Лабораторна робота № 13 «спостереження інтерференції і дифракції світла»
Лабораторна робота № 13
Тема: «Спостереження інтерференції і дифракції світла»
Мета роботи: експериментально вивчити явище інтерференції і дифракції.
Обладнання: електрична лампа з прямою ниткою розжарення (одна на клас), дві скляні пластинки, скляна трубка, стакан з розчином мила, кільце дротове з ручкою діаметром 30 мм. компакт-диск, штангенциркуль, капронова тканина.
Інтерференція - явище характерне для хвиль будь-якої природи: механічних, електромагнітних.
Інтерференція хвиль - додавання в просторі двох (або декількох) хвиль, при якому в різних його точках виходить посилення або ослаблення результуючої хвилі.
Зазвичай інтерференція спостерігається при накладенні хвиль, випущених одним і тим же джерелом світла, що прийшли в цю точку різними шляхами. Від двох незалежних джерел неможливо отримати інтерференційну картину, тому що молекули або атоми випромінюють світло окремими цугамі хвиль, незалежно один від одного. Атоми випускають обривки світлових хвиль (цуги), в яких фази коливань випадкові. Цуги мають довжину близько 1метра. Цуги хвиль різних атомів накладаються один на одного. Амплітуда результуючих коливань хаотично змінюється з часом так швидко, що око не встигає цю зміну картин відчути. Тому людина бачить простір рівномірно освітленим. Для утворення стійкої інтерференційної картини необхідні когерентні (узгоджені) джерела хвиль.
Когерентниміназиваются хвилі, що мають однакову частоту і постійну різницю фаз.
Амплітуда результуючого зміщення в точці С залежить від різниці ходу хвиль на відстані d2 - d1.
(Різниця ходу хвиль дорівнює парним числом напівхвиль)
Хвилі від джерел А і Б прийдуть в точку С в однакових фазах і "посилять один одного".
Δφ = 0 - різниця фаз
А = 2Хmax - амплітуда результуючої хвилі.
(Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу півхвиль)
Хвилі від джерел А і Б прийдуть в точку С в протифазі і "погасять один одного".
Δφ = π - різниця фаз
А = 0 - амплітуда результуючої хвилі.
Інтерференційна картина - регулярне чергування областей підвищеної та низької інтенсивності світла.
Інтерференція світла - просторове перерозподіл енергії світлового випромінювання при накладенні двох або декількох світлових хвиль.
Внаслідок дифракції світло відхиляється від прямолінійного поширення (наприклад, поблизу країв перешкод).
Дифракція - явище відхилення хвилі від прямолінійного поширення при проходженні через малі отвори і обгинанні хвилею малих перешкод.
Умова прояви дифракції. d <λ. где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.
Існування цього явища (дифракції) обмежує сферу застосування законів геометричної оптики і є причиною межі роздільної здатності оптичних приладів.
Дифракційна решітка - оптичний прилад, що представляє собою періодичну структуру з великого числа регулярно розташованих елементів, на яких відбувається дифракція світла. Штрихи з певним і постійним для даної дифракційної решітки профілем повторюються через однаковий проміжок d (період решітки). Здатність дифракційної решітки розкладати падаючий на неї пучок світла по довжинах хвиль є її основною властивістю. Розрізняють відбивні і прозорі дифракційні решітки. У сучасних приладах застосовують в основному відбивні дифракційні решітки.
Умова спостереження дифракційного максимуму:
d · sinφ = k · λ, де k = 0; ± 1; ± 2; ± 3; d - період решітки, φ - кут, під яким спостерігається максімуі, а λ - довжина хвилі.
З умови максимуму слід sinφ = (k · λ) / d.
Тому фіолетовий колір в дифракційному спектрі розташовується ближче до центру.
У явищах інтерференції і дифракції світла дотримується закон збереження енергії. В області інтерференції світлова енергія тільки перерозподіляється, не перетворюючись на інші види енергії. Зростання енергії в деяких точках інтерференційної картини щодо сумарної світлової енергії компенсується зменшенням її в інших точках (сумарна світлова енергія - це світлова енергія двох світлових пучків від незалежних джерел). Світлі смужки відповідають максимумів енергії, темні - мінімумам.
Досвід 1. Опустіть дротове кільце в мильний розчин. На дротовому кільці виходить мильна плівка.
Розмістіть її вертикально. Спостерігаємо світлі і темні горизонтальні смуги, що змінюються по ширині по мірі зміни товщини плівки
Пояснення. Поява світлих і темних смуг пояснюється інтерференцією світлових хвиль, відбитих від поверхні плівки. трикутник d = 2h. Різниця ходу світлових хвиль дорівнює подвоєною товщині плівки. При вертикальному розташуванні плівка має клиноподібну форму. Різниця ходу світлових хвиль у верхній її частині буде менше, ніж у нижній. У тих місцях плівки, де різниця ходу дорівнює парним числом напівхвиль, спостерігаються світлі смуги. А при непарному числі напівхвиль - темні смуги. Горизонтальне розташування смуг пояснюється горизонтальним розташуванням ліній рівної товщини плівки.
