Тема: Оптика
Урок: Практическая работа по теме «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Название: «Наблюдение интерференции и дифракции света».
Цель: экспериментально изучить интерференцию и дифракцию света.
Оборудование: лампа с прямой нитью накала, 2 стеклянные пластины, проволочная рамка, мыльный раствор, штангенциркуль, плотная бумага, кусок батиста, капроновая нить, зажим.
Опыт 1
Наблюдение картины интерференции с помощью стеклянных пластин.
Берем две стеклянные пластины, перед этим тщательно их протираем, затем плотно складываем и сжимаем. Ту интерференционную картину, которую увидим в пластинах, нужно зарисовать.
Чтобы увидеть изменение картины от степени сжатия стекол, необходимо взять устройство зажима и с помощью винтов сжать пластины. В результате этого картина интерференции изменяется.
Опыт 2
Интрференция на тонких пленках.
Чтобы пронаблюдать данный опыт, возьмем мыльную воду и проволочную рамку, затем посмотрим, как образуется тонкая пленка. Если рамку опустить в мыльную воду, то после поднятия в ней видна образовавшаяся мыльная пленка. Наблюдая в отраженном свете за этой пленкой, можно увидеть полосы интерференции.
Опыт 3
Интерференция на мыльных пузырях.
Для наблюдения воспользуемся мыльным раствором. Выдуваем мыльные пузыри. То, как пузыри переливаются, это и есть интерференция света (см. Рис. 1).
Рис. 1. Интерференция света в пузырях
Картина, которую мы наблюдаем, может выглядеть следующим образом (см. Рис. 2).
Рис. 2. Интерференционная картина
Это интерференция в белом свете, когда мы положили линзу на стекло и осветили ее простым белым светом.
Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) (см. Рис. 3).
Рис. 3. Использование светофильтров
Теперь перейдем к наблюдению дифракции.
Дифракция - это волновое явление, присущее всем волнам, которое наблюдается на краевых частях каких-либо предметов.
Опыт 4
Дифракция света на малой узкой щели.
Создадим щель между губками штангенциркуля, с помощью винтов передвигая его части. Для того чтобы пронаблюдать дифракцию света, зажмем между губками штангенциркуля лист бумаги, таким образом, чтобы потом этот лист бумаги можно было вытащить. После этого перпендикулярно подносим эту узкую щель вплотную к глазу. Наблюдая через щель яркий источник света (лампу накаливания), можно увидеть дифракцию света (см. Рис. 4).
Рис. 4. Дифракция света на тонкой щели
Опыт 5
Дифракция на плотной бумаге
Если взять плотный лист бумаги и сделать бритвой надрез, то, поднеся этот разрез бумаги вплотную к глазу и меняя расположение соседних двух листочков, можно наблюдать дифракцию света.
Опыт 6
Дифракция на малом отверстии
Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света (см. Рис. 5).
Изменение дифракционной картины зависит от величины отверстия.
Рис. 5. Дифракция света на малом отверстии
Опыт 7
Дифракция света на кусочке плотной прозрачной ткани (капрон, батист).
Возьмем батистовую ленту и, расположив ее на небольшом расстоянии от глаз, посмотрим сквозь ленту на яркий источник света. Мы увидим дифракцию, т.е. разноцветные полосы и яркий крест, который будет состоять из линий дифракционного спектра.
На рисунке представлены фотографии дифракции, которую мы наблюдаем (см. Рис. 6).
Рис. 6. Дифракция света
Отчет: в нем должны быть представлены рисунки интерференции и дифракции, которые наблюдались в ходе работы.
Изменение линий характеризует, как происходит та или иная процедура преломления и сложения (вычитания) волн.
На основании дифракционной картины, полученной от щели, создан специальный прибор - дифракционная решетка . Она представляет собой набор щелей, через которые проходит свет. Этот прибор нужен для того, чтобы проводить детальные исследования света. Например, с помощью дифракционной решетки можно определить длину световой волны.
- Физика ().
- Первое сентября. Учебно-методическая газета ().
Тема: Наблюдение явлений интерференции и дифракции света.
Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.
Оборудование:
- стаканы с раствором мыла;
- кольцо проволочное с ручкой;
- капроновая ткань;
- компакт-диск;
- лампа накаливания;
- штангенциркуль;
- две стеклянные пластины;
- лезвие;
- пинцет;
- капроновая ткань.
Теоретическая часть
Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных. Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн. Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Условия максимумов Δd = ± kλ , условия минимумов, Δd = ± (2k + 1)λ/2 где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;... (разность хода волн равна четному числу полуволн
Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света. Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн. Следовательно, в явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников).
Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий. Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - 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. Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучёк света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки. Условие наблюдения дифракционного максимума: d sin(φ) = ± kλ
Указания к работе
1. Опустите проволочную рамку в мыльный раствор. Пронаблюдайте и зарисуйте интерференционную картину в мыльной пленке. При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху – синий цвет, внизу – в красный цвет. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь. Пронаблюдайте за ним. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.
