини не будуть зображені різко.
• Постав спостережну оптику там, де ці зображення у фокусі. Виміряй відстань a' між зображеннями (пор. рис. 18) і запиши її.
• Виміряй відстань g між регульованою щілиною (тобто уявними щілинами) і лінзою з f = +300 мм, а також відстань b між лінзою і спостережною оптикою (пор. рис. 18).
• Вимкни блок живлення.

Обчисли відстань a між двома уявними щілинами за рівнянням a / a' = g / b (пор. рис.18) і запиши результат.