Методические указания по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине общеобразовательного цикла «Физика» для специальностей и профессий технического и естественнонаучного профилей профессионального образования. Наблюдение явлений интерференции и д

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 ().

Выборочное наблюдение: понятие, виды, ошибки выборки, оценка результатов. Примеры решения задач

Г) полнота охвата больных детей диспансерным наблюдением

Динамическое наблюдение и контроль, профилактика возврата к курению

Дифракция света. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

1. Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.

2. Литература:

2.1. Касьянов В.А. Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных учебных заведений. – М., 2003. Параграфы 44, 45, 47.

2.2. Конспект лекций по предмету «Физика».

3. Подготовка к работе:

3.1. Ответить на вопросы самопроверки для получения допуска к работе:

3.1.1. Какое явление называют интерференцией?

3.1.2. Какие волны называют когерентными? Назвать способы получения когерентных источников волн.

3.1.3. Какое явление называют дифракцией?

3.1.4. Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля?

3.2. Подготовить бланк отчета в соответствии с пунктом 6.

4. Перечень необходимого оборудования:

4.2. Электронное издание «Лабораторные работы по физике 10-11 класс»: Дрофа, 2005. Лабораторная работа № 12.

5. Порядок выполнения работы:

Включить ПЭВМ. Установить лабораторную работу № 12. Рассмотреть оборудование для проведения эксперимента (рис. 1).

5.2. Зажгите спиртовку (2).Внесите в пламя комочек ваты (3), смоченной раствором хлорида натрия.

5.3. Опустите проволочное кольцо в раствор мыла для получения мыльной пленки.

5.4. Зарисуйте интерференционную картину, полученную на пленке при освещении желтым светом спиртовки (рис. 2). Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.

5.5. Выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.

5.6. Опишите интерференционную картину, наблюдаемую от двух сжатых стеклянных пластинок. Как изменяется наблюдаемая картина при увеличении силы, сжимающей пластинки вместе?

5.7. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска. Зарисуйте две дифракционные картины, наблюдаемые при рассмотрении нити горящей лампы через щель штангенциркуля (при ширине щели 0,05 и 0,8 мм). Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси при ширине щели 0,8 мм. Рамку с нитью расположите на фоне горящей лампы параллельно нити накала (рис. 3). Перемещая рамку относительно глаза, добейтесь того, чтобы в середине, в области геометрической тени нити, наблюдалась светлая полоса. Зарисуйте дифракционную картину, наблюдаемую за тонкой нитью.

5.8. Посмотрите сквозь черную 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, опишите его.

6.1. Номер и наименование работы.

6.2. Цель работы.

6.3. Рисунок интерференционной картины (рис. 2) и его объяснение.

6.4. Объяснение интерференционной картины на поверхности мыльного пузыря.

6.5. Рисунок интерференционной картины, наблюдаемой от двух сжатых стеклянных пластинок. Объяснение её изменения при сжатии пластинок.

6.6. Описание интерференционной картины при освещении CD-диска.

6.7. Рисунок двух дифракционных картин на щели 0,05 и 0,8 мм. Опишите её изменение при плавном повороте щели вокруг вертикальной оси.

6.8. Рисунок дифракционной картины на тонкой нити.

6.9. Рисунок дифракционной картины на капроновой нити. Дифракционный крест.

Лабораторная работа № 13.

Тема: Исследование зависимости периода колебаний нитяного (пружинного) маятника от длины нити и массы груза

Цель работы: Исследовать зависимость периода колебаний нитяного маятника от длины нити и пружинного маятника – от массы груза.

Оборудование: штатив, линейка, груз на нити, набор грузов, секундомер, пружина.

Пояснения к работе

Нитяной маятник состоит из груза массой m, подвешенном на невесомой нерастяжимой нити длиной l . Зависимость периода колебаний нитяного маятника от длины нити выражается

формулой: .

Пружинный маятник состоит из груза массой m, подвешенном пружине жесткостью k. Зависимость периода колебаний пружинного маятника от массы груза выражается формулой: .
Задания

Соберите нитяной маятник.
Зарисуйте схему опыта.
Измерьте время 15-20 колебаний (число колебаний во всех опытах должно быть одинаковым).
Меняя длину нити (только увеличивая или только уменьшая), измеряйте время колебаний еще 4 раза.
Заполните таблицу 1 результатов измерений и вычислений:

Таблица 1

№ опыта	Длина нити, l, м	Промежуток времени, t, с	Период колебаний,	Период колебаний,
1
2
3
4
5

7. Проверьте вычисления, используя формулу: .

Постройте график зависимости периода колебаний нитяного маятника от длины нити.
Соберите пружинный маятник.
Зарисуйте схему опыта.
Определите жесткость пружины:

а) закрепите динамометр в штативе;

б) определите силу F, а также измерьте соответствующее удлинение пружины х ;

в) вычислите коэффициент жесткости пружины по формуле: .

Измерьте время 10-15 колебаний (число колебаний во всех опытах должно быть одинаковым).
Меняя массу груза (только увеличивая или только уменьшая), измеряйте время колебаний еще 4 раза.
Определите период колебаний маятника в каждом опыте, используя формулу: Т=t/N.
Заполните таблицу 2 результатов измерений и вычислений:

Таблица 2

№ опыта	Масса груза, m, кг	Промежуток времени, t, с	Период колебаний,	Период колебаний,
1
2
3
4
5

Контрольные вопросы

Какие колебания называют свободными?
Как период колебаний связан с частотой?
Изменится ли период колебаний какого-либо тела, если его из воздуха поместить в воду?
Каков физический смысл фазы колебаний?

Литература

Работа рассчитана на 2 часа

Лабораторная работа № 11

Тема: Исследование явлений интерференции и дифракции света

Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.

Оборудование: спички, спиртовка, комочек ваты на проволоке в пробирке, смоченной раствором хлорида натрия, проволочное кольцо с ручкой, стакан с раствором мыла, трубка стеклянная, пластинки стеклянные -2 шт., CD-диск, штангенциркуль, лампа с прямой нитью накаливания, капроновая ткань черного цвета.

Пояснения к работе

Наблюдение интерференции света

Для наблюдения интерференции при монохроматическом излучении в пламя спиртовки вносят комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия. При этом пламя окрашивается в желтый цвет. Опуская проволочное кольцо в раствор мыла, получают мыльную пленку, располагают ее вертикально и рассматривают на темном фоне при освещении желтым светом спиртовки. Наблюдают образование темных и желтых горизонтальных полос и изменение их ширины по мере уменьшения толщины пленки.

В тех местах пленки, где разность хода когерентных лучей равна четному числу полуволн, наблюдаются световые полосы, а при нечетном числе полуволн - темные полосы.

При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху синий цвет, внизу - красный. С помощью стеклянной трубки на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещают вниз.

Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг с другом стеклянных пластинок.

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.

Особенно наглядно явление интерференции отраженных световых лучей наблюдается при рассмотрении поверхности CD-диска.

Наблюдение дифракции света

Дифракция света проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании волнами препятствий, в проникновении света в область геометрической тени.

В качестве неоднородности среды в работе используют щель между губками штангенциркуля. Сквозь эту щель смотрят на вертикально расположенную нить горящей лампы. При этом по обе стороны от нити, параллельно ей, видны радужные полосы. При уменьшении ширины щели полосы раздвигаются, становятся шире и образуют ясно различимые спектры. Этот эффект наблюдается особенно хорошо при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси.

Другую дифракционную картину наблюдают на тонкой нити. Рамку с нитью располагают па фоне горящей лампы параллельно нити накала. Удаляя и приближая рамку к глазу, получают дифракционную картину, когда светлые и темные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине, в области ее геометрической тени, наблюдается светлая полоса.

На капроновой ткани можно наблюдать дифракционную картину. В капроновой ткани имеется два выделенных взаимно перпендикулярных направления. Поворачивая ткань вокруг оси, смотрят сквозь ткань на нить горящей лампы, добиваясь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос (дифракционный крест). В центре креста виден дифракционный максимум белого цвета, а в каждой полосе - по несколько цветов.

