Спектральна роздільна здатність ґратки

Схема досліду

Оптичні прилади слугують для того, щоб збільшувати малі або далеко розташовані предмети, аби можна було спостерігати більше подробиць. Проте кожен прилад розділяє розглядуваний предмет по-різному - залежно від принципу дії та будови. Щоб прилади можна було порівнювати між собою, існують критерії, які точніше визначають роздільну здатність.

Попередні знання

Учням буде корисно, якщо вони вже знайомі з явищем дифракції світла.

Принцип

Коли пучок світла падає на оптичну ґратку, він дифрагує і утворює за нею інтерференційну картину, що пояснюється принципом Гюйгенса. При цьому два дифракційні максимуми 0-го порядку ще саме розрізняються між собою тоді, коли виконано критерій Релея. Цей критерій стверджує, що відстань між дифракційними максимумами 0-го порядку не може бути меншою за половину відстані між дифракційними мінімумами 1-го порядку.

Навчальна мета

Учні мають у цьому досліді зрозуміти, як кількість щілин ґратки і порядок дифракційного спектра впливають на спектральну роздільну здатність ґратки.

Завдання

Учні мають дослідити, як роздільна здатність ґратки залежить від кількості задіяних щілин ґратки і від порядку дифракційного спектра.

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

Мікроскоп для оптичного збільшення

Щоб можна було розпізнавати й відображати далеко розташовані або дуже малі предмети, вдаються до оптичних приладів. Їхнє завдання в принципі полягає в тому, щоб збільшити кут зору. Проте при цьому треба зважати, що світло має хвильові властивості. Тому виникають дифракційні явища, які погіршують роздільну здатність і які треба враховувати.

• Складіть оптичну лаву з двох штативних стрижнів і змінної штативної основи та прикладіть масштабну лінійку (рис. 1 і рис. 2).

Рисунок 1

• Складіть освітлювач за рисунками 3 і 4.
• Затисніть освітлювач у лівій частині штативної основи так, щоб він був повернутий боком із лінзою від оптичної лави (рис. 5).
• Насуньте світлонепроникну діафрагму перед лінзу освітлювача (рис. 6).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

• Встановіть лінзу з f = +50 мм на позначці 5,5 см на оптичну лаву (рис. 7).
• Розмістіть оправу зі шкалою на позначці 10 см і настроміть тримач діафрагм із регульованою щілиною на оправу (рис. 8).

Рисунок 7

• Встановіть одну лінзу з f = +300 мм на позначці 30 см, другу - на позначці 37 см, а тримач пластин - на позначці 34,5 см (рис. 9).
• Поставте ковзну опору з тримачем пластин і спостережною оптикою приблизно за 50 см праворуч від оптичної лави.
• Всуньте червоний фільтр у гніздо освітлювача (рис. 10).

Рисунок 9

• Приєднайте освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкніть блок живлення (рис. 11).
• Різко зобразіть щілину на площині спостереження, посуваючи спостережну оптику вздовж оптичної осі.
• Встановіть ширину щілини так, щоб зображення щілини було завширшки приблизно 0,2 мм.

• Вставте діафрагму з багатократними щілинами в тримач пластин на позначці 34,5 см (рис. 12) і виведіть спершу 2-кратну щілину на оптичну вісь.
• Затуліть інші багатократні щілини заслінками з чорного картону (приблизно 50 x 50 мм) і опишіть дифракційну картину.

• Замість 2-кратної щілини вводьте почергово в хід променів 3-кратну, 4-кратну і 5-кратну щілини, а наостанок - ґратку; розгляньте й опишіть відповідні дифракційні картини, звертаючи увагу на яскравість і ширину дифракційних смуг.
• Запишіть спостереження.
• Вимкніть блок живлення.