11 класс
Лабораторная работа №7
Исследование явлений интерференции и дифракции света
Цель работы
Наблюдать и исследовать интерференцию естественного света на тонкой плёнке, дифракцию света на щели, а также изучить влияние ширины щели на вид дифракционной картины.
Оборудование
Проволочный каркас, магнит, пара бритвенных лезвий, кусок капроновой ткани, лампа накаливания (3,5 В, 0,25 А) на подставке, выпрямитель лабораторный, CD (компакт-диск), сосуд с мыльным раствором.
Необходимые сведения
Для наблюдения интерференции света используют мыльную плёнку. Интерференция возникает при наложении световых потоков, отражённых от внешней и внутренней поверхностей плёнки. Если каркас с плёнкой удерживать вертикально, то под действием силы тяжести профиль плёнки приобретает форму клина. Поскольку разность хода двух волн зависит от толщины плёнки, то интерференционная картина в этом случае будет иметь вид горизонтальных полос. Их ширина определяется толщиной плёнки. При освещении плёнки естественным светом, где присутствуют волны разной длины, полосы будут иметь радужную окраску.
Дифракцию света наблюдают, рассматривая светящуюся нить лампы накаливания через узкую щель или кусочек плотной капроновой ткани. Узкую щель получают с помощью двух бритвенных лезвий, которые прикладывают к одному из полюсов полосового магнита так, чтобы их края были строго параллельны друг другу, а расстояние между ними не превышало 0,1 мм.
Экспериментальная установка для наблюдения дифракции света с помощью щели показана на рисунке 9.
Дифракцию можно наблюдать и с помощью компакт-диска. Диск поворачивают в направлении источника света S той стороной, где нанесена запись. Угол падения α света на диск должен быть небольшим. Рассматривая диск под разными углами зрения γ, можно наблюдать дифракционные спектры разных порядков. Схема опыта с компакт-диском приведена на рисунке 10.
Подготовка к работе
Ответьте на следующие вопросы:
• Почему часть мыльной плёнки не окрашена цветными полосами?
• Появятся ли цветные полосы, если освещать мыльную плёнку монохроматическим светом?
• Почему ширина щели для наблюдения дифракции не должна превышать десятой доли миллиметра?
• Как ширина щели влияет па положение дифракционных максимумов?
Порядок выполнения работы
Задание 1. Наблюдение и исследование интерференции естественного света.
1. Получите на проволочном каркасе мыльную плёнку, расположите её вертикально и наблюдайте образование цветных полос.
2. Определите чередование цветов в интерференционных полосах.
3. Подсчитайте количество полос одного цвета, которые одновременно наблюдаются на плёнке.
4. Проследите, как изменяется положение полос на плёнке с течением времени.
5. Установите, как меняется расстояние между полосами одного цвета в зависимости от расстояния до верхней части каркаса.
6. Установите, как изменяется ширина полос одного цвета по мере их удаления от верхней части каркаса.
7. Определите, изменяются ли ориентация и форма полос при повороте рамки в вертикальной плоскости.
8. Повторите наблюдения для случая, когда плёнка удерживается горизонтально.
Задание 2. Наблюдение и исследование дифракции света на щели.
1. Соберите экспериментальную установку (см. рис. 9).
2. Подключите лампу к выпрямителю.
3. Закрепите лезвия с помощью магнита так, чтобы они были обращены друг к другу острыми краями, а просвет между ними составлял не больше 0,1 мм. Ориентировочно ширина просвета должна равняться толщине лезвия.
4. Отрегулируйте ширину щели так, чтобы она была одинаковой по всей длине.
5. Поднесите магнит с лезвиями к глазу, второй глаз закройте. Взгляните на раскалённую нить лампы сквозь щель между лезвиями и отрегулируйте расстояние между последними так, чтобы получить чёткую дифракционную картину в виде параллельных щели светлых полос с цветными окантовками.
6. Поворачивая магнит, установите, при какой ориентации щели относительно нити лампы дифракционная картина наблюдается наиболее чётко.
7. Определите, в каком порядке чередуются цвета окантовок относительно центральной полосы.
8. Изменяя ширину щели, установите, как от этого зависит расстояние между полосами и количество наблюдаемых полос. Обратите внимание на цвет центральной полосы.
9. Проведите наблюдение дифракции света, рассматривая светящуюся лампу сквозь кусок капроновой ткани.
10. Сформулируйте вывод о влиянии ширины щели на положение дифракционных максимумов.
Задание 3. Наблюдение спектра излучения лампы накаливания с использованием компакт-диска в качестве модели отражательной дифракционной решётки.
1. Подключите лампу накаливания к выпрямителю.
2. Поверните диск поверхностью, на которой сделана запись, вверх и отрегулируйте его положение так, чтобы свет лампы падал на него под небольшим углом (см. рис. 10).
3. Плавно изменяя угол падения а света на диск, получите на диске, как в зеркале, изображение лампы.
4. Не меняя ориентации диска относительно лампы, уменьшайте медленно и плавно угол зрения γ на диск, пока на его поверхности не появятся цветные полосы первого дифракционного максимума.
5. Рассмотрите полученный спектр и укажите, в каком порядке чередуются его цвета относительно центрального максимума.
6. Сравните полученный спектр со спектром, наблюдавшимся с помощью щели, и укажите, различаются ли в этих спектрах чередования цветов максимумов.
7. Установите, какое количество дифракционных максимумов можно получить с использованием данного компакт-диска.
