Методическая разработка урока-исследования по теме "Интерференция и дифракция света"
учебно-методический материал по физике (11 класс) на тему

Домашнее задание дается в виде задачи по результатам опыта, проводимого в классе.

Эксперимент ставится по материалам данной статьи из газеты «Физика в школе»,

которая  есть не что иное, как полная перепечатка статьи Д. Д. Христозова из одного старого номера журнала «Квант»

Можно не изготовлять специальную ванну, а воспользоваться пластиковым контейнером с матовыми стенками размером примерно 30*20*15 см, каких сейчас в изобилии имеется в продаже для хозяйских нужд

И.Я.ПАТРАКЕЕВ,
школа № 1, п. Троицко-Печорск, Республика Коми

1. Лазерный рефрактометр

С появлением лазеров многие оптические опыты и демонстрации стали проще и нагляднее. Это относится, например, к экспериментам по дифракции, где необходимо монохроматическое излучение. Например, с помощью лазерного рефрактометра можно легко измерить скорость света в любой жидкой прозрачной среде и определить тем самым важную физическую характеристику этой среды – показатель преломления.

Лазерный рефрактометр нетрудно изготовить. Самым важным элементом прибора является, конечно же, лазер (Л), например, очень распространённый милливаттный гелий-неоновый лазер. Нужна ещё дифракционная решётка (Р). Ванну (В) для жидкости лучше всего сделать из какого-нибудь прозрачного материала, например плексигласа, и придать ей трапециевидную форму. Роль фотоприёмника в этом рефрактометре выполняет непосредственно глаз наблюдателя.

Дифракционную решётку можно закрепить на передней стенке ванны, тогда дифракционную картину удобно наблюдать на большой задней стенке-экране (Э). Чтобы наблюдаемая картина была ясной и отчётливой, стенку-экран лучше сделать матовой.

Скорость света с в вакууме и скорость света в прозрачной среде связаны с частотой излучения Разделив равенства почленно друг на друга, получаем

.      (1)

Дифракционная решётка создаёт на экране картину чередующихся максимумов и минимумов освещённости. Максимумы наблюдаются в направлениях, определяемых условием: , где d – период решётки, – угол наблюдения, k = 0, 1, 2, ... – номер максимума.

Будем наблюдать за максимумом первого порядка. Тогда, положив k = 1 и приняв, что для малых углов sin   tg , условия максимумов для вакуума и для данной среды запишем в виде:

где b – расстояние до 1-го максимума.

Если эти равенства разделить друг на друга и отношение /0 подставить в выражение (1), то получим рабочую формулу

.      (2)

Согласно этой формуле по скорости света в вакууме c = 3 • 108 м/с и измеренным значениям b0 и b, можно найти скорость света в интересующей нас среде. Вся задача сведётся лишь к измерению расстояний b и b0. [Считаем, что скорость света в воздухе не сильно отличается от скорости света в вакууме. – Ред.] Как показывает опыт, эти расстояния оказываются достаточно большими, а значит, и точность измерений – достаточно высокая (если длина ванны l составляет 0,2–1 м).

Формулу (2) можно переписать в виде

,

где n – абсолютный показатель преломления исследуемой среды. Значит, с помощью предлагаемого прибора наряду со скоростью света в веществе можно определить и показатель преломления этого вещества.

Как известно, первые классические опыты по определению скорости света в прозрачной среде проводились очень давно – в середине XIX в. – и, конечно, с нелазерными источниками света. Опыты были довольно громоздкими, а точность измерений невысокой. Лазер же даёт возможность провести эксперимент быстро, чётко и наглядно.

Прибор можно использовать на уроке при изучении дифракционной решётки, решении экспериментальных задач и выполнении работ физического практикума.