Методические рекомендации к лабораторной работе "Наблюдение интерференции и дифракции света"
методическая разработка по теме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И КУЛЬТУРЫ

ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

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

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

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

Липки, 2012 год

Подготовил преподаватель

второй категории дисциплины «Физика»

Воробьева Е.А.

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».

Рекомендовано лабораторную работу проводить в компьютерном классе с посадочными местами не менее 10 шт., оборудованным мультимедийным проектором.

Ход урока:

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

Преподаватель: перед выполнением экспериментальных заданий повторим основной материал:

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

Студенты:  отвечают на вопросы:

Предполагаемые ответы:

1. 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.
2. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность. (1, с. 345)
3. Когерентными называются волны, которые имеют одинаковую частоту и постоянная во времени разность фаз.(1, с. 345)

Преподаватель: переходим к практической части.

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 меняет изображение на экране.

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:

1. Какое явление называется дифракцией света?
2. Условия проявления дифракции.

Студенты:  отвечают на вопросы:

Предполагаемые ответы:

1.  Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и отгибании волной малых препятствий (1, стр. 350).
2. 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:

1. 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)
2. 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)

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.

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.

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.

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 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).

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 нескольку цветов.

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:

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

Литература:

1. 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)
2. 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)