Задания

Самостоятельно изучите методическое указание по выполнению лабораторной работы.
Выполните опыты по наблюдению интерференции света.

Опыт 1 : зажгите спиртовку, внесите в пламя комочек ваты смоченной раствором хлорида натрия, при этом пламя окрасится в желтый цвет. Опустите проволочное кольцо в раствор мыла для получения мыльной пленки. Зарисуйте в отчете интерференционную картину, полученную в пленке при освещении желтым светом спиртовки.

Опыт 2 : рассмотрите мыльную пленку при освещении ее белым светом (от окна или лампы).

Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.

Опыт 3 : выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.

Опыт 4 : сожмите друг с другом две стеклянные пластинки. Опишите наблюдаемую интерференционную картину. Определите изменение интерференционной картины при увеличении силы, сжимающей пластины.

Опыт 5 : возьмите CD-диск и направьте на него световые лучи от лампочки. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска.

Выполните опыты по наблюдению дифракции света.

Опыт 1: возьмите штангенциркуль и установите щель между его губками. Посмотрите сквозь эту щель на вертикально расположенную нить горящей лампы. Зарисуйте две дифракционные картины, наблюдаемые при рассмотрении нити горящей лампы через щель штангенциркуля (при ширине щели 0,05 и 0,08 мм). Опишите изменение характера дифракционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (а=0,8мм).

Опыт 2: возьмите капроновую ткань и посмотрите сквозь нее 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, опишите его.

Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, рисунки интерференционной и дифракционной картин, их описание и объяснения, выводы по работе.

Контрольные вопросы

Дайте определения интерференции и дифракции света.
При каком условии наблюдается интерференционная картина?
Назовите условие когерентности световых волн.
Что доказывает явление интерференции света.
Приведите примеры дифракции света.

Литература

Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.

Работа рассчитана на 2 часа

Лабораторная работа № 12

Тема: Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки

Цель работы: измерить длину световой волны с помощью дифракционной решетки.

Оборудование: источник света, дифракционная решетка, прибор для измерения длины световой волны.

Пояснения к работе

Дифракционную решетку используют для разложения света в спектр и измерения длины световой волны. Простейшая дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которой с помощью точной делительной машины нанесены параллельно друг другу царапины и установлены узкие неповрежденные полоски. Процарапанные места непрозрачны для света, и световые волны, подходя к решетке, огибают это царапины. Принято называть периодом решетки d сумму размеров прозрачной и непрозрачной полос. Например, если на дифракционной решетке имеется 100 штрихов на 1 мм, то период решетки d=0,01 мм.

Пусть на решетку по нормали падает параллельный монохроматический (все волны имеют одну длину волны) пучок света. Свет, проходя через узкие щели, испытывает дифракцию, и лучи под разными углами отклоняются от первоначального направления. Каждую щель дифракционной решетки можно считать самостоятельным источником когерентных излучений. Поэтому в каждой точке экрана будет происходить сложение многочисленных лучей, приходящих от каждой щели дифракционной решетки, и возникает их интерференция. Так как исходная световая волна падает на решетку нормально, то начальные фазы всех лучей одинаковы. Расстояние от решетки до экрана значительно больше ее размеров, поэтому лучи из различных щелей, инфрагирующие под одним и тем же углом Θ, будут попадать в одну и ту же точку на экране. Ее координата b определяется выражением:

sin Θ ≈ tg Θ = b/a ,

где принято, что углы дифракции малы, поэтому можно заменить значение синуса тангенсом. Разность хода этих лучей связана с углом дифракции соотношением:

Если разность хода лучей равна целому числу m=1,2,3,…длин волн, то: ∆ = m λ, и при сложении они взаимно усиливают друг друга, и наблюдается максимум, который называется главным дифракционным максимумом порядка m.

Углы дифракции, соответствующие главным максимумам, определяются из формулы:

∆=d sin Θ m = mλ.

Правая часть этого уравнения называется уравнением дифракционной решетки. Как видно из него, положение дифракционного максимума зависит от длины волны и порядка максимума m: чем больше длина волны света и номер порядка, тем больше угол дифракции. Поэтому при освещении решетки белым светом лучи с различной длиной волны дифрагируют под различными углами, и в результате дифракционный максимум преобразуется в спектр. На экране при этом образуется набор спектров, которые могут частично перекрывать друг друга (каждому значению порядка дифракции m соответствует один спектр). Предельное число спектров, которое можно получить при помощи решетки, определяет отношение: m max =d/λ.

При m=0 изображение создается пучком, параллельным падающему пучку света (Θ=0), и суммируются действия всех лучей независимо от длин волн, поэтому в центре наблюдается световая полоса белого цвета.
Задания

Самостоятельно изучите методическое указание по выполнению лабораторной работы.
Поместите дифракционную решетку в рамку прибора.
Смотря сквозь дифракционную решетку, направьте прибор на источник света так, чтобы последний был виден сквозь узкую прицельную щель экрана. При этом по обе стороны от щели на черном фоне появятся дифракционные спектры нескольких порядков. В случае наклонного положения спектров поверните решетку на некоторый угол до устранения перекоса. Определите положение красной и фиолетовой границы спектра для 1-го и 2-го порядков. Измерьте расстояние от щитка до решетки и рассчитайте длину волны для фиолетового и красного света по формуле:

Расстояние а – от решетки до экрана, расстояние b – от прорези до линии спектра определяемой волны, m – порядок спектра, d – постоянная решетки.

Повторите измерения длин фиолетового и красного света при меньшем расстоянии а от дифракционной решетки.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

№ опыта	Постоянная решетки, d, мм	Порядок спектра, m	Расстояние от решетки до шкалы, а , мм	Величина отклонения, b, мм		Длина световой волны, λ, мм
№ опыта	Постоянная решетки, d, мм	Порядок спектра, m	Расстояние от решетки до шкалы, а , мм	фиолет.	красн.	фиолет	красн.
1
2

Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, перечень необходимого оборудования, расчетные соотношения, таблицу с результатами измерений и вычислений, вывод по работе.
Устно ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

Какие волны (красного или фиолетового света) сильнее дифрагируют и почему?
Дайте определение дифракции света.
Как зависит угол дифракции от периода решетки?
Для чего служит дифракционная решетка?
Как определить длину световой волны?

Литература

Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.

Работа рассчитана на 2 часа

Цель урока:

обобщить знания по теме “Интерференция и дифракция света”;
продолжить формирование экспериментальных умений и навыков учащихся;
применить теоретические знания для объяснения явлений природы;
способствовать формированию интереса к физике и процессу научного познания;
способствовать расширению кругозора учащихся, развитию умения делать выводы по результатам эксперимента.

Оборудование:

лампа с прямой нитью накала (одна на класс);
кольцо проволочное с ручкой (работы №1,2);
стакан с мыльным раствором (работы №1,2);
пластинки стеклянные (40 х 60мм) по 2 штуки на один комплект (работа№3) (самодельное оборудование);
штангенциркуль (работа №4);
ткань капроновая (100 х 100мм, самодельное оборудование, работа №5);
грампластинки (4 и 8 штрихов на 1мм, работа №6);
компакт-диски (работа №6);
фотографии насекомых и птиц (работа №7).

Ход занятия

I. Актуализация знаний по теме “Интерференция света”(повторение изученного материала).

Учитель: Перед выполнением экспериментальных заданий повторим основной материал.

Какое явление называют явлением интерференции?

Для каких волн характерно явление интерференции?

Дайте определение когерентных волн.

Запишите условия интерференционных максимумов и минимумов.

Соблюдается ли закон сохранения энергии в явлениях интерференции?

Ученики (предполагаемые ответы):

– 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.

– На доске ученики записывают условия максимумов и минимумов.

Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d 2 – d 1 .

рисунок1 – условия максимумов

рисунок2 – условия минимумов

, ()

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна четному числу полуволн)

Волны от источников S 1 и S 2 придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.

