Рудницкая Анна, ученица 10 А класса ГБОУ лицея №486 г. С.-Петербурга совместно с учителем физики Бородкиной Татьяной Ивановной провела исследовательскую работу по теме: "Свет-это волна". Данное исследование было представлено в РГПУ имени Герцена г.С.-Петербурга. Ученица за свою работу от ректората университета получила грамоту. Тезисы выступления были опубликованы в печатном сборнике университета.
Исследование волновых свойств света?
Т.И. Бородкина, А. Рудницкая
(ГБОУ лицей №486 Выборгского района)
Из курса 8-ого класса мы знаем, что свет – это излучение. Различают искусственные и естественные, тепловые и люминесцентные источники света. О прямолинейном распространении света знали ещё в древнем Египте и использовали это для установления колонн по прямой линии [1]. Закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить образование тени и полутени, а также солнечные и лунные затмения (рисунок 1).
Рис. 1. Демонстрация солнечного затмения на приборе «Теллурий»
Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции [2]. Попробуем убедиться, что свет имеет волновую природу.
Интерференция волн – это увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн [3]. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные источники волн. Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости .
Условие максимума и минимума интерференции волн можно записать, как: в этой формуле вместо µ должно стоять ± и , где k=0,1,2,….., Δd – разность хода интерферирующих волн, λ – длина волны интерферирующих волн [4].
Дифракция волн – это явление, которое заключается в огибании волнами краёв препятствий [5].
Наглядную дифракционную и интерференционную картины поперечных механических волн можно наблюдать с помощью волновой ванны (рисунок 2).
Рис.2. Интерференция волн на волновой ванне
Проведём теперь опыты, которые позволяют нам увидеть интерференцию и дифракцию световых волн. Яркую интерференционную картину света можно наблюдать на плёнке мыльного пузыря (рисунок 3).
Рис.3. Интерференция света на плёнке мыльного пузыря
Опыты с капроновой лентой и лазерным диском показали, что световые волны огибают препятствия и складываются. То есть обладают свойством интерференции и дифракции. Дифракция света на щели 1 мм и тонкой нити 0,2 мм доказывают, что свет не только обладает свойствами интерференции и дифракции, но и то, что длина волны очень маленькая, поэтому световая волна может огибать только маленькие по размеру препятствия (рисунок 4).
а) б)
Рис.4. Дифракция света: а) на щели; б) на нити
При рассмотрении некоторых наших исследуемых образцов при помощи оптического микроскопа Nikon Eclipse на факультете физики РГПУ им. А.И. Герцена мы увидели штрихи на дифракционной решётке и дифракцию света. Дифракция света на капроновой ленте была не ярко выражена. На малом отверстии можно было наблюдать явление хроматической аберрации (рисунок 5). Уменьшение действующего отверстия оптической системы (диафрагмирование) улучшает качество изображения, так как при этом из пучка лучей устраняются краевые лучи, на ходе которых в наибольшей степени сказываются аберрации [6] .
Рис.5. Хроматическая аберрация на малом отверстии
Кроме того, проведённый нами расчёт длины волны красного и синего света с помощью дифракционной решётки по формуле:,где d-период решётки, λ-длина волны, k- 1,2,3,… [7] показал, что длина волны красного света равна λ=725 нм, а синего цвета – λ= 440 нм.
После проведения опыта с источником света и кристаллом турмалина, можно утверждать, что свет - это поперечная поляризованная волна. У турмалина анизотропия оптических свойств проявляется в том, что он сильно поглощает излучение с колебаниями вектора Е одного определенного направления, а излучение с колебаниями в перпендикулярном направлении почти не поглощает. Это свойство кристаллов называют дихроизмом. На рисунке 6 показан опыт по поляризации света.
Рис.6. Поляризация света
Таким образом, в результате проведённых исследований мы убедились, что свет обладает волновыми свойствами.
Информационные источники:
1. А.В. Пёрышкин Учебник «Физика-8». – Москва: Дрофа, 2001 г. (стр.147,148)
2. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин Учебник «Физика 11 класс». – М. Просвещение, 2012 г. (стр.198)
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Интерференция_волн
4. http://www.eduspb.com/node/1786
5. 7. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин Учебник «Физика 11 класс». – М. Просвещение, 2012 г. (стр.210)
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Диафрагма_(оптика)
7. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин Учебник «Физика 11 класс». – М. Просвещение, 2012 г. (стр.390,391)
Слайд 1. Тема моей работы: Исследование волновых свойств света?
Слайд 2. Из курса 8-ого класса мы знаем, что свет – это излучение. Различают искусственные и естественные, тепловые и люминесцентные источники света. О прямолинейном распространении света знали ещё в древнем Египте и использовали это для установления колонн по прямой линии . Закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить образование тени и полутени, а также солнечные и лунные затмения .На слайде представлен опыт на приборе Теллурий.
