Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Общие рекомендации




При изучении раздела «Световые явления» вы узнали, что в однородной изотропной среде свет распространяется прямолинейно. Если на пути светового пучка расположить какой-то предмет, то на экране должна возникнуть тень этого предмета.

А всегда ли выполняется сформулированный закон, и имеют место сделанные на его основе выводы?

Вам предлагается провести исследование интересного и очень важного в практическом отношении оптического явления и выявить его закономерности, выполняя ряд опытов. Правильность сделанных Вами выводов будет зависеть от аккуратности при выполнении измерений и тщательности обработки экспериментальных данных. Поэтому после выполнения задания 1 и общего знакомства со всеми заданиями подумайте, как выполнять измерения, чтобы их погрешности были меньшими.

Вам предстоит большой объем работы, и поэтому нужно позаботиться о том, чтобы результаты измерений были представлены в форме, удобной для последующей обработки данных и построения графиков. Обычно результаты измерений и вычислений сводят в таблицы. Графики постройте на миллиметровой бумаге, выбирая оси координат так, чтобы можно было делать однозначные выводы о характере устанавливаемых зависимостей. Соблюдайте при этом общие правила построения графиков.

При экспериментальном определении величин не забывайте о том, что абсолютно точных измерений не бывает. При оценке погрешностей учтите,чтогелий-неоновый лазер генерирует излучение в диапазоне частот Δν ≈ 1 МГц (в шкале длин волн ему соответствует интервал Δλ ≈ 1,3 ∙ 10-13 м).

Желаем Вам успешного проведения исследовательской работы!

Приборы и принадлежности:

-5 лезвий;

- по одному отрезку проволоки разного (0,1 ÷ 0,4 мм) диаметра длиной 3 – 5 см;

- рамки для слайдов или плотный картон;

- пластилин или скотч;

- ножницы;

- 3 иглы разного диаметра и зажигалка (для обжига отогнутой иглой бумаги у краёв отверстий);

- дифракционные решётки из школьного набора по оптике;

- кусочки ткани (органза) или капроновой ленты размером 4 х 4 см;

- 2 источника излучения (гелий-неоновый и полупроводниковый лазеры), генерирующих излучение с разной длиной волны;

- школьная установка для определения длины волны излучения с помощью дифракционной решётки;

- лампа накаливания;

- цветное изображение сплошного спектра, градуированного в шкале длин волн [2];

- линейка длиной 40 см;

- рулетка длиной 3 ÷ 4 м;

- микрометр;

- штангенциркуль;

- 2 штатива с лапками для крепления объектов;

- экран;

- миллиметровая бумага.

Задание 1.С использованием лезвий, иголок, рамок для слайдов (или картона) и пластилина или скотча изготовьте объекты-диафрагмы с отверстиями разной формы и размеров (круглые, прямоугольные, в виде щели, двойной щели, широких отверстий, пересеченных одиночными проволочками разного диаметра).

Установите поочерёдно изготовленные Вами диафрагмы на пути пучка лазерного излучения на расстоянии порядка (1,5 ÷ 3) м от экрана. Вычертите схему экспериментальной установки. Схематически изобразите наблюдаемое распределение интенсивностей излучения.

Сравните форму наблюдаемых в каждом опыте световых пятен с формой объектов, освещаемых излучением лазерного источника.

Сравните наблюдаемые картины, отмечая в них сходные и различные черты.

Предложите объяснение симметричности наблюдаемых картин.

Акцентируйте внимание на условиях, при которых существует не соответствующее законам геометрической оптики распределение интенсивности.

 

Вы, конечно, обратили внимание на подобие в распределении интенсивности изучения на экране после прохождения его через щели различной ширины. Выяснить закономерности, характерные для расположения минимумов освещённости (тёмных пятен) в получаемых картинах, и применить их практически вы сможете, выполняя задания 2 – 7.

Задание 2. Исследуйте, как зависит от ширины щели b координата xm минимума освещённости заданного порядка (m = ± 1)в картине, наблюдаемой при освещении щелей гелий-неоновым лазером, генерирующим излучение красного цвета с длиной волны
λ = 632,8 нм. В качестве щели используйте губки штангенциркуля, закреплённого в штативе так, чтобы стойка не мешала наблюдениям; ширину щели измеряйте, используя нониус-шкалу штангенциркуля.

Порядковый номер минимума освещённости отсчитывайте от центра наблюдаемой картины. В целях уменьшения погрешностей измеряйте расстояние 2xm между минимумами одного порядка, симметрично расположенными относительно центрального яркого пятна. Результаты измерений внесите с таблицу 1 (приложение Б).

Повторите измерения, выбирая минимумы освещённости других порядков:
m = ± 2, . ± 3,… .

Постройте соответствующие различным значениям m графики зависимости координаты минимума интенсивности от ширины щели xm = f(b). Выберите оси координат для построения графиков так, чтобы можно было сделать однозначное заключение о характере исследуемой зависимости.

Сделайте обоснованный вывод о характере зависимости xm = f(b).

Задание 3.Исследуйте, как зависит от расстояния L между щелью и экраном координата xm минимума освещённости заданного порядка m в картине, наблюдаемой при освещении щели фиксированной ширины b гелий-неоновым лазером, генерирующим излучение с длиной волны λ = 632,8 нм. Результаты занесите в таблицу 2 (приложение Б).

Повторите опыты, выбирая другие значения:

а) порядка минимума m;

б) ширины щели b.

Постройте графики зависимости xm = f(L), соответствующие различным значениям m и различным значениям b.

Сделайте обоснованный вывод о характере зависимости xm = f(L).

