Робота №3. Вимірювання радіусу частинок при дифракції на малому круглому екрані

Обладнання: лазер, скляна пластинка з лікоподієм, екран, вимірювальна стрічка.

Схема установки аналогічна показаній на рис. 3.2, замінивши щілину 3 на ширму з діафрагмою і гратку 4 на скляну пластинку з лікоподієм.

При цьому на екрані у відбитому від скляної пластинки з частинками лікоподію спостерігається картина концентричних темних і світлих кілець. Для першого, третього, п’ятого і т.д. темних кілець кутові радіуси визначаються співвідношеннями:

; ;

де r - радіус частинки, що викликала дифракцію монохроматичного випромінювання довжиною хвилі .

Для другого, четвертого і т.д. світлих кілець кутові радіуси визначаються виразами:

;

Щоб визначити радіус частинок, учням пропонується дослідним шляхом визначити значення кутів ₁ ,₂, ₃, ₄, ₅.

Для цього в ході роботи учні вимірюють діаметр відповідного світлого або темного концентричного кільця - на екрані і відстань від скляної пластинки з частинками лікоподію до екрану і використовують формулу:

.

За одержаними вимірюваннями визначають розміри частинок лікоподію й аналізують результати лабораторної роботи.

Робота №4. Визначення порядку інтерференційних смуг рівного нахилу

Обладнання: лазер, об'єктив з круглим екраном, скляна пластинка з утримувачем.

Висока часова когерентність лазерного випромінювання дозволяє спостерігати інтерференційну картину смуг рівного нахилу від скляної пластинки великої товщини (порядка 15 мм).

Установку збирають таким чином. Випромінювання лазера направляють паралельно оптичній лаві. Об'єктив із спеціальним круговим екраном центрують щодо лазерного пучка. Сформованим об'єктивом світловим конусом освітлюють скляну пластинку завтовшки 15 мм, що знаходиться на відстані b від об'єктиву з екраном.

Лазерне випромінювання, відбите від обох граней скляної пластинки, перекривається на екрані і дає систему кілець рівного нахилу. Для відбитого світла умова інтерференційного мінімуму для кута падіння запишеться: ;- товщина пластини,- показник заломлення скла,- порядок інтерференції,- кут заломлення світла в середині пластинки.

Враховуючи співвідношення і те, що діаметр інтерференційного кільця на екрані значно менший від відстані до екрана, тобто D « L, одержимо, що,, де R – радіус кільця на екрані.

Таким чином, учні, вимірявши R і L, визначають значення кута і, а з умови спостереження інтерференційного мінімуму у відбитому світлі обчислюють максимальний порядок інтерференції в умовах виконуваної роботи.

Теоретичні відомості і виконання робіт №3 і №4 можна розширити згідно вказівок, що є у фізичному практикумі [44].

Робота №5. Дослідження інтенсивності лазерного випромінювання у дифракційному спектрі

Обладнання: лазер, висувні стрижні від проекційного ліхтара з двома ширмами на рейтерах, дифракційна гратка, штатив – 2 шт., лінза №3, легка тринога, фотоелемент ФЕК-1, гальванометр М-273, опір 14-15 Ом, лінійка учнівська, стрічка вимірювальна.

При вивченні дифракції світла в 11 класі учні знайомляться з будовою і призначенням дифракційної ґратки. Проте у підручниках [17; 25; 33] та [21; 22] про інтенсивність дифракційних максимумів від ґратки нічого не сказано. Тому доцільно в теоретичних відомостях до даної лабораторної роботи детальніше розглянути ту обставину, що відстань h між головними максимумами від дифракційної ґратки при визначенні залежить від періоду їїd, а розподіл інтенсивності між окремими максимумами визначається співвідношенням між шириною щілини - а і періодом ґратки d. При певних співвідношеннях між цими величинами деякі головні максимуми можуть бути взагалі відсутнім [28].

В ході виконання роботи учням пропонується зібрати установку за схемою (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема установки роботи №5: 1 - лазер, 2 - лінза №3, 3 - ширма з щілиною шириною 1÷2 мм, 4 - дифракційна гратка, 5 –фотоелемент ФЕК-1, 6 - гальванометр, зашунтований опором.

Після увімкнення лазера учні коректують розташування всіх деталей установки, щоб дифракційний спектр був розташований симетрично середині лінійки, закріпленої в лапці одного з штативів на висоті лазерного випромінювання.

Розташувавши безпосередньо перед лінійкою фотоелемент зі щілиною і змінюючи його положення уздовж лінійки від одного кінця до іншого, помічають відхилення стрілки гальванометра, і записують ці дані.

За одержаними результатами учні будують графік залежності фотоструму від відстані, тобто будують криву розподілу інтенсивності лазерного випромінювання в дифракційному спектрі. Графік, побудований в одній із серії вимірювань, показаний на рис. 3.4.

Як додаткове експериментальне завдання корисно запропонувати учням за одержаними результатами в даній роботі визначити постійну d дифракційної ґратки.

Слід вказати, що виконання цієї роботи не вимагає абсолютного затемнення класної кімнати. Для цього достатньо установку розташувати так, щоб фотоелемент був розташований від вікна, тобто щоб на нього не падало пряме сонячне світло. А фіксування інтенсивності лазерного випромінювання можна здійснити, віднявши покази світлового фону від загальної інтенсивності світла, яка реєструється вцілому.

Рис. 3.4. Крива залежності фотоструму від зміщення фотоелементу відносно нульового дифракційного максимуму.