Фазы колебаний

Разность фаз

А=2Х max – амплитуда результирующей волны.

, ()

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)

Волны от источников S 1 и S 2 придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.

Фазы колебаний

Разность фаз

А=0 – амплитуда результирующей волны.

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.

Учитель: Переходим к практической части урока.

Экспериментальная работа №1

“Наблюдение явления интерференции света на мыльной пленке”.

Оборудование: стаканы с раствором мыла, кольца проволочные с ручкой диаметром 30 мм. (см. рисунок 3 )

Учащиеся наблюдают интерференцию в затемненном классе на плоской мыльной пленке при монохроматическом освещении.

На проволочном кольце получаем мыльную плёнку и располагаем её вертикально.

Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки (см. рисунок 4 ).

Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h

Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки.

При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – светлые полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки .

4. Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы).

5. Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

6.Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Экспериментальная работа №2

“Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре”.

1. Учащиеся выдувают мыльные пузыри (См. рисунок 5).

2. Наблюдаем на верхней и нижней его части образование интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины .

Экспериментальная работа № 3.

“Наблюдение интерференции света на воздушной пленке”

Чистые стеклянные пластинки учащиеся складывают вместе и сжимают пальцами (см. рисунок №6).

Пластинки рассматривают в отраженном свете на темном фоне.

Наблюдаем в некоторых местах яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.

Измените нажим и пронаблюдайте изменение расположения и формы полос.

Учитель: Наблюдения в этой работе носят индивидуальный характер. Зарисуйте наблюдаемую вами интерференционную картину.

Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. (рисунок№ 7).

В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Учитель: Явление интерференции и поляризации в строительной и машиностроительной технике используют для изучения напряжений, возникающих в отдельных узлах сооружений и машин. Метод исследования называют фотоупругим. Например, при деформации модели детали однородность органического стекла нарушается .Характер интерференционной картины отражает внутренние напряжения в детали (рисунок№ 8).

II. Актуализация знаний по теме “Дифракция света” (повторение изученного материала).

Учитель: Перед выполнением второй части работы повторим основной материал.

Какое явление называют явлением дифракции?

Условие проявления дифракции.

Дифракционная решетка, ее виды и основные свойства.

Условие наблюдения дифракционного максимума.

Почему фиолетовый цвет ближе к центру интерференционной картины?

Ученики (предполагаемые ответы):

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Условие проявления дифракции: d < , где d – размер препятствия, - 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 пучек 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:

Экспериментальная работа № 4.

“Наблюдение дифракции света на узкой щели”

Оборудование: (см рисунок№ 9 )

Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.
Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая шель вертикально).
Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы.
Наблюдаютем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски.
Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются, становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой.
Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину.

Экспериментальная работа № 5.

“Наблюдение дифракции света на капроновой ткани”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, ткань капроновая размером 100x100мм (рисунок 10)

Смотрим через капроновую ткань на нить горящей лампы.
Наблюдаем “дифракционный крест” (картина в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос) .
Ученики зарисовывают в тетрадь увиденную картину (дифракционный крест).

Объяснение: В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета.

Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

Экспериментальная работа № 6.

“Наблюдение дифракции света на грампластинке и лазерном диске”.

Оборудование: лампа с прямой нитью накала, грампластинка (см. рисунок 11)

Грампластинка является хорошей дифракционной решеткой.

Располагаем грампластинку так, чтобы бороздки расположились параллельно нити лампы и наблюдаем дифракцию в отраженном свете.
Наблюдаем яркие дифракционные спектры нескольких порядков.

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на грампластинку бороздок и от величины угла падения лучей. (см. рисунок 12)

Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Аналогичным образом пронаблюдаем дифракцию на лазерном диске. (см. рисунок 13)

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света.На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Экспериментальная работа № 7.

“Наблюдение дифракционной окраски насекомых по фотографиям”.

Оборудование: (см рисунки № 14, 15, 16.)

