Дифракція на подвійній щілині з лазером

Схема установки

Коли монохроматичне світло потрапляє на подвійну щілину, за нею на екрані з'являється інтерференційна картина з максимумами та мінімумами інтенсивності. За їхнім розташуванням при відомій довжині хвилі можна визначити ширину щілини та відстань між серединами щілин.

Дифракція часто трапляється в повсякденні для світлових і звукових хвиль. Наприклад, для світла, яке падає на вузькі стовпи, спостерігають, що їхні тіні мають нечіткі краї. Це явище пояснюють дифракційними ефектами. Щілини та перемички поводяться при цьому за однакової товщини однаково.

Попередні знання

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

Принцип

Промінь лазера світить крізь діафрагму з подвійною щілиною і створює інтерференційну картину на екрані, розташованому за нею.

За інтерференційною картиною можна зчитати мінімуми та максимуми інтенсивності, а при відомій довжині хвилі - визначити й початкову ширину щілини та відстань між серединами щілин.

Навчальна мета

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

Якщо порівняти між собою інтерференційні картини різних щілин із відстанями між щілинами , можна побачити, що зі зростанням відстані між максимумами й мінімумами зменшуються. Крім того, можна обчислити довжину хвилі лазерного світла.

Завдання

Учні мають дослідити, як при дифракції на подвійній щілині змінюється інтерференційна картина залежно від ширини щілини та відстані між щілинами , і визначити довжину хвилі червоного світла.

Якщо промінь лазера падає на подвійну щілину з відстанню між серединами щілин і шириною , то промінь в області подвійної щілини можна уявити, як показано праворуч, розкладеним на два пучки променів, які зазнають дифракції під кутом .

Крайні промені одинарної щілини мають різницю ходу . Якщо вона становить ціле кратне довжини хвилі , то ці промені інтерферують деструктивно. Отже, одинарна щілина дає темряву в інтерференційній картині завжди тоді, коли загалом виконується співвідношення:

З (1) і (2) випливає:

Ширина центрального максимуму одинарної щілини (відстань між мінімумами, розташованими симетрично щодо центра) становить . Рівновіддалені максимуми подвійної щілини з тим самим мають ширину . Отже, центральний максимум одинарної щілини пронизаний

додатковими максимумами.

Дифракційна картина одинарної щілини і подвійної щілини з однаковими ширинами щілин
вгорі: щілина: ; внизу: подвійна щілина: і

Обов'язково треба стежити за тим, щоб ніхто не дивився прямо в промінь лазера.

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

Дифракція світла при погляді проти сонця

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

Це явище можна спостерігати, якщо тримати руку перед очима і дивитися проти сонця. Здається, ніби воно частково видне, хоча частину його затуляють пальці.

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

1. Досліди, як при дифракції на подвійній щілині змінюється інтерференційна картина залежно від ширини щілини та відстані між щілинами .
2. Визнач довжину хвилі червоного світла.

Схема установки

Установку досліду складають так, як показано на рисунку.

Позначки ковзних опор для закріплення складників мають на оптичній лаві такі положення:

• Ковзна опора з діодним лазером на .
• Ковзна опора з тримачем пластин і вставленою діафрагмою з подвійними щілинами на .

Екран у ковзній опорі міститься на відстані від діафрагми з подвійними щілинами. Якщо місця менше, то для щілин із екран можна поставити на лаві на позначці .

• Опиши далі для кожної щілини, як змінюється інтерференційна картина з шириною щілини та відстанню між щілинами .
• Всунь подвійну щілину з і в оптичну вісь.
• Визнач відстань між першим інтерференційним максимумом ліворуч і праворуч від середнього максимуму за допомогою лінійки або штангенциркуля, запиши виміряне значення і поділи його на 2. Результат - це .
• Так само вчини для решти відстаней між -м і сусіднім максимумом щонайменше для .
• Виміряй відстань подвійної щілини від екрана вимірювальною стрічкою і запиши її.

Дифракція на подвійній щілині

Дифракція на подвійній щілині

За допомогою знятих даних можна за теоремою Піфагора обчислити довжину хвилі лазера :

.

Обчисли для і , де .