Дифракція на щілині з лазером

Якщо монохроматичне світло падає на вузьку щілину, то за нею на екрані з'являється інтерференційна картина з максимумами й мінімумами інтенсивності. За їхнім розташуванням, знаючи довжину хвилі, можна визначити ширину щілини.

Це явище дифракції виникає й тоді, коли хвилі на воді натрапляють на вузький отвір: за ним вони поширюються по колу.

Попередні знання

Для розуміння цього досліду учні вже мають бути обізнані з хвильовою поведінкою світла. Для наочності може бути корисно попередньо показати інтерференцію хвиль на воді.

Принцип

Лазерний промінь світить крізь діафрагму з одинарними щілинами і створює інтерференційну картину на екрані, що розташований за нею.

За інтерференційною картиною можна зчитати мінімуми й максимуми інтенсивності, а за відомої довжини хвилі - визначити й початкову ширину щілини.

Навчальна мета

Якщо розглянути інтерференційну картину від однієї щілини, видно, що максимуми й мінімуми розташовані на однакових відстанях один від одного.

Крім того, центральний максимум інтенсивності вдвічі ширший за решту максимумів. Якщо порівняти між собою інтерференційні картини від різних щілин, можна побачити, що зі зменшенням ширини щілини відстані між максимумами й мінімумами зростають.

Завдання

1. Спостереження інтерференційних картин на екрані.
2. Позначення положень максимумів і мінімумів на екрані та залежності положення максимумів від ширини щілини.

Якщо лазерний промінь падає на щілину завширшки , то можна уявити, що в межах щілини промінь розкладається на два однакові часткові пучки, як показано ліворуч.

Якщо після дифракції на кут різниця ходу між крайнім і середнім променями дорівнює цілому числу , то вони інтерферують деструктивно. Така сама різниця ходу існує й між кожним променем однієї половини щілини та відповідним променем другої половини щілини.

Отже, в інтерференційній картині темрява виникає щоразу, коли для справджується співвідношення:

Якщо - відстань між щілиною і достатньо віддаленим приймальним екраном , а - відстань -го мінімуму від середини, то:

для

З (1) і (2) для випливає:

Максимуми яскравості виникають для кутів:

Відповідно для справджується:

Обов'язково стежте за тим, щоб ніхто не дивився прямо в лазерний промінь.

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

Світлом називають видиму для людини ділянку електромагнітного спектра. За допомогою дифракційних об'єктів, наприклад щілини, можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції, яка вказує на хвильову природу світла.

Так, наприклад, Сонце має вигляд круга навіть тоді, коли світить крізь вузьку щілину, скажімо між стовбурами дерев.

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

Дослід 1

1. Спрямуй вузький пучок світла на щілину, ширину якої можна змінювати, і поспостерігай, як змінюються зображення щілини (інтерференційні картини), коли щілину роблять дедалі ширшою.
2. Визнач зв'язок між шириною щілини і відстанню між інтерференційними мінімумами, що при цьому виникають.

Дослід 1

• Насади регульовану щілину (світлову щілину) на оправу (рис. 1 і 2) і закріпи її в оправі зі шкалою (рис. 3).
• Постав рейтер із діодним лазером на позначці .
• Постав рейтер із тримачем пластин і вставленою щілиною (регульованою до ) на позначці .

Рейтер з екраном стоїть на відстані від щілинної діафрагми (рис. 4).

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Дослід 1

Щілину відкривають коліщатком якнайширше. Лазер вмикають, і на екрані має бути видно світлову пляму.

Ширину отвору щілини змінюють і записують зміни картини, яку лазер дає на екрані. Тут має бути видно інтерференційну картину (див. рисунок).

Вимкни лазер.

Інтерференційна картина

Дослід 2

У складеній для досліду 1 установці регульовану щілину замінюють діафрагмою з 3 одинарними щілинами, а екран ставлять на лаві на позначці .

Тепер на екрані можна закріпити клейкою стрічкою аркуш (міліметрового) паперу. У цьому разі потрібен олівець, щоб позначати максимуми інтенсивності. Як варіант, можна взяти змивний маркер для плівки та лінійку, щоб позначати максимуми інтенсивності просто на екрані й визначати відстань між ними.

Схема установки

Дослід 2

Лазер вмикають. За потреби діафрагму пересувають у рейтері так, щоб лазерне світло влучало в щілину з . Якщо інтерференційна картина на екрані не має достатньо великих відстаней, слід одразу починати зі щілини з .

Олівцем треба позначити положення максимумів і мінімумів кількох максимумів інтенсивності (порядків дифракції). Далі за допомогою міліметрового паперу або лінійки визначають відстані між різними максимумами й мінімумами інтенсивності Відстань між щілинною діафрагмою та екраном має становити точно (див. схему установки).

Для вимірювання вимкни лазер.

• Визнач відстань n-го мінімуму інтенсивності (темної смуги) від середини (0-го максимуму інтенсивності): вибери для цього якомога більше , виміряй відстань від лівого -го мінімуму до правого -го мінімуму й поділи виміряне значення на 2. Запиши результат.
• Пересунь щілину з на оптичну вісь. Знову ввімкни лазер і познач нові максимуми.
  Виміряй відстань так, як описано вище, і запиши результат, а також те, як змінюються і сама дифракційна картина.
• Так само вчини з третьою щілиною ().
• Вимкни лазер.