Дифракція на багатократних щілинах

Схема установки

Дифракція світла, хоч її й не завжди можна побачити, трапляється практично всюди в побуті, зокрема й на таких об'єктах, як багатократна щілина.

У цьому досліді створюють належні умови, щоб хвильова природа світла стала видимою при проходженні крізь багатократну щілину. Це явище можна пояснити хвильовою моделлю світла за Гюйгенсом.

Попередні знання

Для цього досліду учням не потрібні особливі попередні знання.

Принцип

Коли пучок світла падає на багатократну щілину, він там зазнає дифракції. За принципом Гюйгенса пучок світла, що надходить, розглядають як хвильовий фронт, причому кожна точка цього хвильового фронту є вихідною точкою нової хвилі - так званої елементарної хвилі. Окремі елементарні хвилі накладаються, і через когерентність виникає інтерференційна картина.

Навчальна мета

Цим дослідом учні мають зрозуміти, що при дифракції світла на n-кратних щілинах між двома сусідніми головними максимумами виникають щоразу n - 1 побічних мінімумів і n - 2 побічних максимумів, які особливо чітко видно між головним максимумом 0-го порядку і головними максимумами 1-го порядку.

Крім того, вони мають зрозуміти, що інтенсивність побічних максимумів зменшується зі зростанням кількості n щілин і для пропускної ґратки є знехтувано малою, натомість інтенсивність головних максимумів із n зростає і для ґратки дуже велика.

Завдання

Учні мають дослідити дифракційні картини, які створюють 2, 3, 4 або 5 однаково широких щілин (багатократні щілини), і порівняти дифракційну картину ґратки з дифракційними картинами багатократних щілин.

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

Сонце як природне джерело світла

Світлом називають видиму для людини ділянку електромагнітного спектра. За допомогою дифракційних об'єктів, наприклад багатократної щілини, 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.

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

Рисунок 1

• Склади освітлювач за рисунками 3 і 4 та закріпи освітлювач у лівій частині штативної основи так, щоб бік із лінзою був спрямований від оптичної лави (рис. 5).
• Насунь світлонепроникну діафрагму перед лінзу освітлювача (рис. 6).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

• Встав в інше гніздо освітлювача червоний світлофільтр (рис. 7).

• Встав регульовану щілину (світлову щілину) в тримач діафрагми (рис. 8, рис. 9) і закріпи його на оправі зі шкалою (рис. 10).
• Постав лінзу з f = +50 мм на оптичній лаві на позначці 6 см, а оправу зі шкалою - приблизно на 9,5 см (рис. 11).

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

• Постав одну лінзу з f = +300 мм приблизно на позначці 40 см, а другу лінзу з f = +300 мм - на правому краю оптичної лави.
• Постав щільно перед правою лінзою рейтер із тримачем пластин (рис. 12).
• Постав другий рейтер із тримачем пластин і спостережною оптикою приблизно за 30 см праворуч від оптичної лави (рис. 13).

Рисунок 12

• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 V~) і увімкни блок живлення (рис. 14).
• Пересуваючи спостережну оптику, отримай різке зображення світлової щілини в площині спостереження.
• Всунь діафрагму з 4 багатократними щілинами в праве гніздо тримача пластин між двома лінзами (рис. 15).

Рисунок 14

• Пересунь багатократну щілину з n = 4 на оптичну вісь і закрий інші багатократні щілини світлонепроникними діафрагмами (рис. 16).
• Спостерігай дифракційні картини. За потреби підюстуй установку так, щоб забезпечити паралельність світлової щілини й багатократної щілини, рівномірне (симетричне) освітлення багатократної щілини та оптимальну ширину світлової щілини.

• Вивчи дифракційні картини щодо можливих побічних максимумів і мінімумів інтерференції, які виникають між очікуваними максимумами, що їх називають головними максимумами.
• Визнач кількість побічних максимумів і мінімумів і занеси результати в таблицю. Оціни інтенсивність головних і побічних максимумів (познач інтенсивність як велика, середня, мала або дуже мала) і також занеси це в таблицю.

• Замість багатократної щілини з n = 4 постав по черзі багатократні щілини з n = 2, 3 і 5 та дій так само, як описано раніше.
• Залиш ширину світлової щілини незмінною і заміни діафрагму з багатократними щілинами ґраткою з 4 штрихами / мм (рис. 17).

Рисунок 17

• Закрий ґратку двома світлонепроникними діафрагмами так, щоб спершу лишалася відкритою широка ділянка ґратки, симетрична відносно оптичної осі (рис. 18).
• Рівномірно посувай обидві світлонепроникні діафрагми до оптичної осі і так зменшуй використовувану ділянку ґратки (у такий спосіб ви зменшуєте кількість освітлених дифракційних щілин); спостерігай при цьому дифракційну картину.
• Опиши письмово спостереження і вимкни блок живлення.

Рисунок 18