Слайд 3. Существует также определение, что: «Свет – это электромагнитная волна». Мы исследовали в своих опытах свойства интерференции и дифракции волн. Так как понятия интерференции и дифракции волн изучают только в 11 классе, то для наглядности этих явлений, с помощью волновой ванны мы получили сферические и прямые волны. Волны на поверхности воды являются поперечными. На фото представлена сферическая волна, полученная с помощью волновой ванны.
Слайд 4 . Свойства интерференции волн можно наблюдать на опыте с помощью этой волновой ванны. На слайде представлена картина интерференции двух сферических волн.
Слайд 5 Интерференция волн – это увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Интерференционная картина зависит от разности фаз накладывающихся волн . Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные источники волн. Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости .
Слайд 6. Если поставить препятствие на пути распространения волны, то можно увидеть, что сферическая волна огибает это препятствие. А прямая волна становится источником вторичных волн, пройдя сквозь щель.
Слайд 7. Дифракция волн – это явление, которое заключается в огибании волнами краёв препятствий.
Для света различают два вида дифракции: в параллельных лучах (Фраунгофера) и в расходящихся лучах (Френеля).
Дифракцию Фраунгофера можно наблюдать при освещении параллельным пучком света узкой щели. Если за щелью поместить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости будет наблюдаться дифракционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.
Дифракция Френеля может наблюдаться на круглом отверстии или диске и имеет вид концентрических темных и светлых колец, причем для наблюдения их не требуется линзы.
Объяснить дифракцию можно с помощью принципа Гюйгенса-Френеля.: каждая точка волновой поверхности является вторичным точечным источником когерентных волн. Таким образом, дифракционную картину можно рассматривать как результат интерференции вторичных волн, идущих от точек волновой поверхности, совпадающей с препятствием, на котором происходит дифракция.
Слайд 8.Если поставить опыты со светом. То яркую интерференционную картину можно увидеть на мыльном пузыре и проволочной рамке. Причём интерференционные полосы имеют разную ширину, это зависит от толщины мыльной плёнки. Мыльная плёнка на рамке имеет клиновидную форму.
Слайд 9. Интерференцию света в тонких плёнках можно изобразить с помощью схемы, где видно сложение когерентных волн отражённых от внешней и внутренней поверхностей плёнки.
Слайд 10. Опыты с лазерным диском и капроновой лентой показывают, что световая волна огибает препятствия и складывается. То есть обладает свойством интерференции и дифракции .
Слайд 11 и 12.Дифракция света на тонкой нити 0,2 мм и щели 1мм доказывают, что свет не только обладает свойствами интерференции и дифракции. Но и то, что длина волны очень маленькая, поэтому световая волна может огибать только маленькие по размеру препятствия.
Слайд 13. На оборудовании L-micro были получены кольца Ньютона. Кольца Ньютона — это кольцеобразные интерференционные максимумы и минимумы, появляющиеся вокруг точки касания слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины при прохождении света сквозь линзу и пластину.
Слайд 14.Кроме того, некоторые наши образцы были исследованы на оптическом микроскопе Nikon Eclipse на факультете физики РГПУ им. А.И. Герцена. Мы увидели штрихи на дифракционной решётке . Рассмотрели решётку в белом и синем свете.
Слайд 15. Исследование капроновой ленты показало слабую интерференционную картину.
Слайд 16.Исследование круглого отверстия показало картину аберрации света. Аберрация света возникает из-за того, что показатель преломления зависит от длины волны света Уменьшение действующего отверстия оптической системы (диафрагмирование) улучшает качество изображения, так как при этом из пучка лучей устраняются краевые лучи, на ходе которых в наибольшей степени сказываются аберрации. Это тоже подтверждает волновую природу света.
Слайд 17.Если провести опыт с источником света и кристаллом турмалина, то можно утверждать , что свет- это поперечная поляризованная волна. У турмалина анизотропия проявляется в том, что он сильно поглощает излучение с колебаниями вектора Е одного определенного направления, а излучение с колебаниями в перпендикулярном направлении почти не поглощает. Это свойство кристаллов называют дихроизмом .
Слайд 18.Расчёт длины волны красного света с помощью дифракционной решётки по формуле: ,где d-период решётки, λ-длина волны, m- 1,2,3,… показал, что длина волны красного света λ= 725нм, а синего 440 нм
Слайд 19.Из всех проведённых опытов и расчётов можно утверждать, что свет обладает волновыми свойствами.
Слайд 20. Хочу добавить, что явление интерференции и дифракции света нашло практическое применение в просветлённой оптике и проверке шероховатости поверхностей
Убунту: я существую, потому что мы существуем
О падающих телах. Что падает быстрее: монетка или кусочек бумаги?
Круговорот воды в пакете
Снеговик
Как представляли себе будущее в далеком 1960-м году