Інформація для вчителів
Застосування
Щілина для експериментальної установки
Дифракція світла, хоча її не завжди можна спостерігати, трапляється практично всюди в повсякденному житті, зокрема й на таких простих об'єктах, як щілина. Цей дослід створює відповідні умови, щоб можна було спостерігати хвильову природу світла під час його проходження крізь щілину.
Інша інформація для вчителів (1/6)
Інша інформація для вчителів (1/6)
Попередні знання
Для цього досліду учням не потрібні особливі попередні знання.
Принцип
Коли пучок світла потрапляє на щілину, він на ній дифрагує. За принципом Гюйгенса пучок світла, що надходить, розглядають як хвильовий фронт, причому кожна точка цього хвильового фронту є вихідною точкою для нової хвилі - так званої елементарної хвилі. Окремі елементарні хвилі накладаються одна на одну, і через когерентність виникає інтерференційна картина.
Інша інформація для вчителів (2/6)
Навчальна мета
Дослід має унаочнити учням хвильову природу світла. Учні дізнаються, за яких умов виникає інтерференційна картина.
Завдання
Учні мають спрямувати пучок світла на щілину і дослідити інтерференційну картину за щілиною.
Інша інформація для вчителів (3/6)
Вказівки щодо складання і виконання
Досліди можна виконувати в приміщенні зі звичайним освітленням. Якщо юстування виконано ретельно, вони не спричинять технічних труднощів.
Інша інформація для вчителів (4/6)
Додаткова інформація
На відміну від дифракції на краю, у дослідах із дифракцією на (одинарній) щілині дифракційні картини можна змінювати в широких межах і показувати навіть естетично вражаюче - надто тоді, коли є кілька щілин різної ширини або регульована щілина.
Дослід 1 рекомендовано як попередній. Він швидко складається і виконується, а його перевага в тому, що учні можуть на власні очі побачити функціональний зв'язок між шириною щілини, з одного боку, і відстанню та інтенсивністю інтерференційних смуг - з іншого.
Інша інформація для вчителів (5/6)
Додаткова інформація
Результатом досліду 1 є напівкількісне твердження (Що ... то ... ) про зв'язок між b і d. Цим задано цільову спрямованість досліду 2.
У досліді 2 обрано фраунгоферову схему дифракції на щілині, бо вона простіша, зокрема й щодо геометричних міркувань для математичного опрацювання явища.
Інша інформація для вчителів (6/6)
Зауваження
За значеннями, виміряними в досліді 2, можна також визначити довжину хвилі червоного світла. Для n-го інтерференційного мінімуму справджується таке:
а також ,
де e = відстань між зображувальною лінзою і лінзою спостереження. Оскільки << 1, у доброму наближенні справджується: . Це дає:
або .
Але оскільки можна виміряти лише порівняно неточно, для вимірювань рекомендовано використовувати дифракцію на подвійній щілині або - ще краще - дифракцію на ґратці.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Сонце як природне джерело світла
Світлом називають видиму для людини частину електромагнітного спектра. За допомогою дифракційних об'єктів, як-от щілина, можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції, яка вказує на хвильову природу світла.
Але який вигляд має інтерференційна картина і які фізичні закономірності лежать у її основі? Ці питання досліджують у цьому досліді.
Завдання
- Спрямуй вузький пучок світла на щілину, ширину якої можна змінювати, і спостерігай за зображеннями щілини, які виникають, коли ти робиш щілину дедалі вужчою.
- Визнач зв'язок між шириною щілини b і відстанню d між інтерференційними мінімумами, що при цьому виникають.
Схема установки
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Освітлювач галогенний, 12 В / 20 Вт | 09801-00 | 1 |
| 2 | Основа зі стрижнем для освітлювача для оптичної лави | 09802-20 | 1 |
| 3 | Оптична лава для учнівських дослідів, l = 600 мм | 08376-00 | 1 |
| 4 | Набір світлофільтрів для адитивного змішування кольорів | 09807-00 | 1 |
| 5 | Діафрагма зі щілиною, d = 1 мм | 09816-02 | 1 |
| 6 | Лінза на ковзній опорі, f = +50 мм | 09820-01 | 1 |
| 7 | Лінза на ковзній опорі, f = +300 мм | 09820-04 | 2 |
| 8 | Ковзна опора для оптичної лави | 09822-00 | 2 |
| 9 | Оправа зі шкалою на ковзній опорі | 09823-00 | 1 |
| 10 | Тримач пластин для 3 об'єктів | 09830-00 | 2 |
| 11 | Вимірювальна лупа | 09831-00 | 1 |
| 12 | Діафрагма з 3 одинарними щілинами | 08522-00 | 1 |
| 13 | Щілина, регульована до 1 мм | 11604-07 | 1 |
| 14 | Тримач діафрагм, накидний | 11604-09 | 1 |
| 15 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 16 | Картонні аркуші 200x300 мм, чорні, 10 шт. | 06306-01 | 1 |
Складання (1/8)
Дослід 1
- Склади оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної основи штатива та приклади масштабну лінійку (рис. 1).
Рисунок 1
Складання (2/8)
- Склади освітлювач за рисунками 2 і 3 і затисни його в лівій частині основи штатива так, щоб він був повернутий боком з лінзою від оптичної лави (рис. 4).
- Насунь світлонепроникну діафрагму перед лінзою освітлювача (рис. 5).
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Складання (3/8)
- Всунь червоний фільтр (рис. 6) і щілинну діафрагму з d = 1 мм (рис. 7) у гніздо освітлювача.
Рисунок 6
Рисунок 7
Складання (4/8)
- Насади регульовану щілину (світну щілину) на оправу (рис. 8 і 9) і закріпи її на оправі зі шкалою (рис. 10).
- Постав оправу зі шкалою приблизно посередині оптичної лави (рис. 11).
Рисунок 8
Рисунок 10
Рисунок 9
Рисунок 11
Складання (5/8)
Рисунок 12
- Постав лінзу з f = +50 мм на правий кінець оптичної лави (рис. 12).
- Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкни блок живлення (рис. 13).
Рисунок 13
Виконання (1/4)
Дослід 1
- За потреби поверни регульовану щілину так, щоб вона була паралельна до світної щілини в гнізді освітлювача.
- Встанови максимальну ширину щілини.
- Дивись назустріч світлу крізь лінзу і малими кроками роби щілину дедалі вужчою
- Спостерігай за явищами, що виникають.
Виконання (2/4)
- Скористайся вузькою щілиною і поспостерігай за картинами без червоного фільтра.
- Кілька разів зміни ширину щілини і запиши свої спостереження.
- Вимкни блок живлення.
Складання (6/8)
Рисунок 14
Рисунок 15
Дослід 2
- Залиш оптичну лаву з масштабною лінійкою і освітлювачем як у 1-му досліді, але без щілинної діафрагми і світлофільтра.
- Постав лінзу з f = +50 мм на позначці 6 см і розмісти оправу зі шкалою, тримач діафрагм і регульовану щілину (світну щілину) приблизно на 9,5 см (рис. 14).
- Постав одну лінзу з f = +300 мм на позначці 40 см, а другу - на кінці оптичної лави, а між ними - ковзну опору з тримачем пластин (рис. 15).
Складання (7/8)
Рисунок 16
- Постав другу ковзну опору з тримачем пластин і оптикою спостереження приблизно за 30 см від лінзи, що стоїть на кінці оптичної лави (рис. 16), і увімкни блок живлення.
- Переміщуй оптику спостереження вздовж оптичної осі, доки світна щілина не буде чітко зображена в площині спостереження.
- Встав діафрагму з 3 одинарними щілинами в тримач пластин між лінзами з f = +300 мм (рис. 17).
Рисунок 17
Складання (8/8)
Рисунок 18
- Посунь діафрагму так, щоб спершу на оптичній осі стояла щілина завширшки b = 0,4 мм (пор. рис. 18)
- Затули інші щілини чорним картоном (рис. 19).
Рисунок 19
Виконання (3/4)
Дослід 2
- Розглянь дифракційну картину за допомогою оптики спостереження і відрегулюй - якщо потрібно - такі моменти установки: паралельність світної щілини і дифракційної щілини; рівномірне (симетричне) освітлення дифракційної щілини; оптимальну ширину світної щілини.
- Опиши дифракційну картину і запиши свої спостереження.
- Всунь червоний фільтр у гніздо освітлювача (рис. 20).
Рисунок 20
Виконання (4/4)
- Визнач відстань n-го максимуму інтенсивності (темна смуга) від середини (0-й максимум інтенсивності). Вибери для цього n якомога більшим і виміряй відстань 2 від лівого n-го мінімуму до правого n-го мінімуму та поділи виміряне значення на 2. Запиши результат.
- Посунь щілину з b = 0,2 мм на оптичну вісь. Затули інші щілини чорним картоном. Виміряй відстань як описано вище і запиши результат.
- З третьою щілиною (b = 0,1 мм) вчини так само.
- Вимкни блок живлення.
Протокол
Завдання 1
Перетягни слова у правильні поля! Що вужчою стає ____, то меншою стає ____ світла, що крізь неї проходить. За певної ширини щілини чітко спостерігається система паралельних світлих смуг, які за подальшого ____ ширини щілини розходяться дедалі далі. Що далі від середини відстоять ____, то менша їхня ____.
Завдання 2
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: Для конструктивної інтерференції справджується:; Для деструктивної інтерференції справджується:; \Delta = (2n + 1) \lambda/2\qquad n = 0, 1, 2, ...; \Delta = (n + 1/2) \lambda \qquad n = 0, 1, 2, ... ; \Delta = n · \lambda \qquad n = 0, 1, 2, ... . Місця на схемі: Конструктивна; деструктивна.
Завдання 3
Питання