Учитель: Дифракционная окраска птиц, бабочек и жуков весьма распространена в природе. Большое разнообразие в оттенках дифракционных цветов свойственно павлинам, фазанам, черным аистам, колибри, бабочкам. Дифракционную окраску животных изучали не только биологи но и физики .

Учащиеся рассматривают фотографии.

Объяснение: Внешняя поверхность оперения у многих птиц и верхний покров тела бабочек и жуков характеризуются регулярным повторением элементов структуры с преиодом от одного до нескольких микрон, образующих дифракционную решетку . Например, структуру центральных глазков хвостового оперения павлина можно увидеть на рисунке № 14. Цвет глазков меняется в зависимаости от того, как падает на них свет, под каким углом мы на них смотрим.

Контрольные вопросы (каждый ученик получает карточку с заданием – ответить письменно на вопросы):

Что такое свет?
Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
Какова скорость света в вакууме?
Кто открыл интерференцию света?
Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок?
Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?
Почему видимая радужная окраска мыльной пленки все время меняется?

Домашнее задание (по группам, с учетом индивидуальных особенностей учащихся).

– Подготовить сообщение по теме “Парадокс Вавилова”.

– Составить кроссворды с ключевыми словами “интерференция”, “дифракция”.

Литература:

Арабаджи В.И. Дифракционная окраска насекомых / “Квант” №2 1975г.
Волков В.А. Универсальные поурочные разработки по физике. 11 класс. – М.: ВАКО, 2006г.
Козлов С.А. О некоторых оптических свойствах компакт-дисков. / “Физика в школе” №1 2006г.
Компакт-диски / “Физика в школе” №1 2006г.
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 2000 г.
Фабрикант В.А. Парадокс Вавилова / “Квант” №2 1971г.
Физика: Учеб. для 11 кл. сред. шк. / Н.М.Шахмаев, С.Н.Шахмаев, Д.Ш.Шодиев. – М.: Просвещение, 1991г.
Физический энциклопедический словарь / “Советская энциклопедия”, 1983г.
Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7 – 11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. для учителя/В.А.Буров, Ю.И.Дик, Б.С.Зворыкин и др.; Под ред. В.А.Бурова, Г.Г.Никифорова. – М.: Просвещение: Учеб. лит., 1996г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И КУЛЬТУРЫ

ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования Тульской области
«Липковский политехнический техникум»

к открытому уроку «Наблюдение интерференции и дифракции света» (лабораторная работа)

Липки, 2012 год

Подготовил преподаватель

Воробьева Е.А. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Лабораторная работа выполняется с помощью компьютерной программы «Виртуальные лабораторные работы по физике 11 класс» (Электронное учебное издание Издательства Дрофа).

С помощью программы на экранах компьютера выводятся результаты экспериментов. Это одна из лабораторных работ, на которых оттачивается умение студентов наблюдать и анализировать увиденное. В ходе выполнения лабораторной работы преследуется выполнение следующих целей:

Учебные:

Обобщить знания по теме «Интерференции и дифракции света»;

Применить теоретические знания для объяснения явлений природы.

Воспитательные:

Способствовать формированию интереса к физике и процессу научного познания;

Способствовать расширению кругозора учащихся, развитию умения делать выводы по результатам эксперимента.

Отчет о данной работе строится по принципу «Наблюдали то-то …». Результаты наблюдений студенты записывают в отчет по лабораторной работе, который приведен в методических рекомендациях по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 140118 и 190631. В конце лабораторной работы приведены контрольные вопросы, на которые необходимо ответить для зачета по лабораторной работе. Контроль знаний можно осуществить с помощью компьютерного тестирования или устного ответа студента. При успешном выполнении лабораторной работы выставляется оценка «зачет».

Ход урока:

Часть 1. Актуализация знаний по теме «Интерференция света» (повторение изученного материала)

Преподаватель:

Какое явление называется интерференцией света?
Для каких волн характерно явление интерференции?
Дайте определение когерентных волн.

