Визначення довжини хвилі за дифракцією на ґратці

Схема досліду

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

Ці досліди слугують передусім вправлянню у визначенні довжин хвиль за дифракцією на оптичних пропускних ґратках.

Інші цілі - виробити уявлення про порядок величини довжин хвиль видимої частини спектра, а також усвідомити, що в дослідах із визначення довжини хвилі відфільтрованого світла зазвичай доводиться закладати значний допуск, якщо йдеться не про дорогі спеціальні фільтри на визначені довжини хвиль.

Завдання

Учні мають за дифракцією на пропускній ґратці визначити межові довжини хвиль кольорів видимого спектра, а для червоного, зеленого і синього фільтрів - відповідну смугу пропускання.

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 як за нею визначити довжину хвилі світла? Ці питання й досліджують у цьому досліді.

• Склади оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної штативної основи та приклади масштабну лінійку (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 лінзу 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).

• Настроми тримач діафрагм із регульованою щілиною (світна щілина) на тримач діафрагм і встанови оправу зі шкалою на позначці 9,5 см (рис. 8).
• Встанови одну лінзу з f = +300 мм на позначці 40 см, а другу лінзу - на крайньому правому кінці (рис. 9).

Рисунок 8

Рисунок 9

• Встанови лінзу з f = +100 мм із самого правого краю так, щоб вона була повернута передньою стороною від оптичної лави, праворуч (рис. 10).
• Розташуй тримач пластин на ковзній опорі ліворуч, щільно біля лінзи з f= +100 мм, так, щоб пружини були повернуті до лінзи - тоді ґратку згодом можна буде тримати якомога ближче до цієї лінзи (рис. 11).

Рисунок 10

• Постав тримач пластин зі спостережною оптикою на ковзній опорі якомога ближче праворуч від оптичної лави (рис. 12); для цього вкрути накатний гвинт правої частини змінної штативної основи до кінця.

• Трохи посунь спостережну оптику, доки світна щілина не буде різко зображена на площині спостереження.
• Всунь ґратку з 80 штрихами/мм (g = 0,0125 мм) у праву оправу тримача пластин перед лінзою з f = +100 мм (рис. 14).

Рисунок 13

• Відрегулюй схему досліду: світна щілина паралельна до штрихів ґратки; оптимальна ширина світної щілини - така, щоб інтерференційна картина не засвічувалася, але була різкою і достатньо яскравою.
• Виміряй спостережною оптикою відстань до ще ледь видимого червоного і відстань до ще ледь видимого фіолетового від максимуму яскравості 0-го порядку (рис. 15).
• Виміряй відстань e між серединою лінзи з f = +100 мм і площиною спостереження (рис. 15) та запиши виміряні значення.

• Всунь червоний фільтр у гніздо освітлювача (рис. 16) і виміряй спостережною оптикою відстань до зовнішньої та відстань до внутрішньої межі дифракційної смуги 1-го порядку від максимуму яскравості 0-го порядку.
• Назви діапазон кольорів і запиши виміряні значення.
• Виконай вимірювання також для зеленого фільтра і синього фільтра.
• Вимкни блок живлення.

Рисунок 17