Az interferencia és a fénydiffrakció jelenségeinek megfigyelése

A lecke célja:

• generalizálják a tudást a "Fény interferenciája és diffrakciója" témakörében;
• folytassa a hallgatók kísérleti készségeinek és készségeinek fejlesztését;
• alkalmazza az elméleti tudást a természet jelenségeinek magyarázatára;
• a fizika iránti érdeklődés és a tudományos ismeretek folyamatának előmozdítása;
• segítsen kibővíteni a diákok kilátásait, fejleszti azt a képességet, hogy következtetéseket vonjon le a kísérlet eredményeiről.

berendezés:

• közvetlen izzóval rendelkező lámpa (egy osztályonként);
• gyűrűs huzal, fogantyúval (munkaszám 1, 2);
• szappanos oldattal ellátott üveg (1.2.
• üveglemezek (40 x 60 mm) 2 db / készlet (munkaszám 3) (házi készítésű);
• féknyereg (munkaszám 4);
• kapron ruhával (100 x 100mm, házi felszerelés, 5. munka);
• gramofonrekordok (4 és 8 stroke per 1 mm, munkaszám 6);
• kompakt lemezek (munkaszám 6);
• rovarok és madarak fotói (munkaszám 7).

I. A tudás aktualizálása a "Fény interferenciája" témában (a vizsgált anyag ismétlése).

Tanár. A kísérleti feladatok elvégzése előtt ismételjük meg a fő anyagot.

Milyen jelenséget nevezünk az interferencia jelenségének?

Milyen hullámok az interferencia jelenségei?

Adja meg a koherens hullámok meghatározását.

Írja le az interferencia maxima és minima feltételeit.

Az interferencia jelenségeiben megfigyelhető az energia megőrzésének törvénye?

Diákok (javasolt válaszok):

- Interferencia - bármilyen jellegű hullámokra jellemző jelenség: mechanikai, elektromágneses. "A hulláminterferencia két (vagy több) hullám hozzáadása a térben, amelyben a kapott hullám erősítése vagy csillapítása különböző pontokon történik". [8, p.223]

- Koherens (illeszkedő) hullámforrásokra van szükség stabil interferencia-minta kialakításához.

- A koherens hullámokat ugyanolyan gyakorisággal és állandó fázisbeli különbséggel nevezik.

- A táblára a hallgatók rögzítik a magas és alacsony szinteket.

A keletkező elmozdulás amplitúdója a C ponton függ a hullámok útvonalának d2-d1 távolságától.

1. ábra [7] - a maximumok feltételei

2. ábra [7] - a minimumok körülményei

ahol k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; ...

(a hullámok közötti különbség egyenlő a félhullámok számával)

Az S1 és S2 forrásokból származó hullámok ugyanabban a fázisban kerülnek a C pontra, és "erősítik egymást".

A = 2Xmax az eredő hullám amplitúdója.

ahol k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; ...

(a hullámok közötti különbség megegyezik a félhullámok páratlan számával)

Az S1 és S2 forrásokból származó hullámok a C pontban fognak megjelenni az antiphase-ban és "egymásnak törölni".

A = 0 a keletkező hullám amplitúdója.

Az interferencia minta a nagy és alacsony fényerősségű területek rendszeres váltakozása.

- A fény interferenciája - a fénysugár energiájának térbeli újraelosztása, ha két vagy több fényhullám egymásra helyezkedik.

Következésképpen a fény interferenciájának és diffrakciójának jelenségében megfigyelhető az energia megőrzésének törvénye. Az interferencia területén a fényenergiát csak továbbadják, anélkül, hogy más típusú energiává válnának. Az interferencia mintának a teljes fényenergiához viszonyított energia-növekedését kompenzálják, ha más pontokon csökken (a teljes fényenergia a két független fényforrásból származó fénysugár fényenergiája).

A fénysávok az energiamennyiségnek felelnek meg, a sötét sávok a legkisebbeknek felelnek meg.

Tanár. Menjünk át a lecke gyakorlati részébe.

Kísérleti munka №1

"A fény beavatkozásának jelensége a szappanfilmre".

Berendezés: szemüveg szappannal, drótgyűrűk 30 mm átmérőjű fogantyúval. (lásd a 3. ábrát)

A diákok egy sötét osztályban interferenciát figyelnek egy lapos szappanfilmmel monokromatikus megvilágítás alatt.

A drótgyűrűn szappanfilmet kapunk, és függőlegesen helyezzük el.

Figyelembe vesszük a világos és sötét vízszintes sávokat, amelyek szélessége változó, mivel a film vastagsága megváltozik (lásd a 4. ábrát).

Magyarázat. A fény és a sötét sávok megjelenését a film felületéről visszaverődő fénysávok interferenciájával magyarázzák. háromszög d = 2 óra

A fényhullámok útjának különbsége megegyezik a film vastagságának kétszeresével.

