|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Содержание работы "Изготовление устройств для наблюдения дифракции, интерференции и дисперсии света".
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Введение. В нашей школе действует программа по созданию музея физики, техники и детского технического творчества. В рамках данной программы ученики выполняют проектные работы по своему выбору. Нас заинтересовали световые явления: дифракция, интерференция и дисперсия. Для наблюдения данных явлений приборов, имеющихся в кабинете физики недостаточно, поэтому считаем целесообразными их разработку и изготовление. Цель нашей работы: изготовить устройства, позволяющие наблюдать явления дифракции, интерференции и дисперсии света. В ходе исследования перед нами стояли следующие задачи: 1. Изучение литературы по теме «Явления дифракции, интерференции и дисперсии света». 2.Определение устройств, позволяющих наблюдать световые явления. 3. Изготовление данных устройств. 4.Проведение опытов по дифракции, интерференции дисперсии при помощи изготовленных устройств.
1. Изготовление щели для наблюдения дифракции световых волн. Для наблюдения дифракции света изготавливаются узкие щели. Ширина такой щели должна быть соизмерима с длиной световой волны. Узкая щель для наблюдения дифракции изготовлена из полотен лезвий. На самоклеющуюся плёнку с прямоугольным отверстием крепятся половинки лезвий, режущей частью друг к другу. Плёнка, с закрепленными на ней лезвиями, наклеивается на пластиковое основание с прямоугольным отверстием тех же размеров, что и отверстие на плёнке. Ширина полученной щели замеряется с помощью отсчётного микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,05мм. Нами получено несколько видов щелей, ширина которых колеблется от 0,15 мм до 0,3 мм. Эти щели позволяют продемонстрировать на уроках зависимость дифракционной картины от ширины щели. Для этого двойные щели следует расположить параллельно плоскости экрана, на расстоянии более 1м от него. Освещать щель можно светом с длиной волны 650 нм (лазер из набора L-микро, разработанного для школьных кабинетов физики). Дифракционная картина наблюдается на экране.
Рис.1 Схема опыта по наблюдению дифракции от узкой щели.
Таблица 1. Результаты проводимых нами опытов с узкой щелью и светом с длиной волны 650нм.
2. Изготовление двойных щелей для наблюдения дифракции световых волн. Двойные щели представляют собой черно-белый негатив, полученный при съёмке белого листа А4, на котором были начерчены две полосы чёрного цвета. Рис.2 Лист размером А-4 с двумя параллельными чёрными полосами.
В результате на негативе полосы стают меньше в 8,5 раз. Белая поверхность стаёт чёрной – не пропускающей свет, а чёрные полосы представляют собой прозрачные двойные щели. Размеры получаемых щелей соизмеримы с длиной световой волны, а, следовательно, они позволяют наблюдать дифракционную картину. Нами изготовлены разные двойные щели, для этого подготовлены листы А4 с различными полосами по ширине и с различными расстояниями между ними, соответственно после съёмки мы получили различные негативы (разные двойные щели). Готовые негативы вставляются в стандартную рамку для диапозитивов. Наиболее удачными негативами для наблюдения дифракционной картины стали номера 1 и 2, с наименьшим расстоянием между щелями (см. таблицу 2).
Таблица 2. Размеры двойных щелей, полученных на негативах.
Рис.3 Схема опыта по наблюдению дифракции от двойных щелей.
Двойные щели позволяют проводить опыты по определению длины световой волны при наблюдении дифракционной картины на экране. Идею о подобном способе изготовления двойных щелей мы заимствовали из материалов студенческой конференции, проводимой в ГГПИ им. В.Г.Короленко в 1986 году.
3. Изготовление устройства с большим количеством щелей для наблюдения дифракции световых волн. Развивая идею с двойными щелями, мы пришли к выводу, что аналогичным образом можно изготовить устройство с большим количеством параллельных щелей, подобное дифракционной решётке. Для этого предлагается на белый лист А4 с помощью компьютерной графики на 1 см нанести 8,5 полос чёрного цвета (возможно нанесение большего количества полос). После фотографирования на черно-белую плёнку получается на негативе 4 полосы на 1 мм, т.е. расстояние между светлыми полосами на негативе (между соседними щелями) равно 0,25 мм.
Рис.4 Лист размером А-4 с параллельными чёрными полосами.
Рис.5 Схема опыта по наблюдению дифракции от большого количества щелей (от решётки).
4. Изготовление устройств с большим количеством мелких отверстий или малых тел для наблюдения дифракции световых волн. Так же нами предлагается использовать аналогичный способ для изготовления устройства с большим количеством малых отверстий и малых тел. На листе А4 с помощью компьютерной графики наносится сетка из чёрных полос. В результате на негативе получается светлая сетка с тёмными квадратами. Проходя через такую сетку, свет дифрагирирует на чёрных квадратах. В результате интерференции вторичных волн, можно пронаблюдать дифракцию на мелких телах.
