Дифракція на ґратці

Схема установки

Дифракція світла, хоч її і не завжди можна спостерігати, трапляється в побуті практично всюди - зокрема й на таких об'єктах, як ґратка.

Цим дослідом створюють належні умови для того, щоб хвильова природа світла стала видимою під час проходження крізь ґратку. 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 ґратку, він на ній дифрагує. За принципом Гюйгенса пучок світла, що надходить, розуміють як хвильовий фронт, причому кожна точка цього фронту є вихідною точкою нової хвилі - так званої елементарної хвилі. Окремі елементарні хвилі накладаються, і завдяки когерентності виникає інтерференційна картина.

Навчальна мета

Експериментуючи з пропускними ґратками, які мають дуже різні сталі ґратки, учні мають зрозуміти, як ці сталі впливають на інтерференційні картини.

Завдання

Учні мають, використовуючи пропускні ґратки з різними сталими ґратки g, дослідити зв'язок між g і відстанню d між інтерференційними смугами.

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

Сонце як природне джерело світла

Світлом називають видиму для людини частину електромагнітного спектра. На об'єктах дифракції, як-от ґратка, 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 й досліджують у цьому досліді.

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

Рисунок 1

• Склади освітлювач за рисунками 3 і 4 та затисни його в лівій частині штативної основи так, щоб він був повернутий боком із лінзою від оптичної лави (рис. 5).
• Насунь світлонепроникну діафрагму перед лінзою освітлювача (рис. 6).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

• Постав лінзу з f = +50 мм на позначці 6 см на оптичну лаву (рис. 7).

• Встав регульовану щілину (світну щілину) у тримач діафрагм (рис. 8, рис. 9) і закріпи його на оправі зі шкалою (рис. 10).
• Встанови оправу зі шкалою на позначці 9,5 см (рис. 11).

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

• Розмісти одну з лінз із f = +300 мм приблизно на позначці 40 см, а другу - на крайньому кінці оптичної лави (рис. 12).
• Постав між цими двома лінзами тримач пластин на ковзній опорі (рис. 13).

Рисунок 12

• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкни блок живлення (рис. 14).
• Постав другу ковзну опору з тримачем пластин і спостережною оптикою (вимірювальною лупою) на стіл приблизно за 30 см від оптичної лави (рис. 15).
• Пересувай спостережну оптику вздовж оптичної осі, доки світна щілина не буде на ній різко зображена.

Рисунок 14

• Встанови ґратку з 4 штрихами/мм (g = 0,25) на тримач пластин (рис. 16).
• Відрегулюй схему досліду: постав світну щілину паралельно до штрихів ґратки; встанови оптимальну ширину світної щілини, щоб інтерференційні картини були різкими, але й достатньо яскравими.
• Розглянь інтерференційну картину.

Рисунок 16

• Всунь червоний фільтр у гніздо освітлювача (рис. 17).
• Визнач відстань d між інтерференційними смугами; для цього виміряй відстань n-ї смуги від середини і поділи її на n.
• Запиши результат вимірювання.

• Не змінюючи схеми досліду, вийми червоний фільтр і візьми тепер ґратку з 8 штрихами/мм (g= 0,125 мм): розглянь інтерференційну картину; потім знову всунь червоний фільтр і виміряй d.
• Так само зроби з ґраткою, яка має 10 штрихів/мм.
• Насамкінець встав ґратку з 80 штрихами/мм, використовуй при цьому екран замість спостережної оптики (рис. 18) і виміряй d лінійкою.

Рисунок 17

• Вимкни блок живлення.
• Виміряй відстань e площини спостереження від середини правої лінзи і запиши результат.
• Опиши письмово інтерференційну картину для білого світла та її зміни при використанні різних ґраток.

Рисунок 17

Рисунок 18