Függőleges elrendezéssel a film ék alakú. A felső részben a fényhullámok útja közötti különbség kisebb lesz, mint az alsó résznél. A film azon helyeiben, ahol az ösvénykülönbség egyenlő a félhullámok számával, világos sávok figyelhetők meg. És egy páratlan félhullámú számnál vannak fényes zenekarok. A sávok vízszintes elrendezését egyenlő filmvastagságú vonalak vízszintes elrendezése magyarázza [9].

4. Fehér fényt világítunk a lámpából.

5. Figyelje a fénysávok színét a spektrális színekben: a felső kék, alul - piros.

Magyarázat. Ezt a színezést a fénysávok helyzetének függvénye adja az incidens színének hullámhosszán.

6. Azt is megfigyeljük, hogy a szalagok, amelyek kiterjednek és megtartják alakjukat, lefelé mozognak.

Magyarázat. Ennek oka a film vastagságának csökkenése, mivel a szappanoldat a gravitáció hatására lecsökken.

Kísérleti munka száma 2

"A fény beavatkozása a szappanbuborékra".

1. A diákok fújják a buborékokat (lásd az 5. ábrát).

2. Megfigyeljük a felső és alsó részeken spektrális színekkel színezett interferencia gyűrűket. Minden fénygyűrű felső szélén kék, az alsó él piros. Ahogy a film vastagsága csökken, a gyűrűk is bővülnek, lassan lefelé mozognak. A gyűrű alakját az egyenlő vastagságú gyűrű alakja magyarázza [9].

Kísérleti munka száma 3.

"A fény beavatkozása a légfilmre"

A diákok tiszták az üveglapokat, és összeszorítják az ujjaikat (lásd a 6. ábrát).

A lemezeket sötét háttérrel visszavert fényben látják.

Néhány helyen megfigyeljük a fényes, irizáló gyűrűs vagy zárt szabálytalan alakú sávokat.

Változtassa meg a nyomást és figyelje meg a sávok elrendezésének és alakjának változását.

Tanító: A megfigyelések ebben a munkában egyéni jellegűek. Rajzoljon be egy interferencia mintát, amelyet megfigyel.

Magyarázat: A lemezek felülete nem lehet tökéletesen egyenletes, ezért csak néhány helyen érintkeznek. Körülbelül ezek a helyek képezik a legfinomabb levegő ékek különböző formájú, így képet interferencia. (7. ábra).

A továbbított fényben a maximális feltétel 2h = kl

Tanár: Az építkezés és a mérnöki tervezés interferenciájának és polarizációjának jelenségét az egyes szerkezeti és gépi egységekben felmerülő stresszek tanulmányozására használják. A vizsgálati módot fotóelasztikusnak nevezik. Például, amikor egy alkatrész modellje deformálódik, a szerves üveg homogenitása zavart. [7] Az interferencia mintája a belső terheléseket tükrözi (8. ábra).

II. A tudás frissítése a témában "Fénydiffrakció" (a vizsgált anyag ismétlése).

Tanár. Mielőtt elvégezzük a munka második részét, megismételjük a fő anyagot.

Milyen jelenséget nevezünk a diffrakció jelenségének?

A diffrakció megnyilvánulásának feltétele.

Diffrakciós rács, típusai és alapvető tulajdonságai.

A diffrakciós maximum megfigyelési állapota.

Miért van közelebb az ibolyaszínű szín az interferencia minta középpontjához?

Diákok (javasolt válaszok):

A diffrakció a hullámterjedés jelensége az egyenes vonalú propagációból, mikor kis lyukakon áthalad és kis hullámokat akadályoz meg.

Diffrakciós manifesztáció feltétele: d<. где d – размер препятствия, - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.

A diffrakciós rács egy olyan optikai eszköz, amely rendszeresen számos olyan rendszeresen elrendezett elem periodikus szerkezete, amelyen a fény diffrakciója történik [8]. Az adott diffrakciós rács határozott és állandó profiljához tartozó kötőjeleket ugyanazon a d intervallumon keresztül ismételjük (rácsos periódus). A diffrakciós rács képessége, hogy egy fénysugarat terjesszen rá a hullámhosszak mentén, fő tulajdonsága. Tüntesse fel a fényvisszaverő és átlátszó diffrakciós rácsokat. A modern eszközökben elsősorban a fényvisszaverő diffrakciós rácsokat használják.

A diffrakciós maximum megfigyelési feltételei:

Kísérleti munka № 4.

"Fénydiffrakció megfigyelése keskeny résen"

Berendezés: (lásd a 9. ábrát)

1. A tolózár csúszkáját mozgatjuk, hogy az ajkak között 0,5 mm széles rés legyen.
2. Az állkapcsok metszős részét a szemhez közel helyezkedjük el (a nyakot függőlegesen pozícionáljuk).
3. Ezen a nyíláson keresztül nézzük az égő lámpa függőlegesen elrendezett menetét.
4. Vegye figyelembe az izzószálak mindkét oldalán párhuzamos, irizáló csíkokat.
5. A rés szélességét 0,05 - 0,8 mm tartományban változtatjuk. Ha keskenyebb résekre mozog, a rudak egymástól távolodnak. szélesebbé válnak és megkülönböztethető spektrumokat alkotnak. Ha a legszélesebb résen keresztül figyelik, a szalagok nagyon keskenyek és egymáshoz közel helyezkednek el. [9]
6. A diákok felvázolják a notebookot a képen, amit láttak.

