Laboratorní práce z fyziky na téma: „Interference a difrakce světla“ (11. ročník). Fotoreportáž „Pozorování interference a difrakce světla doma Laboratorní práce se studiem interference a difrakce světla

Účel práce: pozorovat interferenci a difrakci světla.

Teorie.Rušení světla. Vlnové vlastnosti světla se nejzřetelněji projevují v jevech interference a difrakce. Interference světla vysvětluje barvu mýdlových bublin a tenkých olejových filmů na vodě, ačkoli mýdlový roztok a olej jsou bezbarvé. Světelné vlny se částečně odrážejí od povrchu tenkého filmu a částečně do něj procházejí. Na druhé hranici filmu opět dochází k částečnému odrazu vlnění (obr. 1). Světelné vlny odražené dvěma povrchy tenkého filmu se pohybují stejným směrem, ale mají různé dráhy.

Obrázek 1

Pro dráhový rozdíl, který je násobkem celého čísla vlnových délek:

je pozorováno interferenční maximum.

Pro rozdíl l, který je násobkem lichého počtu půlvln:

, (2)

je dodrženo minimum rušení. Když je maximální podmínka splněna pro jednu vlnovou délku světla, není splněna pro ostatní vlnové délky. Proto při osvětlení bílým světlem se tenký, bezbarvý, průhledný film jeví jako barevný. Když se změní tloušťka filmu nebo úhel dopadu světelných vln, změní se dráhový rozdíl a pro světlo s jinou vlnovou délkou je splněna maximální podmínka.

Fenomén interference v tenkých vrstvách se využívá ke kontrole kvality povrchové úpravy a čištění optiky.

Difrakce světla. Když světlo prochází malým otvorem na stínítku, pozorujeme střídající se tmavé a světlé prstence kolem centrálního světelného bodu (obr. 2).

Obrázek 2

Pokud světlo prochází úzkým cílem, výsledný obrazec je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3

Jev odchylky světla od přímočarého směru šíření při průchodu okrajem překážky se nazývá difrakce světla.

Vznik střídajících se světlých a tmavých prstenců v oblasti geometrického stínu vysvětlil francouzský fyzik Fresnel tím, že světelné vlny přicházející v důsledku difrakce z různých bodů otvoru do jednoho bodu na obrazovce se vzájemně ruší.

Zařízení a příslušenství: skleněné desky - 2 ks, nylonové nebo kambrické klapky, exponovaný fotografický film se štěrbinou vytvořenou žiletkou, gramofonová deska (nebo fragment gramofonové desky), posuvná měřítka, lampa s rovným vláknem (jedna za celek skupina), barevné tužky.

Pracovní příkaz:

1. Pozorování rušení:

1.1. Skleněné pláty důkladně otřete, složte k sobě a vymačkejte prsty.

1.2. Desky prohlížejte v odraženém světle na tmavém pozadí (musí být umístěny tak, aby se na povrchu skla nevytvářely příliš jasné odlesky od oken nebo bílých stěn).

1.3. Na některých místech, kde se desky dotýkají, lze pozorovat jasné duhové prstencové nebo nepravidelně tvarované pruhy.

1.4. Všimněte si změn tvaru a umístění výsledných interferenčních proužků se změnami tlaku.

1.5. Zkuste vidět interferenční obrazec v procházejícím světle a načrtněte jej do protokolu.

1.6. Zvažte interferenční obrazec při dopadu světla na povrch kompaktního disku a načrtněte jej do protokolu.

2. Pozorování difrakce:

2.1. Mezi čelisti třmenu umístěte mezeru 0,5 mm.

2.2. Umístěte štěrbinu blízko oka a umístěte ji vodorovně.

2.3. Při pohledu skrz štěrbinu na vodorovně umístěné vlákno žárovky pozorujte duhové pruhy (difrakční spektra) na obou stranách vlákna.

2.4. Změnou šířky štěrbiny z 0,5 na 0,8 mm si všimněte, jak tato změna ovlivňuje difrakční spektra.

2.5. Načrtněte difrakční obrazec v protokolu.

2.6. Pozorujte difrakční spektra v procházejícím světle pomocí chlopní z nylonu nebo cambric.

2.7. Načrtněte pozorované interference a difrakční obrazce.

3. Udělejte závěr o provedené práci.

4. Odpovězte na bezpečnostní otázky.

Bezpečnostní otázky:

1. Jak vznikají koherentní světelné vlny?

2. Jaká fyzikální vlastnost světelných vln je zodpovědná za rozdíl v barvě?

3. Po nárazu kamenem na průhledný led se objeví praskliny, které se třpytí všemi barvami duhy. Proč?

4. Co vidíš, když se díváš na žárovku přes ptačí pírko?

5. Jak se spektra asimilovaná hranolem liší od difrakčních spekter?

LABORATORNÍ PRÁCE č. 17.

Laboratorní práce č. 11. Pozorování jevu interference a difrakce světla.
Účel práce: experimentálně studovat jev interference a difrakce světla, identifikovat podmínky pro výskyt těchto jevů a povahu rozložení světelné energie v prostoru.
Vybavení: elektrická lampa s rovným vláknem (jedna na třídu), dvě skleněné destičky, PVC trubice, sklenice s mýdlovým roztokem, drátěný kroužek s rukojetí o průměru 30 mm, čepel, proužek papíru ½ listu, nylonová tkanina 5x5 cm, difrakční mřížka, světelné filtry.

Stručná teorie
Interference a difrakce jsou jevy charakteristické pro vlny jakékoli povahy: mechanické, elektromagnetické. Vlnová interference je sčítání dvou (nebo několika) vln v prostoru, ve kterém je výsledná vlna zesílena nebo zeslabena v různých bodech. Interference je pozorována, když se vlny emitované stejným zdrojem světla překrývají a dostávají se do daného bodu různými způsoby. K vytvoření stabilního interferenčního vzoru jsou zapotřebí koherentní vlny – vlny, které mají stejnou frekvenci a konstantní fázový rozdíl. Koherentní vlny lze získat na tenkých vrstvách oxidů, tuku nebo na vzduchové klínové mezeře mezi dvěma průhlednými skly přitlačenými k sobě.
Amplituda výsledného posunutí v bodě C závisí na rozdílu vlnových drah ve vzdálenosti d2 – d1.
[Stáhněte si soubor pro zobrazení obrázku]Maximální stav (zesílení kmitů): rozdíl vlnových drah je roven sudému počtu půlvln
kde k=0; ± 1; ± 2; ± 3;
[Stáhněte si soubor pro zobrazení obrázku] Vlny ze zdrojů A a B dorazí do bodu C ve stejných fázích a „vzájemně se zesílí.
Pokud je dráhový rozdíl roven lichému počtu půlvln, pak se vlny vzájemně oslabí a v místě jejich setkání bude pozorováno minimum.

[Stáhněte si soubor pro zobrazení obrázku][Stáhněte soubor pro zobrazení obrázku]
Při interferenci světla dochází k prostorové redistribuci energie světelných vln.
Difrakce je jev odchylky vlny od přímočarého šíření při průchodu malými otvory a ohýbání kolem malých překážek.
Difrakce je vysvětlena Huygens-Fresnelovým principem: každý bod překážky, ke kterému se světlo dostane, se stává zdrojem sekundárních vln, koherentních, které se šíří za okraje překážky a vzájemně se ruší a vytvářejí stabilní interferenční obrazec – střídající se maxima a minima osvětlení, duhově zbarvené v bílém světle. Podmínka pro projev difrakce: Rozměry překážek (otvorů) musí být menší nebo úměrné vlnové délce Difrakce je pozorována na tenkých nitkách, škrábancích na skle, na svislé štěrbině v listu papíru, na řasách, na kapkách vody. na zamlžené sklo, na ledové krystaly v oblaku nebo na sklo, na štětiny chitinového obalu hmyzu, na peří ptáků, na CD, balicí papír., na difrakční mřížku.,
Difrakční mřížka je optické zařízení, které je periodickou strukturou velkého množství pravidelně uspořádaných prvků, na kterých se světlo ohýbá. Tahy s profilem, který je specifický a konstantní pro danou difrakční mřížku, se opakují ve stejném intervalu d (perioda mřížky). Schopnost difrakční mřížky oddělit paprsek světla dopadajícího na ni podle vlnových délek je její hlavní vlastností. Jsou zde reflexní a průhledné difrakční mřížky. Moderní přístroje využívají především reflexní difrakční mřížky.

Postup prací:
Úkol 1. A) Pozorování interference na tenké vrstvě:
Pokus 1. Ponořte drátěný kroužek do mýdlového roztoku. Na drátěném kroužku se vytvoří mýdlový film.
Umístěte jej svisle. Pozorujeme světlé a tmavé vodorovné pruhy, které se mění v šířce a barvě se změnou tloušťky filmu. Podívejte se na obrázek přes filtr.
Zapište, kolik pruhů je pozorováno a jak se v nich střídají barvy?
Pokus 2. Pomocí hadičky z PVC vyfoukněte mýdlovou bublinu a pečlivě ji prohlédněte. Při osvětlení bílým světlem pozorujte tvorbu interferenčních skvrn zbarvených ve spektrálních barvách. Prohlédněte si obraz přes světelný filtr.
Jaké barvy jsou v bublině vidět a jak se střídají shora dolů?
B) Pozorování interference na vzduchovém klínu:
Pokus 3. Opatrně otřete dvě skleněné desky, přiložte je k sobě a stiskněte prsty. Kvůli neideálnímu tvaru styčných ploch se mezi deskami tvoří tenké vzduchové dutiny - jedná se o vzduchové klíny a dochází na nich k interferenci. Při změně síly stlačující desky se mění tloušťka vzduchového klínu, což vede ke změně umístění a tvaru interferenčních maxim a minim. Poté prozkoumejte obraz přes filtr.
Načrtněte, co jste viděli v bílém světle a co jste viděli přes filtr.

Udělejte závěr: Proč dochází k interferenci, jak vysvětlit barvu maxim v interferenčním obrazci, co ovlivňuje jas a barvu obrazce.

Úkol 2. Pozorování difrakce světla.
Pokus 4. Pomocí čepele vyřízněte štěrbinu v listu papíru, přiložte si papír k očím a podívejte se štěrbinou na světelný zdroj – lampu. Pozorujeme maxima a minima osvětlení Pak se na obrázek podíváme přes filtr.
Načrtněte difrakční obrazec viděný v bílém světle a v monochromatickém světle.
Deformací papíru zmenšíme šířku štěrbiny a pozorujeme difrakci.
Experiment 5. Podívejte se na světelný zdroj-lampa přes difrakční mřížku.
Jak se změnil difrakční obrazec?
Pokus 6. Podívejte se skrz nylonovou tkaninu na vlákno žárovky. Otáčením látky kolem její osy docílíte jasného difrakčního obrazce v podobě dvou difrakčních pruhů křížených v pravém úhlu.
Načrtněte pozorovaný difrakční kříž. Vysvětlete tento jev.
Udělejte závěr: proč k difrakci dochází, jak vysvětlit barvu maxim v difrakčním obrazci, co ovlivňuje jas a barvu obrazce.
Bezpečnostní otázky:
Co je společné mezi fenoménem interference a fenoménem difrakce?
Jaké vlny mohou vytvořit stabilní interferenční obrazec?
Proč není na studentském stole žádný rušivý obrazec od lamp zavěšených u stropu ve třídě?

6. Jak vysvětlit barevné kruhy kolem Měsíce?

Přiložené soubory

Fotografický materiál lze využít v hodinách fyziky v 9. a 11. ročníku, oddíl „Vlnová optika“.

Interference v tenkých vrstvách

Duhové barvy vznikají interferencí světelných vln. Když světlo prochází tenkým filmem, jeho část se odráží od vnějšího povrchu, zatímco další část proniká filmem a odráží se od vnitřního povrchu.

Interference je pozorována u všech tenkých, světlo propouštějících filmů na jakémkoli povrchu; u čepele nože vzniká při procesu oxidace prostředí na povrchu kovu tenký film (zákal).