Студенты: отвечают на вопросы:

Предполагаемые ответы:

Интерференция – явление характерно для волн любой природы: механической и электромагнитных. Интерференцией называют явление, возникающее при наложении двух (или нескольких) световых волн одинакового периода в однородной изотропной среде, в результате чего происходит перераспределение энергии волн в пространстве (1, стр. 344) Возникает усиление или ослабление результирующей волны.
Необходимым условием интерференции волн является их когерентность. (1, с. 345)
Когерентными называются волны, которые имеют одинаковую частоту и постоянная во времени разность фаз.(1, с. 345)

Преподаватель:

Студенты: считают в методических рекомендациях теоретическое обоснование к части 1(Приложение)

Преподаватель: выводит на экран изображение для части 1 п. 3. (Приложение)

Студенты: выполняют пункт 4 методических рекомендаций. Устные объяснения: наблюдаем темные и светлые горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины пленки.

Преподаватель: меняет изображение на экране

Студенты выполняют пункт 5. Предполагаемый ответ Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета. Верху - синий (фиолетовый), внизу – красный. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего света. Так как белый свет сложный, состоящий из семи цветов.

Преподаватель

Студенты выполняют пункт 6. Предполагаемый ответ: Наблюдаем на верхней и нижней его части образование интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий (фиолетовый) цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца расширяются, перемещаясь вниз под действием силы тяжести.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 7. Предполагаемый ответ: Наблюдаем в некоторых местах яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы. Из-за не идеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные прослойки.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 8. Предполагаемый ответ: При изменении силы, сжимающей пластинки, расположение и форма полос изменяется. Радужная окраска становится менее заметной, так как уменьшается толщина воздушной прослойки.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 9. Предполагаемый ответ: Интерференция отраженных световых лучей проявляется особенно наглядно. Видим яркий спектр световых лучей от фиолетового до красного. Яркость зависит от частоты нанесенных бороздок.в

Часть 2. Актуализация знаний по теме «Дифракция света» (повторение изученного материала)

Преподаватель: перед выполнением экспериментальных заданий повторим основной материал:

Какое явление называется дифракцией света?
Условия проявления дифракции.

Студенты: отвечают на вопросы:

Предполагаемые ответы:

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и отгибании волной малых препятствий (1, стр. 350).
Условие проявления дифракции: размер препятствия меньше или равен длине волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны. (1, стр. 351)

Преподаватель: переходим к практической части.

Студенты: читают в методических рекомендациях теоретическое обоснование к части 2. (Приложение)

Преподаватель: выводит на экран изображения для части 2 п. 1. (Приложение)

Студенты: выполняют пункт 1 части 2 методических рекомендаций. Устные объяснения: По обе стороны от нити параллельно ей видны радужные полосы. При уменьшении ширины щели полосы раздвигаются, становятся шире и образуют ясно различимые спектры. Так как препятствия в виде щели штангенциркуля становятся соизмеримы с длиной волны видимого света.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 2. Предполагаемый ответ: При плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси, радужные полосы раздвигаются и становятся шире, образую ясно различимые спектры.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 3. Предполагаемый ответ: Получают дифракционную картину, когда светлые и темные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине в области геометрической тени наблюдается светлая полоса.

Преподаватель меняет изображение на экране.

Студенты выполняют пункт 4. Предполагаемый ответ: В центре креста виден дифракционный максимум белого света, а в каждой полосе по несколько радужных цветов. Нити в пространстве пересекаются под прямым углом, поэтому получается двухмерная решетка.

Преподаватель: проанализировав наблюдения, необходимо сделать вывод.

Студенты делают вывод. Предполагаемый ответ: В данной лабораторной работе наблюдали и объясняли характерные особенности явлений интерференции и дифракции света.

Преподаватель : для того, чтобы лабораторная работа была зачтена, необходимо ответить на контрольные вопросы в конце лабораторной работы.

Литература:

(стр. 344, 350)
(стр. 416, 420, 425)

Приложение

Лабораторная работа № 11

Наблюдение интерференции и дифракции света

Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.

