Методические рекомендации по использованию 2009 1 - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Методические рекомендации для учителей предметников по использованию... 5 611.78kb.
Методические рекомендации по использованию корпусов в исследованиях. 1 136.8kb.
Методические рекомендации по использованию учебников Сахаров А. 1 179.8kb.
Методические рекомендации по использованию учебника 1 132.17kb.
Методические рекомендации Предисловие Глава Методические рекомендации... 5 3060.6kb.
Методические рекомендации по проектированию и выпуску плакатов по... 2 806.75kb.
Методические рекомендации волгоград 2004 2 707.54kb.
Методические рекомендации по использованию программы Тематическое... 3 602.11kb.
Методические рекомендации по разработке заданий для школьного этапа... 1 183.81kb.
Методические рекомендации по созданию школьных электронных библиотек... 6 924.08kb.
Методические рекомендации по организации цеховых и межцеховых оздоровительных... 2 1220.41kb.
Интерференция света 1 27.12kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Методические рекомендации по использованию 2009 1 - страница №1/1




СОВРЕМЕННЫЙ

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР



ИНТЕРФЕРОМЕТР ЮНГА

+


АВТОНОМНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ

ИЮ - 1 ПС


ПАСПОРТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

2009



-1-

СОДЕРЖАНИЕ





  1. Назначение......................................................................................................2

  2. Историческая справка....................................................................................2

  3. Комплектность................................................................................................2

  4. Технические характеристики.........................................................................3

  5. Устройство и принцип работы ......................................................................4

  6. Методические рекомендации по внедрению................................................5

6.1. Фронтальный демонстрационный опыт:

Наблюдение интерференции и дифракции света на щели Юнга”.



    1. Фронтальная лабораторная работа :

Измерение длины световой волны с помощью интерферометра Юнга “.

6.3. Фронтальный демонстрационный опыт:


Наблюдение дифракции на одиночной щели.

6.4. Фронтальный демонстрационный опыт:

Наблюдение интерференции на бипризме Френеля.

6.5. Фронтальный демонстрационный опыт:



Наблюдение дифракции на узком экране (пятно Пуассона).

7. Дополнение......................................................................................................9



  1. Техническое обслуживание...........................................................................9


-2-


  1. НАЗНАЧЕНИЕ

Интерферометр Юнга – учебное пособие, предназначается для проведения фронтальных демонстрационных опытов и лабораторных работ при изучении волновых явлений света (дифракция, интерференция) по разделу “ОПТИКА” в соответствии со школьной программой. С помощью интерферометра становится возможным повторить на более высоком техническом уровне знаменитый опыт Юнга, поставленный им в 1802 году. Опыт Юнга был первым из последовавшей серии опытов (бипризма Френеля, зеркало Ллойда), подтвердивших волновую природу света. Интересен он ещё тем, что пересечение (интерференция) двух волновых фронтов от двух щелей происходит благодаря другому чисто волновому явлению - дифракции света.



Комбинированный тест-объект, в виде одиночной и двойной щели, расширяет возможности интерферометра Юнга. Становится доступным, помимо наблюдения явления интерференции на двойной щели Юнга, наблюдение дифракции на одиночной щели (аналог точечного отверствия). Дополнительный тест-объект, установленный в одной из посадочных прорезей вблизи окуляра позволяет наблюдать явление интерференции на бипризме Френеля и явление дифракции на тонком экране-«нити». Применение подсветки на 2-светодиодах, синем и красном, выполненной в виде насадки к интерферометру, позволяет быть независимым от погоды (солнечная или пасмурная) и достаточно точно оценить длину волны красного и синего света т.е. видимый диапазон спектра.
2. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Похожий по исполнению, но неудачный опыт поставил в1665 году Гримальди, который не догадался использовать первую щель (см. Рис. 1), хотя источник света выбрал правильно - Солнце. Более поздние рассчёты показали, что в этих условиях и принимая во внимание те расстояния между щелями, которыми пользовался Гримальди, явление интерференции не могло произойти в принципе из-за значительного углового размера источника света – Солнца. Для того чтобы сузить угловые размеры Юнг первым догадался использовать входную щель и получил убийственный по силе аргумент в споре приверженцев корпускулярной ньютоновской теории распространения светового излучения и волновой природе света. Лишь через столетие с появлением квантовой механики учёные пришли к пониманию двойной природы света: световое излучение это одновремённо и корпускула и волна (квант). Печально лишь то, что Ньютон и Юнг умерли в полном убеждении в своей правоте, непримиримые.