Difrakce světla

Povrch kompaktního disku je reliéfní spirálová dráha na povrchu polymeru, jejíž rozteč je úměrná vlnové délce viditelného světla. Na takto uspořádaném a jemně strukturovaném povrchu se objevily difrakční a interferenční jevy, což je důvodem iridescentní barvy odlesků CD pozorovaných v bílém světle.

Podívejme se na žárovku skrz otvory o malém průměru. V dráze světelné vlny se objeví překážka a ohýbá se kolem ní, čím menší je průměr, tím silnější je difrakce (čím menší je otvor v kartonu, tím méně paprsků projde otvorem). obraz vlákna žárovky je jasnější a rozklad světla je intenzivnější.

Podívejme se na žárovku a Slunce skrz nylon. Nylon působí jako difrakční mřížka. Čím více vrstev je, tím intenzivnější je difrakce.

Laboratorní práce na dané téma: "Pozorování interference a difrakce světla"

Účel práce: experimentálně studovat fenomén interference a difrakce.

Zařízení: elektrická lampa s rovným vláknem, dvě skleněné destičky, skleněná trubice, sklenice s mýdlovým roztokem, drátěný kroužek s rukojetí o průměru 30 mm, CD, posuvné měřítko, nylonová tkanina.

Teorie: Interference je jev charakteristický pro vlny jakékoli povahy: mechanické, elektromagnetické.

Rušení vln – sčítání v prostoru dvou (nebo několika) vln, ve kterých je v různých bodech výsledná vlna zesílena nebo zeslabena.

Interference je obvykle pozorována, když se vlny emitované stejným zdrojem světla překrývají a dostávají se do daného bodu různými způsoby. Je nemožné získat interferenční obrazec ze dvou nezávislých zdrojů, protože molekuly nebo atomy vyzařují světlo v samostatných sledech vln, nezávisle na sobě. Atomy vyzařují fragmenty světelných vln (vlaky), ve kterých jsou fáze kmitání náhodné. Vlaky jsou dlouhé asi 1 metr. Vlnové řady různých atomů se navzájem překrývají. Amplituda výsledných kmitů se v průběhu času chaoticky mění tak rychle, že oko nestihne tuto změnu vzorců vnímat. Člověk tedy vidí prostor rovnoměrně osvětlený. Pro vytvoření stabilního interferenčního vzoru jsou zapotřebí zdroje koherentních (shodných) vln.

Koherentní nazýváme vlny, které mají stejnou frekvenci a konstantní fázový rozdíl.

Amplituda výsledného posunutí v bodě C závisí na rozdílu vlnových drah ve vzdálenosti d2 – d1.

Maximální stav

Minimální stav

Vlivem difrakce je světlo vychýleno ze svého lineárního šíření (například v blízkosti okrajů překážek).

Difrakce – jev odchylky vlny od přímočarého šíření při průchodu malými otvory a ohýbání vlny kolem malých překážek.

Podmínky difrakce:d , kde d - velikost překážky,λ - vlnová délka. Rozměry překážek (otvorů) musí být menší nebo srovnatelné s vlnovou délkou.

Existence tohoto jevu (difrakce) omezuje rozsah aplikace zákonů geometrické optiky a je důvodem limitu rozlišovací schopnosti optických přístrojů.

Difrakční mřížka– optické zařízení, které je periodickou strukturou velkého množství pravidelně uspořádaných prvků, na kterých dochází k ohybu světla. Tahy se specifickým a konstantním profilem pro danou difrakční mřížku se opakují ve stejném intervalu d (období mřížky). Schopnost difrakční mřížky oddělit paprsek světla dopadajícího na ni podle vlnových délek je její hlavní vlastností. Nechybí reflexní a průhledné difrakční mřížky.Moderní přístroje využívají především reflexní difrakční mřížky..

Podmínka pro pozorování difrakčního maxima:

d·sinφ=k·λ, kde k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - perioda mřížky, φ - úhel, pod kterým je pozorováno maximum, aλ - vlnová délka.

Z maximálního stavu to vyplývá sinφ=(k·λ)/d.

Nechť k=1, pak sinφ kr =λ kr /d a sinφ f =λ f /d.