Ответьте на вопросы:
- Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
- Какую форму имеют радужные полосы?
- Почему окраска пузыря все время меняется?
2. Тщательно протрите стеклянные пластинки, сложите их вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы. При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяются как в отраженном, так и в проходящем свете. Зарисуйте увиденные вами картинки.
Ответьте на вопросы:
- Почему в отдельных местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
- Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение полученных интерференционных полос?
3. Положите горизонтально на уровне глаз компакт-диск. Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.
4. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос. Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест.
5. Пронаблюдайте две дифракционные картины при рассмотрении нити горящей лампы через щель, образованную губками штангенциркуля (при ширине щели 0,05 мм и 0,8 мм). Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (при ширине щели 0,8 мм). Этот опыт повторите с двумя лезвиями, прижав их друг к другу. Опишите характер интерференционной картины
Запишите выводы. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции? дифракции?
В большинстве случаев, с которыми мы встречаемся в жизни, на тело действует не одна, а сразу несколько сил. Так, например, на пилу при распиливании доски действует мускульная сила человека, сила сопротивления доски и сила тяжести . На движущийся корабль действует сила тяги вращающегося винта, силы сопротивления воды и воздуха, сила тяжести и выталкивающая сила со стороны воды. На тело, висящее на пружине, действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины.
В каждом подобном случае можно заменить несколько сил, в действительности приложенных к телу, одной силой, равноценной по своему действию этим силам.
Силу, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называют равнодействующей этих сил.
Нахождение равнодействующей нескольких сил называют сложением этих сил или нахождением их суммы. Слагаемые силы иначе называют составляющими силами.
Найдем равнодействующую двух сил, действующих на тело по одной прямой в одну сторону и в противоположные стороны.
Обратимся к опыту. К пружине один под другим подвешивают два груза весом 1 и 2 Н (рис. 63, а). Отмечают длину, на которую растянулась пружина. Затем эти грузы снимают и заменяют одним грузом, который растягивает пружину на такую же длину (рис. 63, б), Вес этого груза оказывается равным 3 Н.
Основываясь на опыте, заключаем: равнодействующая сил, направленных по одной прямой в одну сторону, направлена в ту же сторону, а ее модуль равен сумме модулей составляющих сил.
На рисунке 64 равнодействующая сил, действующих на тело, обозначена буквой R, а слагаемые силы - буквами F1 и F2. В этом случае:
Выясним теперь, как найти равнодействующую двух сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны. Для этого на столик динамометра (рис. 65, а) поставим груз весом 5 Н. К столику привяжем нитку и, зацепив за нитку другим динамометром, потянем вверх с силой 2 Н (рис. 65, б).
Динамометр, на столике которого находится груз, в этом случае покажет силу 3 Н, эта сила есть равнодействующая двух сил: 5 и 2 Н, ее модуль равен разности модулей составляющих сил (3 Н = 5 Н -2 Н), и направлена она в сторону большей силы.
Итак, равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны, направлена в сторону большей по модулю силы, а ее модуль равен разности модулей составляющих сил.
R = F2 – F1 (рис 66)
Если к телу приложены две равные и направленные противоположно силы, то равнодействующая этих сил равна нулю. Например, если в нашем опыте за конец нити потянуть силой 5 Н, то стрелка динамометра установится на нулевом делении. Равнодействующая двух сил в этом случае равна нулю (5Н-5Н=0).
Тело под действием двух равных и противоположно направленных сил будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно.
Вопросы. 1. Какую силу называют равнодействующей нескольких сил? 2. Что называют сложением сил? 3. Приведите пример сложения двух сил, действующих по одной прямой в одну сторону. 4. Опишите опыт, в котором определяют равнодействующую двух сил, направленных по одной прямой в одну сторону, Чему равна эта равнодействующая? 5. Чему равна равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны? 6. Как будет двигаться тело под действием двух равных противоположно направленных сил?
Упражнения. 1. Человек, масса которого 70 кг, держит на плечах ящик массой 20 кг. С какой силой человек давит на землю? 2. В игре по перетягиванию каната участвуют четыре человека. Два из них тянут канат в одну сторону с силами 330 и 380 Н, два-в противоположную сторону с силами 300 и 400 Н. В каком направлении будет двигаться канат, и чему равна равнодействующая этих сил? Сделайте чертеж. 3. Человек спускается на парашюте, двигаясь равномерно. Сила тяжести парашютиста вместе с парашютом 700 Н. Чему равна сила сопротивления воздуха? 4. Имеется два динамометра, каждый из которых рассчитан на силу 10Н. Как ими можно измерить вес тела массой 1,5 кг? Чему он равен?