Висвітлюємо мильну плівку білим світлом (від лампи). Спостерігаємо забарвленість світлих смуг в спектральні кольори: вгорі - синій, внизу - червоний.
Пояснення. Таке фарбування пояснюється залежністю положення світлих смуг про довжини хвиль падаючого кольору.
Спостерігаємо також, що смуги, розширюючись і зберігаючи свою форму, переміщаються вниз.
Пояснення. Це пояснюється зменшенням товщини плівки, так як мильний розчин стікає вниз під дією сили тяжіння.
Досвід 2. За допомогою скляної трубки видуйте мильна бульбашка і уважно розгляньте його. При висвітленні його білим світлом спостерігайте освіту кольорових інтерференційних кілець, забарвлених в спектральні кольори. Верхній край кожного світлого кільця має синій колір, нижній - червоний. У міру зменшення товщини плівки кільця, також розширюючись, повільно переміщаються вниз. Їх кільцеподібну форму пояснюють кільцеподібної формою ліній рівної товщини.
Дайте відповідь на питання:
- Чому мильні бульбашки мають райдужну забарвлення?
- Яку форму мають райдужні смуги?
- Чому забарвлення міхура весь час змінюється?
Досвід 3. Ретельно протріть дві скляні пластинки, складіть разом і стисніть пальцями. Через неідеальної форми дотичних поверхонь між пластинками утворюються найтонші повітряні порожнечі.
При відображенні світла від поверхонь пластин, що утворюють зазор, виникають яскраві райдужні смуги - кільцеподібні або неправильної форми. При зміні сили, що стискає пластинки, змінюються розташування і форма смуг. Замалюйте побачені вами картинки.
Пояснення: Поверхні пластинок не можуть бути абсолютно рівними, тому стикаються вони тільки в декількох місцях. Навколо цих місць утворюються найтонші повітряні клини різної форми, що дають картину інтерференції. У світлі умова максимуму 2h = kl
Дайте відповідь на питання:
- Чому в місцях зіткнення пластин спостерігаються яскраві райдужні кільцеподібні або неправильної форми смуги?
- Чому зі зміною натиску змінюються форма і розташування інтерференційних смуг?
Дослід 4. Розгляньте уважно під різними кутами поверхню компакт-диска (на яку проводиться запис).
Пояснення. Яскравість дифракційних спектрів залежить від частоти нанесених на диск борозенок і від величини кута падіння променів. Майже паралельні промені, які падають від нитки лампи, відбиваються від сусідніх опуклостей між борозенками в точках А і В. Промені, відбиті під кутом рівним куту падіння, утворюють зображення нитки лампи у вигляді білої лінії. Промені, відбиті під іншими кутами мають деяку різницю ходу, внаслідок чого відбувається складання хвиль.
Що ви спостерігаєте? Поясніть явища, що спостерігаються. Опишіть интерференционную картину.
Поверхня компакт-диска являє собою спіральну доріжку з кроком порівнянним з довжиною хвилі видимого світла. На мелкоструктурной поверхні виявляються дифракційні і інтерференційні явища. Відблиски компакт-дисків мають райдужну забарвлення.
Досвід 5. Зрушуємо повзунок штангенциркуля до освіти між губками щілини шириною 0,5 мм.
Приставляє скошену частину губок впритул до ока (розташовуючи щілину вертикально). Крізь цю щілину дивимося на вертикально розташовану нитка палаючої лампи. Спостерігаємо по обидва боки від нитки паралельні їй райдужні смужки. Змінюємо ширину щілини в межах 0,05 - 0,8 мм. При переході до більш вузьким щілинах смуги розсуваються. стають ширшими і утворюють помітні спектри. При спостереженні через найширшу щілину смуги дуже вузькі і розташовуються близько одна до одної. Замалюйте в зошит побачену картину. Поясніть явища, що спостерігаються.
Досвід 6. Подивіться крізь капронову тканину на нитку палаючої лампи. Повертаючи тканину навколо осі, добийтеся чіткої дифракційної картини у вигляді двох схрещених під прямим кутом дифракції смуг.
Пояснення. У центрі краста видно дифракційну максимум білого кольору. При k = 0 різниця ходу хвиль дорівнює нулю, тому центральний максимум виходить білого кольору. Хрест виходить тому, що нитки тканини представляють собою дві складені разом дифракційні решітки зі взаємно перпендикулярними щілинами. Поява спектральних квітів пояснюється тим, що біле світло складається з хвиль різної довжини. Дифракційний максимум світла для різних хвиль виходить в різних місцях.
Замалюйте спостережуваний дифракційну хрест. Поясніть явища, що спостерігаються.
Запишіть висновок. Вкажіть, в яких з пророблених вами дослідів спостерігалося явище інтерференції, а в яких дифракції.
- Що таке світло?
- Ким було доведено, що світло - це електромагнітна хвиля?
- Що називають інтерференцією світла? Які умови максимуму і мінімуму при інтерференції?
- Чи можуть интерферировать світлові хвилі йдуть від двох електричних ламп розжарювання? Чому?
- Що називають дифракцією світла?
- Чи залежить стан головних дифракційних максимумів від числа щілин решітки?