- 3 -
3. КОМПЛЕКТНОСТЬ

позиции

Обозначение

Наименование

Количество




















Узлы
















1

ИЮ – 1-1

Интерферометр Юнга

1

2

ИЮ – 1-2

Автономный осветитель

1

3

БП

Блок питания ±3В

1



















Тест- объект №1
















4

1

Щель прямая широкая 0.10 мм

1


5

«центр»

Щель прямая узкая 0.06 мм

1

6

2

Щель Юнга (двойная)

1



















Тест- объект №2
















7

1

Бипризма Френеля

1

8

„центр”

окно

1

9

2

Экран тонкий („нить”)

1













10




ПАСПОРТ

1














4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ





  1. Ширина первой (входной) щели интерферометра – 0.1 мм.



Тест-объект №1
2. Ширина щели узкой («центр») – 0.06 мм. 0.1 мм.

3. Ширина щели широкой («1») – 0.10 мм.

4. Расстояние между щелями в

двойной щели Юнга („2”) - 2t=0.1 мм.

5. Ширина щелей в двойной щели Юнга – 0.025 мм.



. 0.025 мм





Тест-объект №2
6. Ширина узкого экрана («нити») - 0.2 мм

7. Диаметр окна («центр») - 10 мм

8. Вершинный угол бипризмы - 20 угл. минут
-4-
9. Расстояние между тест-объектом №1 и измерительной шкалой сетки: L = 100 мм.

10. Расстояние между тест-объектом №2 и измерительной шкалой сетки: L = 50 мм.

11. Цена деления измерительной шкалы сетки: e = 0.2 мм.

12. Увеличение окулярной линзы: Г = 10×

13. Спектральный инетрвал излучения синего светодиода: Δ λ= 0.45 – 0.50 мкм.

14. Спектральный интервал излучения красного светодиода: Δ λ= 0.60 – 0.65 мкм.


5.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Базою интерферометра Юнга служит корпус из профиля квадратного сечения, внутри которого смонтирована оптическая схема (см. Рис.1). В состав прибора входят: входная щель постоянной ширины, измерительная сетка-экран, окуляр и два тест-объекта. На расстоянии 100 мм от измерительной сетки окуляра в установочной прорези корпуса интерферометра располагается тест-обект №1. Состоит из: одиночная щель 0.10 мм (позиция „1”), одиночная щель 0.04 мм (позиция „центр”), двойная щель Юнга (позиция „2”). Ближе к окуляру на расстоянии 50 мм установлен тест-объект №2. Состоит из бипризмы Френеля (позиция „1”), тонкого экрана- „нити” (позиция „2”). В центре тест-объекта №2 находится окно, предоставляющее возможность наблюдения за тест-объектом №1.

Революционной идеей в опыте Юнга являлось применение первой входной щели S. При отсутствии таковой, или при очень большой её ширине, не обеспечивается пространственная когерентность (частичная) светових пучков, освещающих двойную щель Юнга, что неминуемо ведёт к нулевой видности интерференционной картины. При использовании лазерного излучения необходимость в первой щели отпадает, она не нужна- лазерный пучок пространственно когерентный в своём сечении .



область интерференции

S S1

сетка-экран







2t



S2




L
Рис. 1 Оптическая схема классического опыта Юнга.
S – входная щель, S1 и S2 – двойная щель Юнга, L – расстояние между двойной щелью и сеткой, 2t – расстояние между щелями в двойной щели Юнга.


-5-


  1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВНЕДРЕНИЮ

6.1 Фронтальный демонстрационный опыт “ Наблюдение интерференции и дифракции света на щели Юнга”.

Цель работы: Изучение основних волновых свойств света

Установить тест-объект №2 в нейтральное положение „центр”.

Позиционировать планку тест-объекта №1 в положении «2» (щель Юнга) и направить интерферометр входной щелью на источник излучения сплошного спектра (Солнце, диапроектор, настольная лампа). Предварительно навести окуляр на резкое видение шрихов шкалы сетки. Рассматривая сквозь окуляр сетку, добиться появления в поле зрения тёмных и светлых разноцветных полос. Это и будет интерференционная картина.