Часть I

Наблюдение интерференции света

Оборудование: 1) спички, 2) спиртовка, 3) комочек ваты на проволоке в пробирке, смоченный раствором хлорида натрия, 4) проволочное кольцо с ручкой, 5) стакан с раствором мыла, 6) трубка стеклянная, 7) пластинки стеклянные - 2 шт., 8) CD-диск.

Теоретическое обоснование.

Необходимое оборудование для наблюдения интерференции света на мыльной пленке представлено на рисунке 1. Для наблюдения интерференции при монохроматическом излучении в пламя спиртовки вносят комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия. При этом пламя окрашивается в желтый цвет. Опуская проволочное кольцо 4 в раствор мыла 5, получают мыльную пленку, располагают ее вертикально и рассматривают на темном фоне при освещении желтым светом спиртовки. Наблюдают образование темных и желтых горизонтальных полос (рисунок 2) и изменение их ширины по мере уменьшения толщины пленки.

В тех местах пленки, где разность хода когерентных лучей равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы, а при нечетном числе полуволн - темные полосы.

При освещении пленки белым светом (от окна или лампы) возникает окрашивание светлых полос: вверху - в синий цвет, внизу - в красный. С помощью стеклянной трубки 6 на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, расширяясь, перемещаются вниз.

Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг с другом стеклянных пластинок 7.

Из-за не идеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные прослойки, дающие яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.

Часть II

Наблюдение дифракции света

Оборудование : 1) штангенциркуль, 2) лампа с прямой нитью накала, 3) рамка картонная с вырезом, в котором натянута проволока диаметром 0,1-0,3 мм, 4) капроновая ткань черного цвета.

Теоретическое обоснование

Дифракция света проявляется в нарушении прямолинейности распространения световых лучей, огибании светом препятствий, в проникновении света в область геометрической тени. Пространственное распределение интенсивности света за неоднородностью среды характеризует дифракционную картину.

Другую дифракционную картину наблюдают на тонкой нити. Рамку с нитью располагают на фоне горящей лампы параллельно нити накала (рисунок) Удаляя и приближая рамку к глазу, получают дифракционную картину, когда светлые и темные полосы располагаются по сторонам нити, а в середине, в области ее геометрической тени, наблюдается светлая полоса (рисунок).

Порядок выполнения работы

Часть I

1. Зажгите спиртовку.

2. Внесите в пламя комочек ваты, смоченной раствором хлорида натрия.

3. Опустите проволочное кольцо в раствор мыла для получения мыльной пленки.

4. Зарисуйте интерференционную картину, полученную на пленке при освещении желтым светом спиртовки.

5. Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.

6. Выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

7. Опишите интерференционную картину, наблюдаемую от двух сжатых стеклянных пластинок.

8. Как изменяется наблюдаемая картина при увеличении силы, сжимающей пластинки вместе?

9. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска.

Часть II

1. Зарисуйте две дифракционные картины, наблюдаемые при рассмотрении нити горящей лампы через щель штангенциркуля (при ширине щели 0,05 и 0,8 мм).

а = 0,05 мм а = 0,8 мм

2. Опишите изменение характера интерференционной картины при плавном повороте штангенциркуля вокруг вертикальной оси (а = 0,8 мм).

3. Рамку с нитью расположите на фоне горящей лампы параллельно нити накала (см. рис. 3). Перемещая рамку относительно глаза, добейтесь того, чтобы в середине, в области геометрической тени нити, наблюдалась светлая полоса. Зарисуйте дифракционную картину, наблюдаемую за тонкой нитью.

4. Посмотрите сквозь черную 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, опишите его.

Вывод :

Контрольные вопросы:

Что называют интерференцией света?
Какие волны называют когерентными?
Сформулируйте условие максимумов и минимумов интерференции.
Что называют дифракцией света?

Литература:

Дмитриева В.Ф. Физика для профессий специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений среднего профессионального образования – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 448 с. (стр. 344, 350)
Пинский А.А., Грановский Г.Ю. Физика: Учебник / Под общ. ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой. – 2-е изд., испр. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 560 с.: ил. – (Профессиональное образование) (стр. 416, 420, 425)