Умова когерентності

Схема установки

Хоча наше повсякдення супроводжує світло, явища інтерференції все ж виникають не завжди. Це пов'язано з тим, що світлові хвилі спершу мають задовольняти умову когерентності, щоб можна було спостерігати інтерференцію.

Попередні знання

Для цього досліду учням не потрібні особливі попередні знання.

Принцип

Чи можуть світлові хвилі, які накладаються, ще й інтерферувати, залежить від того, когерентні вони чи ні. Умову, яку треба виконати, щоб існувала когерентність, можна подати у виглядіd · sin ε << λ або d · D/a << λ.

Навчальна мета

Мета першого досліду - перевірка умови когерентності для червоного світла.

У другому досліді учні мають переконатися, що довгохвильове світло за однакової протяжності джерела світла виконує умову когерентності легше, ніж короткохвильове.

Завдання

Учні мають дослідити, яку ширину d повинна мати світна щілина, щоб при дифракції червоного світла на потрійній щілині побічні максимуми інтерференції ще тільки-но з'являлися або зникали. Після цього вони мають дослідити, чи призводить зелене або синє світло за визначеної ширини щілини dтакож до інтерференції.

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. Проте хоча світло має хвильові властивості, які виявляються в явищах інтерференції, у повсякденні їх не завжди можна спостерігати. Тому в цьому досліді досліджують, за якої умови світло може інтерферувати.

Дослід 1

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

Рисунок 1

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

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

• Всунь червоний фільтр в інше гніздо освітлювача (рис. 7).
• Постав лінзу з f = +50 мм на позначці 6 см на оптичну лаву (рис. 8).

Рисунок 7

• Насади приблизно на 9,5 см оправу зі шкалою з насадженою регульованою щілиною (рис. 9).
• Розмісти одну з лінз з f = +300 мм на позначці 40 см, а другу - на кінці оптичної лави (рис. 10).

Рисунок 9

• Постав між цими лінзами ковзну опору з тримачем пластин (рис. 11).
• Постав на стіл другу ковзну опору з іншим тримачем пластин і оптикою спостереження приблизно за 30 см від крайньої правої лінзи (рис. 12).

Рисунок 11

• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкни блок живлення (рис. 13).
• Переміщуй оптику спостереження вздовж оптичної осі, доки зображення світної щілини, яке спостерігаєш, не стане чітким.
• За потреби на короткий час знизь напругу на освітлювачі до 6 В, щоб уникнути засліплення під час наведення зображення на різкість.

Рисунок 14

• Всунь діафрагму з багатократними щілинами в одне з гнізд тримача пластин, що стоїть між лінзами з f = +300 мм (рис. 14).
• Посунь потрійну щілину (n = 3) на оптичну вісь і затули інші багатократні щілини чорним картоном.
• Закрий світну щілину.

Рисунок 15

• Спостерігай крізь оптику спостереження за дифракційними картинами, які виникають при повільному відкриванні світної щілини; звертай при цьому увагу насамперед на побічні максимуми (по одному з кожного боку), які видно між головним максимумом 0-го порядку і головними максимумами 1-го порядку (пор. рис. 15).
• За потреби відюстуй: паралельність світної щілини і потрійної щілини; рівномірне (симетричне щодо оптичної осі) освітлення потрійної щілини.
• Відкривай світну щілину дедалі більше, доки побічні максимуми щойно перестануть бути помітними.

Рисунок 15

• Вказівка: щоб з більшою точністю визначити ширину d світної щілини, за якої побічні максимуми щойно перестають - або ще не починають - бути видимими, слід d знову трохи зменшити, а потім знову збільшити, і повторити це кілька разів.
• Ширину щілини d і положення оптики спостереження надалі не змінюй.
• Виміряй і запиши відстань a світної щілини від першої лінзи з f = +300 мм.

Рисунок 16

• Для визначення ширини щілини d зміни установку так:
• Прибери обидві лінзи з f = +300 мм і тримач пластин з багатократними щілинами; постав лінзу з f = +100 мм приблизно на 22 см (рис. 16).
• Переміщуй лінзу з f = +100 мм доти, доки в площині спостереження вимірювальної оптики не виникне чітке зображення світної щілини.

Рисунок 16

• Виміряй і запиши ширину d' зображення щілини.
• Виміряй і запиши відстань до зображення b (відстань зображувальна лінза - площина спостереження), а також відстань до предмета g (відстань щілина - зображувальна лінза).
• Вимкни блок живлення.