Выводы с опыта: Для белого света видимая интерференционная картина представляет собой чередование цветных полос, как на краю так и в центре.

Полного потемнения нет нигде - места минимумов для одной длины волны совпадают с положением максимумов для другой.

Закрепить на переходной втулке интерферометра штатный осветитель, выполненный на 2-х светодиодах с автономным питанием на пальчиковых батарейках. Попеременно включать светодиоды с излучением красного и синего света. Сравнивая интерференционные картины, наблюдаемые от источников излучения с различным спектральным составом (Солнце со сплошным спектром и светодиоды с квази-монохроматическим спектром излучения), приходим к выводу: интерференционные полосы стали более контрастными и монохромными; увеличились размеры интерференционной картины. Кроме того, бросается в глаза различная ширина интерференционных полос в картинах полученных от синего и красного светодиодов.

Выводы с опыта: Излучение светодиодов по спектральному составу является почти монохроматическим. Вследствие этого исчезают многочисленные интерференционные полосы (максимумы и минимумы), которые видны при использовании источников излучения сплошного спектра. Интерференционная картина становится монохромной и более контрастной. Различная ширина интерференционных полос вызывается, очевидно, различными длинами световых волн в этих участках спектра, что можно легко измерить.
6.2 Фронтальная лабораторная работа “Измерение длины световой волны с помощью интерферометра Юнга “.

Цель работы :

■ оценить диапазон длин волн видимого спектра;

■ измерить длину волны синего и красного света;

Порядок работы:

Установить тест-объект №2 в нейтральное положение „центр”.

Позиционировать планку с тест-объектом №1 в положении «2» (Двойная щель). Навести окуляр на чёткое изображение делений шкалы сетки. Закрепить на переходной втулке интерферометра штатный осветитель, выполненный на 2-х светодиодах с БП от сети 220В. Поочерёдно, включая красный и синий светодиоды, наблюдать интерференционную картину и, одновременно, штрихи шкалы сетки окуляра интерферометра. Предварительно навестись на чёткое видение штрихов сетки.

-6-
Для того чтобы интерференционная картина была более яркой, допускаются наклоны осветителя относительно интерферометра (вправо-влево) в пределах люфта посадочной втулки. По шкале сетки измерить количество тёмных (светлых) полос N, приходящихся на соответствующее количество делений n сетки. Тогда расстояние между дифракционными минимумами (максимумами) составит:

d = e · n / N.

Учитывая, что цена минимального деления измерительной сетки в поле зрения окуляра e = 0.2 мм, получим :



d = 0.2 · n / N (мм).

Измерить расстояние между максимумами интерференционных полос для синего и красного светодиодов. Получим: d кр., d син.

Подставим указанные значения в формулу для определения длины волны света:

dsin=k

Для первого порядка интерференционной картины k=1, а для малого угла на первый порядок sintg=2t/L. При этих условиях получим:



λ = d кр. (син.) · 2t/L , либо λ кр. (син) = 0.2 · n / N · 2t/L (мм.)

где 2t – расстояние между щелями в двойной щели Юнга. (2t=0.1 мм), а Lрасстояние между двойной щелью Юнга и шкалой сетки (L=100 мм).

С учётом этого: λ кр. (син) = 0.2 · n / N · 0.001 (мм)= 0.2 · n / N (мк)
Выводы с опытов:

Интерференция немонохроматического света (белого) даёт сложную картину, которая состоит из совокупности максимумов и минимумов, соответствующих разным λ.



5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5




Рис. 2 Поле зрения интерферометра Юнга. На фоне измерительной шкалы с оцифровкой видны цветные интерференционные полосы, полученные на «Двойной щели» от источника света сплошного спектра излучения

Если допустить, что излучение источника света по всему его спектру (на разных длинах волн) происходит с одинаковой интенсивностью, а устройство которое принимает и регистрирует это излучение (человеческий глаз) одинаково чувствительно ко всем этим длинам волн, то мы не смогли бы отыскать никаких следов интерференционной картины.