Je známo, že λ cr >λ f, tedy sinφ cr >sinφ f. Protože y= sinφ f - funkce se tedy zvyšujeφ cr >φ f

Proto je fialová barva v difrakčním spektru umístěna blíže středu.

U jevů interference a difrakce světla je dodržován zákon zachování energie. V interferenční oblasti je světelná energie pouze redistribuována, aniž by byla přeměněna na jiné druhy energie. Nárůst energie v některých bodech interferenčního obrazce vzhledem k celkové světelné energii je kompenzován jejím poklesem v jiných bodech (celková světelná energie je světelná energie dvou světelných paprsků z nezávislých zdrojů). Světlé pruhy odpovídají energetickým maximům, tmavé pruhy energetickým minimům.

Postup prací:

Zkušenost 1. Ponořte drátěný kroužek do mýdlového roztoku.Na drátěném kroužku se vytvoří mýdlový film.

Vysvětlení. Vzhled světlých a tmavých pruhů se vysvětluje interferencí světelných vln odražených od povrchu filmu. trojúhelník d = 2h.Rozdíl v dráze světelných vln se rovná dvojnásobku tloušťky filmu.Při vertikální poloze má fólie klínovitý tvar. Rozdíl v dráze světelných vln v jeho horní části bude menší než ve spodní části. V těch místech filmu, kde se dráhový rozdíl rovná sudému počtu půlvln, jsou pozorovány světlé pruhy. A s lichým počtem půlvln - tmavé pruhy. Horizontální uspořádání pruhů je vysvětleno horizontálním uspořádáním čar stejné tloušťky filmu.

Pozorujeme také, že pruhy se rozšiřují a udržují svůj tvar a pohybují se dolů.

Vysvětlení. To se vysvětluje snížením tloušťky filmu, protože mýdlový roztok stéká dolů vlivem gravitace.

Zkušenost 2. Pomocí skleněné trubice vyfoukněte mýdlovou bublinu a pečlivě ji prohlédněte.Při osvětlení bílým světlem pozorujte tvorbu barevných interferenčních prstenců, zbarvených ve spektrálních barvách. Horní okraj každého světelného kroužku je modrý, spodní je červený. Jak se tloušťka filmu snižuje, kroužky, které se také roztahují, se pomalu pohybují dolů. Jejich prstencový tvar je vysvětlen prstencovými liniemi stejné tloušťky.

Odpovězte na otázky:

1. Proč jsou mýdlové bubliny duhové barvy?
2. Jaký tvar mají duhové pruhy?
3. Proč se barva bubliny neustále mění?

Zkušenosti 3*. Obě skleněné desky důkladně otřete, přiložte k sobě a prsty k sobě přitlačte. Kvůli nedokonalému tvaru styčných ploch se mezi deskami tvoří tenké vzduchové mezery.

Vysvětlení: Plochy desek nemohou být zcela rovné, takže se dotýkají jen na pár místech. Kolem těchto míst se tvoří tenké vzduchové klíny různých tvarů, které dávají obraz interference. V procházejícím světle je maximální stav 2h=kl

Odpovězte na otázky:

1. Proč jsou v místech dotyku desek pozorovány světlé duhové prstencové nebo nepravidelně tvarované pruhy?

Vysvětlení : Jas difrakčních spekter závisí na frekvenci rýh aplikovaných na disk a na úhlu dopadu paprsků. Téměř rovnoběžné paprsky dopadající z vlákna lampy se odrážejí od sousedních konvexit mezi drážkami v bodech A a B. Paprsky odražené pod úhlem rovném úhlu dopadu tvoří obraz vlákna lampy ve formě bílé čáry. Paprsky odražené pod jinými úhly mají určitý dráhový rozdíl, v důsledku čehož dochází ke sčítání vln.

co pozoruješ? Vysvětlete pozorované jevy. Popište interferenční obrazec.

Povrch CD je spirálová stopa s roztečí úměrnou vlnové délce viditelného světla. Na jemně strukturovaném povrchu se objevují difrakční a interferenční jevy. Odlesky CD mají duhové zbarvení.

Zkušenost 5. Podívejte se skrz nylonovou tkaninu na vlákno hořící lampy. Otáčením látky kolem její osy docílíte jasného difrakčního obrazce v podobě dvou difrakčních pruhů křížených v pravém úhlu.