Рис.6 Лист размером А-4 с изображённой на нём сеткой.
Изготовление устройства с малыми телами разных размеров аналогично: лист А4 заштриховывается свободно, на нём получаются разных размеров светлые пятна, которые на негативе оказываются тёмными пятнами - телами разного размера.
Рис.7 Свободно заштрихованный лист размером А4.
Рис.8 Схема опыта по наблюдению дифракции на малых отверстиях и малых телах (от сетки).
5. Измерение длины световой волны с помощью изготовленных устройств. С помощью изготовленных нами устройств проводятся измерения длины световой волны лазера из комплекта школьного оборудования L – микро. Цель эксперимента: Определить длину световой волны. Оборудование: источник света (лазер), блок питания для лазера, двойная щель, решётка, сетка, подставка под лазер, линейка, экран, отсчетный микроскоп типа МПБ-2. Ход работы: С помощью отсчётного микроскопа определить ширину щелей и расстояние между ними. Закрепить лазер в подставке. В зазоре подставки поочередно закреплять щели, решетку, сетку. Экран расположить на расстоянии 3 - 4 м от подставки с устройством .
Рис.9 Схемы опыта по наблюдению дифракции и определения световой волны.
Пронаблюдать дифракционную картину на экране. Измерить расстояние b от нулевого максимума до максимума первого (второго) порядка, полученной дифракционной картины. Рассчитать длину световой волны по формуле:
Таблица 3. Результатов опытов по измерение длины световой волны.
Таблица 4. Погрешности косвенных измерений.
Таблица 5. Полученные результаты.
Вывод: Полученный в ходе эксперимента результат соответствует длине световой волны красного цвета. 6. Изготовление устройств для наблюдения интерференции световых волн. Устройство представляет собой две одинаковые стеклянные пластинки, боковые поверхности которых отшлифованы, в целях безопасности. В одной из стеклянных пластин просверлено отверстие сверлом по стеклу на 6 мм. Количество оборотов дрели 2000 об/мин. В отверстие крепиться гайка с резьбой. В данную гайку вворачивается винт, который позволяет изменять толщину воздушной прослойки между стёклами. Со свободной стороны пластинки соединяются упругим канцелярским зажимом (см.приложение 8). Это устройство позволяет наблюдать интерференцию в воздушном слое и в слоях жидкостей, помещённых между стеклянными пластинками. Изменения толщины слоя между стёклами можно добиться регулированием винта, при этом наблюдается изменение интерференционной картины. Данное устройство позволяет наблюдать картину как в проходящем, так и в отражённом свете. Но в отражённом свете картина более насыщена. 7.Изготовление устройств для наблюдения дисперсии света. Сложная структура света в школе чаще всего демонстрируется с помощью стеклянной призмы, путём разложения белого света на его составляющие. Предлагается дополнительная демонстрация сложной структуры белого света с помощью подготовленного круга Ньютона с семью секторами (красного, оранжевого и далее по спектру до фиолетового). Диск изготавливается с помощью компьютерной графики, распечатывается на листе бумаги и ламинируется (см. приложение 9). Готовый диск закрепляется на валу двигателя, имеющегося в комплекте приборов L-микро, и раскручивается. При вращении круга он приобретает серый цвет, а при более высоких скоростях вращения становится белее. Аналогично изготавливаются круги из трёх и шести цветов. При вращении круга из трёх цветов (красный, синий, зелёный) он приобретает бежевый оттенок, дальнейшее увеличение скорости вращения способствует лишь более светлому оттенку. При вращении круга из шести цветов (красный, фиолетовый, синий, голубой, жёлтый, оранжевый) он становится фиолетовым, а при увеличении скорости круг становится светлее.
Инструкции по проведению экспериментов.
в прослойке воздуха между двумя стеклянными поверхностями.
Вывод Предлагаемые в работе устройства позволяют разнообразить уроки физики по волновой оптике, позволяют расширить список проводимых практических и лабораторных работ.
Литература: 1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11кл.: Учеб. для углубленного изучения физики._ М.:Дрофа, 2001. 2. Кабардин О.Ф. Физика: Справ.материалы: Учеб. Пособие для учащихся. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1991. – 367с. 3. Пинский, В.Г. Разумовский, А.И. Бугаев и др.; Фиизика. 11кл. Под ред. А.А.Пинского, В.Г. Разумовског. – М.: Просвещение, 1999. – 303с. 4. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике: для 9-11 кл.сред.шк. – М.: Просвещение, 1992. – 224с. 5. Физика: Учеб. Пособие для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. Физики/ А.Т. Глазунов, О.Ф Кабардин, А.Н. Малинин и др.; Под ред. А.А.Пинского.- 2-е изд. – М.: Просвещение, 1995. – 432с.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
