Дифракція на круглих отворах

Схема установки

Дифракція світла, хоча її не завжди можна спостерігати, трапляється практично всюди в повсякденні, зокрема й на таких об'єктах, як круглий отвір.

Цей дослід створює відповідні умови, щоб хвильова природа світла стала видимою при проходженні крізь круглий отвір. Це явище можна пояснити хвильовою моделлю світла за Гюйгенсом.

Попередні знання

Для цього досліду учням потрібні знання про інтерференційну картину при дифракції на вузькій щілині чи перешкоді.

Принцип

При дифракції світла на круглому отворі виникають інтерференційні картини, які мають вигляд концентричних кіл. 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

Учні мають на основі своїх знань про дифракцію на вузькій щілині чи перешкоді передбачити, яку структуру матиме інтерференційна картина, і перевірити це в досліді.

Завдання

Учні мають дослідити інтерференційні картини, що виникають при дифракції світла на круглому отворі малого діаметра. За їх допомогою слід визначити довжину хвилі червоного світла.

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. За допомогою дифракційних об'єктів, наприклад круглого отвору, можна спостерігати особливе явище світла - здатність до інтерференції, - яке вказує на хвильовий характер світла.

Залежно від того, яку форму мають дифракційні об'єкти, відповідно змінюються й інтерференційні картини.

• Виготов діафрагму (50 x 50 мм) з круглим отвором діаметром приблизно 0,1 мм посередині.
• 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 з лінзою від оптичної лави (рис. 5).
• Всунь 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 (рис. 7).
• Насади тримач діафрагм із власноруч виготовленою діафрагмою (рис. 8) на оправу.

Рисунок 7

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

Рисунок 9

• Постав між цими лінзами тримач пластин на ковзній опорі (рис. 11).
• Постав другу ковзну опору з тримачем пластин і спостережною оптикою приблизно за 30 см від оптичної лави (рис. 12).

Рисунок 11

• Під'єднай освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкни блок живлення (рис. 13).
• Введи спостережну оптику в оптичну вісь і пересувай її вздовж оптичної осі так, щоб отвір діафрагми, який слугує джерелом світла, різко відображався в площині спостереження.

Рисунок 14

• Тепер закріпи в тримачі пластин між лінзами з f = +300 мм діафрагму з отвором d = 0,4 мм так, щоб отвір був освітлений рівномірно й симетрично. (рис. 14).
• Поспостерігай і опиши дифракційну картину.

Рисунок 15

• Всунь червоний світлофільтр у вільне гніздо освітлювача (рис. 15).
• Поспостерігай і опиши дифракційні картини.
• Виміряй середній діаметр першого мінімуму інтенсивності і, за можливості, також діаметр другого мінімуму .
• Запиши результат.

Рисунок 15

• Виміряй і запиши відстань e площини спостереження від правої лінзи з f = +300 мм.
• Заміни діафрагму з d = 0,4 мм діафрагмою з d = 1 мм і поспостерігайте дифракційну картину; тепер заміни діафрагму з d = 0,1 мм на діафрагму з d = 0,4 мм, а також діафрагму з d = 1 мм на діафрагму з d = 0,1 мм.
• Поспостерігай і запиши дифракційну картину та вимкни блок живлення.