Дифракція на системі круглих отворів однакового діаметра

Схема установки

Дифракція світла, хоча її й 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 виявилася через дифракцію на системі круглих отворів однакового діаметра. Це явище можна пояснити хвильовою моделлю світла за Гюйгенсом.

Попередні знання

Учням буде перевагою, якщо вони вже мають досвід із дифракцією на штриховій ґратці - системі рівновіддалених, однаково широких щілин - щоб мати змогу провести аналогії з цим дослідом.

Принцип

Усі круглі отвори дають ту саму дифракційну картину, бо мають (приблизно) однакові діаметри. Через накладання всіх цих дифракційних картин виникають концентричні кола, які й спостерігають у досліді і діаметри яких за інших незмінних умов досліду залежать від довжини хвилі використаного світла; у цих колах відображається розташування отворів.

Навчальна мета

Учні мають усвідомити, що за аналогією до дифракції на штриховій ґратці - системі рівновіддалених, однаково широких щілин - дифракція виникає також на системі рівновіддалених круглих отворів однакового діаметра.

Завдання

Учні мають спрямувати вузький пучок світла круглого перерізу на діафрагму, у якій пробито однакові за розміром отвори малого діаметра. Далі вони мають дослідити дифракційні явища, що виникають, коли отвори розташовані, з одного боку, регулярно, а з другого - нерегулярно. Після цього вони мають за допомогою дифракційних картин визначити діаметр отворів.

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

Сонце як природне джерело світла

Світлом називають видиму для людини ділянку електромагнітного спектра. За допомогою дифракційних об'єктів, як-от системи круглих отворів, 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.

• 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 (рис. 7).
• Надінь на оправу тримач діафрагм із діафрагмою 1, яка має лише один отвір (d ≈ 0,1 мм) (рис. 8).

Рисунок 7

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

Рисунок 9

• Постав між цими лінзами тримач пластин на рейтері (рис. 11).
• Постав другий рейтер із 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).
• Пересувай спостережну оптику, доки зображення отвору діафрагми не стане різким у площині спостереження; за потреби відюстуй діафрагму з отвором і освітлювач, щоб оптична вісь була забезпечена для всієї установки.

Рисунок 14

• Встав у тримач пластин, що стоїть між лінзами, діафрагму, отвори якої розташовані на прямій (діафрагма 2) (рис. 14).
• Розглянь зображення крізь спостережну оптику й опиши його.
• Встав замість діафрагми 2 діафрагму 3, отвори якої розташовані у квадратній сітці.
• Розглянь і опиши зображення та порівняй його з попереднім зображенням.

Рисунок 14

• Наостанок заміни діафрагму 3 діафрагмою 4 з нерегулярно розташованими отворами.
• Розглянь і опиши зображення та порівняй його з попередніми зображеннями.
• Для визначення діаметрів отворів знову вибери діафрагму 3 і насунь червоний фільтр у гніздо освітлювача.

Рисунок 14

• Виміряй діаметр першого темного кола (1-й мінімум інтенсивності) і - якщо можливо - також другого, тобто .
• Виміряй відстань між спостережною оптикою та лінзою на правому кінці оптичної лави.
• Вимкни блок живлення.