Načrtněte pozorovaný difrakční kříž.Vysvětlete pozorované jevy.

Zaznamenejte závěr. Uveďte, ve kterém z vámi provedených experimentů byl pozorován jev interference a ve kterém difrakce.

Účel práce : studovat charakteristické rysy interference a difrakce světla.

Postup práce

1. Nylonová mřížka

Vyrobili jsme velmi jednoduché zařízení pro pozorování difrakce světla v každodenních podmínkách. K tomu jsme použili diarámečky, kousek velmi tenkého nylonového materiálu a lepidlo Moment.

Díky tomu máme velmi kvalitní dvourozměrnou difrakční mřížku.

Nylonové nitě jsou umístěny od sebe ve vzdálenosti řádově vlnové délky světla. V důsledku toho tato nylonová tkanina poskytuje poměrně jasný difrakční vzor. Navíc, protože se závity protínají v prostoru v pravém úhlu, je získána dvourozměrná mřížka.

2. Aplikace mléčného nátěru

Při přípravě mléčného roztoku se jedna čajová lžička mléka zředí 4–5 lžícemi vody. Poté se na stůl položí čistá skleněná deska připravená jako substrát, na její horní povrch se nanese několik kapek roztoku, tenká vrstva se rozetře po celém povrchu a nechá se několik minut zaschnout. Poté se deska umístí na její okraj, zbylý roztok se vypustí a nakonec se ještě několik minut suší v nakloněné poloze.

3. Lycopodium nátěr

Na povrch čistého talíře naneste kapku strojního nebo rostlinného oleje (můžete použít zrnko tuku, margarín, máslo nebo vazelínu), rozetřete v tenké vrstvě a namazaný povrch jemně otřete čistým hadříkem.

Tenká vrstva tuku, která na něm zůstane, funguje jako lepicí základ. Na tuto plochu se nasype malé množství (špetka) lycopodium, deska se nakloní o 30 stupňů a poklepáním prstu na okraj se prášek nasype na její základnu. V oblasti prolévání zůstává široká stopa ve formě poměrně rovnoměrné vrstvy lycopodium.

Při změně sklonu desky tento postup několikrát opakujte, dokud nebude celý povrch desky pokryt podobnou vrstvou. Poté se přebytečný prášek vysype tak, že se talíř postaví svisle a jeho okraj se narazí na stůl nebo jiný tvrdý předmět.

Kulovité částice lycopodium (spory mechového mechu) mají konstantní průměr. Takový povlak, sestávající z velkého počtu neprůhledných kuliček stejného průměru d náhodně rozmístěných po povrchu průhledného substrátu, je podobný rozložení intenzity v difrakčním obrazci z kulatého otvoru.

Závěr:

Rušení světla je pozorováno:

1) Použití mýdlových filmů na drátěném rámu nebo obyčejných mýdlových bublin;

2) Speciální zařízení „Newtonův prsten“.

Pozorování difrakce světla:

I. Mléčný povlak a lycopodium představují přirozenou difrakční mřížku, protože částice mléka a spory lycopodium jsou svou velikostí blízké vlnové délce světla. Obraz se ukáže být docela jasný a jasný, pokud se podíváte přes tyto přípravky na jasný zdroj světla.

II. Difrakční mřížka je laboratorní zařízení s rozlišením 1/200, které umožňuje pozorovat difrakci světla v bílém a monosvětlu.

III. Pokud se podíváte na jasný zdroj světla přes své vlastní řasy, můžete také pozorovat difrakci.

IV. Ptačí peří (nejtenčí vlákna) lze také použít jako difrakční mřížku, protože vzdálenost mezi vlákny a jejich velikosti jsou úměrné vlnové délce světla.

V. Laserový disk je reflexní difrakční mřížka, jejíž drážky jsou umístěny tak blízko, že pro světelnou vlnu představují překonatelnou překážku.

VI. Nylonová mřížka, kterou jsme vyrobili speciálně pro tuto laboratorní práci, je díky tenkosti tkaniny a blízkosti vláken dobrá dvourozměrná difrakční mřížka.