Kísérleti munka száma 5.

"A fénydiffrakció megfigyelése a kapronszöveten".

Berendezés: egyenes izzószálas lámpa, 100x100 mm méretű kapron anyag (10. ábra)

1. Megnézzük a nejlon ruhát az égő lámpa menetén.
2. Megfigyelünk egy "diffrakciós keresztet" (a kettős keresztmetszetű képet a diffrakciós sávok derékszögében). [9]
3. A diákok felhívják a noteszgépet a képre, amit láttak (diffrakciós kereszt).

Magyarázat. A kéreg közepén látható a fehér diffrakciós maximum. K = 0 esetén az útvonalkülönbség nulla, ezért a központi maximum fehér.

A keresztet azért kapjuk, mert a szövetszálak két, egymásra merőleges résszel rendelkező halmozott diffrakciós rácsok. A spektrális színek megjelenését azzal magyarázza, hogy a fehér fény különböző hosszúságú hullámokból áll. A különböző hullámok fényének diffrakciós maximumát különböző helyeken kapják meg. [9]

Kísérleti munkák № 6.

"A fény diffrakciójának megfigyelése egy fonográfra és egy lézerlemezre".

Berendezés: közvetlen izzóval ellátott lámpa, gramofon rögzítés (lásd a 11. ábrát)

A Gramplate jó rács.

1. A fonográfot úgy helyezzük el, hogy a hornyok a lámpa izzószálával párhuzamosan helyezkedjenek el, és a visszaverődő fényben a diffrakciót figyeljék meg.
2. Különböző megrendelések fényes diffrakciós spektrumát figyelhetjük meg.

Magyarázat. A diffrakciós spektrum fényereje a fonográfra alkalmazott hornyok frekvenciájától és a sugarak előfordulási szögének nagyságától függ. (lásd a 12. ábrát)

A lámpa izzóspiráljából származó szinte párhuzamos sugarak az A és B pontok hornyai közötti szomszédos dudorok tükrében tükröződnek. Az incidens szögével megegyező szögben visszaverődő sugarak fehér láncolat formájában képeznek. A más szögben tükrözött sugaraknak van egy bizonyos eltérési eltérése, aminek következtében a hullámok hozzá vannak adva.

Hasonlóképpen megfigyeljük a diffrakciót egy lézerlemezen. (lásd 13. ábra)

A kompaktlemez felülete egy spirális sáv, amelynek látható fényű hullámhosszúsága megegyezik. A diffrakciós és interferencia jelenségek finom szerkezetű felületen jelennek meg. A CD-k villogása szivárvány színű.

Kísérleti munkaszám 7.

"A rovarok diffrakciós színének megfigyelése a fényképekről".

Felszerelés. (lásd a 14., 15. és 16. ábrát)

Tanár. A madarak, a lepkék és a bogarak diffrakciós színezete nagyon gyakori a természetben. A diffrakciós színek árnyalataiban a pávák, a fácánok, a fekete gólyák, a hummingbirdok és a lepkék jellemzőek. Az állatok diffrakciós színezését nemcsak a biológia és a fizika vizsgálta [1].

A diákok megnézik a fotókat.

Magyarázat. A tollazat külső felületét számos madárban és a lepkék és a bogarak felső testének felső részét a szerkezet elemeinek rendszeres ismétlése jellemzi egy-néhány mikronos pre-ionnal, diffrakciós rácsot képezve [1]. Például a páva farkas tollának középső fűzőszerkezete a 14. ábrán látható. A szem színe attól függően változik, hogy a fény hogyan esik rájuk, milyen szögben nézünk rájuk. [1]

Ellenőrzési kérdések (minden diák kap egy kártyát a feladattal - válaszoljon írásban a kérdésekre):

1. Mi a könnyű?
2. Ki igazolta, hogy a fény egy elektromágneses hullám?
3. Mi a vaku sebessége vákuumban?
4. Ki fedezte fel a fény beavatkozását?
5. Mi magyarázza a vékony interferenciafilmek irizáló színét?
6. Lehet-e a két villamos izzólámpából érkező fényhullám zavarni? Miért?
7. Miért nem sötét színű olajtartalma van?
8. A fő diffrakciós maxima pozíciója függ a rácsrések számától?
9. Miért változik a szappanfilm látható irizáló színe?

Házi feladat (csoportok szerint, figyelembe véve a hallgatók egyéni jellemzőit).

- Jelentést készít a "Vavilov paradoxonról".

- A keresztrejtvényeket a "beavatkozás", a "diffrakció" kulcsszavakkal végezzük.

Kapcsolódó cikkek

• Módja a fény interferenciájának tanulmányozására