Задание 4.Исследуйте, как зависит координата минимума освещённости от его порядка m в картине, наблюдаемой при освещении щели излучением гелий-неонового лазера (длина волны излучения 632,8 нм). Заполните таблицу 3 (приложение Б). Постройте график зависимости xm = f(m). Ширину щели и расстояние до экрана выберите самостоятельно. Сделайте обоснованный вывод о характере зависимости.

Сравните вывод, полученный в результате непосредственных измерений, с тем, который можно получить, используя графические зависимости, полученные при выполнении заданий 2 и 3, при b = const и L= const.

Задание 5.Сравните координаты xm минимумов освещённости в картине, получаемой с использованием гелий-неонового и полупроводникового лазера. Пользуясь плакатом с изображением сплошного спектра, градуированного в шкале длин волн (оно имеется на обложке тетради для лабораторных и экспериментальных исследований для одиннадцатого класса [2]), сделайте предположение о характере зависимости координат минимумов освещённости от длины волны излучения (при фиксированных значениях величин b, m и L).

Задание 6. Комбинируя выявленные экспериментально и предполагаемую зависимости, составьте формулу, соответствующую функции xm = f(b, L, λ, m). Учтите при этом, какой тригонометрической функции соответствует отношение xm /L для малых углов. Отметьте соответствующие углы на схеме проведённых вами опытов. (При записи формулы воспользуйтесь подсказкой о том, что xm /L ≈ tgφ ≈ sinφ ≈ φ. При этом угол φ измеряется в радианах.)

Используя результаты произведённых измерений, определите значение коэффициента пропорциональности в записанной вами функции xm = f(b, L, λ, m), а затем запишите итоговую формулу.

Задание 7.Применяя полученную формулу и экспериментальные данные, определите длину волны излучения полупроводникового лазера. Определите погрешность определения длины волны. Определите положение найденной вами длины волны на шкале электромагнитных волн; обратите внимание на соответствие цвета излучения полупроводникового лазера цвету излучения, соответствующего найденной вами длине волны в сплошном спектре. Объясните несоответствие, если оно будет обнаружено.

 

Освоенную вами методику экспериментального исследования можно применить для изучения прохождения света через систему параллельных друг другу одинаковых по ширине b и расположенных на одинаковом расстоянии a щелей, называемую дифракционной решёткой. Расстояние d = b + a называют периодом, или постоянной дифракционной решётки. Таблицы для записи результатов измерений при выполнении заданий 8 – 10могут бытьаналогичны соответствующим таблицам 1– 4 приложения Б.

Задание 8.Поместите на пути пучка излучения, генерируемого гелий-неоновым лазером, одномерную дифракционную решётку. Исследуйте, как зависят координаты xm максимумовосвещённости в получаемой картине от:

а) расстояния L между дифракционной решёткой и экраном (при фиксированном значении m);

б) номера максимума m (при фиксированном значении L).

в) расстояния d между соседними щелями в дифракционной решётке. Предварительно определите период дифракционной решётки, зная, сколько щелей содержится на каждом миллиметре её длины (в наборе по оптике, выпускаемом для школ Беларуси, имеются дифракционные решётки, содержащие 50, 100, 125 щелей на отрезке миллиметровой длины).

Постройте графики, соответствующие результатам экспериментов.

Сформулируйте обоснованные выводы о характере установленных зависимостей;

г) проводя качественное сравнение формируемого дифракционной решёткой спектра излучения лампы накаливания и изображения сплошного спектра, градуированного в шкале длин волн, сделайте предположение о том, как зависит положение максимума освещённости от длины волны излучения λ;

д) скомбинируйте общую формулу xm = f(d, L, λ, m), отражающую закономерности − выявленные экспериментально и предполагаемую. Используйте при этом свойство тригонометрических функций малых углов применительно к отношению величин xm и L (смотри задание 6). Не забудьте определить числовое значение коэффициента пропорциональности.

Задание 9.Воспользуйтесь скомбинированной вами формулой и экспериментальными данными, полученными с использованием гелий-неонового лазера, для определения периода d дифракционной решётки, для которой вам неизвестно число щелей на отрезке длиной 1 мм. Определите погрешности.

Задание 10. С использованием различных дифракционных решёток определите длину волны излучения полупроводникового лазера. Определите погрешности. Сравните найденное значение длины волны с тем, которое определено с применением щели (при выполнении задания 7).

Задание 11.Воспользуйтесь полученными результатами применительно к двумерной дифракционной решётке иопределите экспериментально расстояние между нитями основы (продольными нитями) и утка (поперечными нитями) в образцах ткани-органзы или капроновой ленты, используемых соответственно для шитья занавесок и завязывания бантов. Результаты измерений занесите в таблицы 5 и 6 (приложение Б). Вычислите погрешности.

Поздравляем Вас! Вы познакомились с явлением дифракции оптического излучения и самостоятельно установили его закономерности.

А при каких условиях это явление возможно?

При каком условии не выполняются законы геометрической оптики?

Выясните это, анализируя результаты выполненных экспериментов.

Задание 12. Вычислите применительно ко всем произведённым вами опытам величину , где λ – длина волны излучения, L – расстояние от объекта, взаимодействующего со светом, до экрана, D – характерный размер объекта (ширина щели, период дифракционной решётки). Качественно оцените влияние величины р, называемой волновым параметром, на контрастность (чёткость) наблюдаемых дифракционных картин и условия их формирования.

Задание 13.Оформите отчет о проведённом экспериментальном исследовании и сформулируйте сделанные вами выводы о сути явления дифракции, об условиях наблюдения этого явления, установленных вами закономерностях и о возможном практическом применении дифракции. На основе материалов отчёта подготовьте сообщение к научной конференции школьников.


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 41; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.005 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты