Дифракція на багатократних щілинах з лазером

Схема установки

Якщо монохроматичне світло падає на багатократні щілини, то за ними на екрані з'являється інтерференційна картина з максимумами і мінімумами інтенсивності.

Зі зростанням кількості щілин максимуми яскравості стають інтенсивнішими й чіткіше вираженими, проте їхнє розташування лишається незалежним від кількості щілин.

Багатократні щілини (оптичні ґратки) застосовують переважно у спектральному аналізі для визначення довжин хвиль. Побутовий приклад дифракції на ґратках - відблиски світла, які виникають на компакт-диску.

Попередні знання

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

Принцип

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

Завдяки взаємодії окремих пучків променів можна спостерігати чітко виражені головні максимуми і слабші за інтенсивністю побічні максимуми.

Навчальна мета

Зі зростанням кількості щілин максимуми яскравості інтенсивніші й чіткіше виражені, проте їхнє розташування лишається незалежним від кількості щілин.

Крім того, між двома сусідніми головними максимумами лежать щоразу побічних максимумів і мінімумів.

Завдання

• Спостереження інтерференційних картин на екрані.
• Визначення впливу взаємодії кількох щілин на утворювані інтерференційні картини.

При дифракції світла на однакових щілинах, розташованих регулярно, інтерферують не лише промені, дифраговані на окремій щілині системи, а й усі пучки променів, дифраговані на решті щілин, між собою. Рисунок ліворуч наочно показує на прикладі ситуацію на 4-кратній щілині.

Спочатку розглядають інтерференцію пучків променів і , які виходять із двох сусідніх щілин і щоразу відповідають системі подвійної щілини. Гомологічні промені цих дифрагованих пучків мають різницю ходу. Якщо вона становить , причому має бути парним числом, то виникає яскравість. З іншого боку, панує темрява, коли непарне.

Тепер додатково інтерферують між собою пучки променів і .

Ці пучки променів мають різницю ходу .

Вони інтерферують конструктивно і створюють яскраві світлові точки, коли є парним кратним половини довжини хвилі, і гасяться, коли є непарним числом.

Взаємодія всіх пучків променів веде до інтерференційної картини, яка складається з чітко виражених головних максимумів, між якими щоразу лежать 2 слабші за інтенсивністю побічні максимуми.

Загалом справджується: якщо дифракційна система складається з -щілин, то між двома сусідніми головними максимумами лежать щоразу побічних максимумів і мінімумів. Якщо конструктивно накладаються -променів з амплітудою , то інтенсивність відповідного максимуму яскравості становить .

Обов'язково слід стежити за тим, щоб не дивитися 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 багатократної щілини, можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції, яка вказує на хвильову природу світла. Побутовий приклад дифракції на ґратках - відблиски світла, які виникають на компакт-диску.

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

Схема установки

1. Вивчи дифракційні картини, які створюють 2, 3, 4 або 5 однаково широких щілин (багатократні щілини).

2. Порівняй дифракційну картину ґратки з дифракційними картинами багатократних щілин.

Схема установки

Установку досліду складають так, як показано на рисунку.

Позначки ковзних опор, на яких закріплено складники, мають на оптичній лаві такі положення:

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

Циліндрична опора з екраном міститься на відстані від діафрагми з подвійними щілинами.

Детальний вигляд

Діафрагму з багатократними щілинами вставляють у тримач пластин. Увімкни блок живлення лазера.

Багатократні щілини по черзі вводять у хід променів так, щоб щілини були повністю освітлені (див. наступну сторінку) . Може статися, що переріз променя діодного лазера не круглий, а овальний, причому довга вісь овала стоїть вертикально. Щоб усе-таки повністю освітити багатократну щілину, у таких випадках ставлять діафрагму з горизонтально розташованими щілинами, що, однак, спричиняє те, що дифракційні картини йдуть незвично - вертикально.

Познач головні та побічні максимуми

• Вивчи дифракційні картини щодо можливих побічних максимумів і мінімумів інтерференції, які виникають між максимумами яскравості, що їх називають головними максимумами.
• Полічи головні максимуми, побічні максимуми і мінімуми та занеси результати в таблицю. Познач інтенсивність як велика, середня, мала або дуже мала і також занеси це в таблицю.

Схема установки зі вставленим шматком картону

Для порівняння насамкінець досліджують інтерференційну картину ґратки. Щоб побачити поведінку різної кількості щілин за однакової сталої ґратки, за допомогою двох смужок картону, які всувають у тримач пластин перед ґраткою, змінюють площу перерізу лазерного променя.

• Закрий ґратку двома світлонепроникними смужками картону так, щоб спершу лишалася відкритою широка ділянка ґратки, симетрична відносно оптичної осі.

Схема установки зі вставленим шматком картону

• Рівномірно посувай обидві світлонепроникні смужки картону до оптичної осі і так зменшуй використовувану ділянку ґратки. У такий спосіб зменшується кількість освітлених дифракційних щілин.
• Опиши письмово зміни дифракційної картини. Наостанок вимкни блок живлення.