Для того, чтобы зарегистрировать интерференционную картину, необходимо:

■ определённое распределение интенсивности излучения по спектру;

■ спектральный диапазон должен быть ссужен (в нашем случае применением квази-монохроматмческих красного и синего светодиодов);

■ приёмное устройство должно иметь повышенную чуствительность к каким-то длинам волн (максимальная чувствительность человеческого глаза приходится на =510 нм);

-7-
Во всех случаях мы имеем дело с монохроматизацией света. При этом совершенно безразлично: монохроматор находится перед интерферометром или после него. Как в первом так и во втором случае мы уменьшаем спектральный интервал Δλ света и наблюдаем, в результате, интерференционную картину. В последнем случае с помощью монохроматора устраняются длины волн света которые мешают получить чёткую интерференционную картину.

Роль такого монохроматора выполняет глаз наблюдателя благодаря естественной способности отличать цвета и оттенки (максимуми одного цвета от максимумов другого). Особенное значение имеет то, какие цвета человеческий глаз воспринимает с повышенной чуствительностью. При слабой освещённости максимальная чуствительность глаза падает на длины волн видимого спектра в области λ = 0.510 мкм.(сумеречное зрение). Сравнивая измеренное λ (без светофильтра) с вышеприведенным , можна заметить, что они совпадают в пределах погрешности измерений: λ = 0.510 мкм.

Применяя почти-монохромные светодиоды, удаётся значительно сузить спектральный интервал в красной и синей областях спектра. Полученный результат λкр.(0.60÷0.65) мкм и λ син. (0.45÷0.50) мкм. даёт возможность оценить границы видимого спектрального диапазона и измерить длины волн синего и красного света.
6.3. Наблюдение дифракции света на одиночной щели.

Цель работы: Изучение основних волновых свойств света.

Установить тест-объект №2 в нейтральное положение „центр”.

Навести окуляр интерферометра на резкое видение штрихов сетки. Установить тест-объект №1 в положение „центр” (щель прямая узкая) и зафиксировать. Направить нтерферометр входной щелью на источник излучения (Солнце, диапроектор, настольная лампа). Рассматривая сквозь окуляр сетку-экран, добиться появления в поле зрения тёмных и светлых полос с цветным окаймлением. Это и будет дифракционная картина.

Выводы с опыта: Для белого света видимая дифракционная картина представляет собой чередование цветных полос, как на краю так и в центре.

Полного потемнения нет нигде: места минимумов для одной длины волны совпадают с положением максимумов для другой.



Позиционировать планку с тест-объектами в положении «1» (щель прямая узкая) и «центр» (щель прямая широкая). Навести окуляр на чёткое изображение делений сетки. Закрепить на переходной втулке интерферометра штатный осветитель. Поочерёдно, включая красный и синий светодиоды, наблюдать дифракционную картину на шкале сетке окуляра интерферометра. Предварительно навестись на чёткое видение штрихов шкалы сетки. В поле зрения видна дифракционная картина «дифракция Френеля на щели», при этом в качестве тест-объекта служит тонкая щель (вместо классической точечной диафрагмы). В центре дифракционной картины наблюдается широкий максимум. Ширина зависит от ширины щели и длины световой волны. Чем уже щель тем шире максимум, чем больше длина световой волны, тем больше дифракционный максимум. По обе стороны от широкого дифракционного максимума видны максимумы (минимумы) 2-го, 3-го и т.д. дифракционных порядков, точно также как и при наблюдении зон Френеля на отверстии.
-8-

Выводы с опыта: Красный и синий светодиоды имеют ссуженый спектральный интервал излучения. Вследствие этого исчезают многочисленные дифракционные полосы (максимумы и минимумы) присущие видимой области солнечного спектра. Картина становится почти монохромной и более контрастной.
6.4. Наблюдение интерференции на бипризме Френеля

Интерференционную картину на бипризме Френеля обычно наблюдают при расходящемся лазерном пучке в проходящем свете. Интерферометр Юнга позволяет наблюдать интерференционную картину без применения когерентного и монохроматического лазерного излучения. Роль квазимонохроматических излучателей выполняют обычные светодиоды. «Квази-когерентность» обеспечивают первая (входная щель интерферометра) и вторая – узкая щель тест-объекта №1. В результате наблюдается четкая интерференционная картина на бипризме Френеля (тест-объект №2). При этом, по существу, вторая узкая щель (тест-объект №2) выполняет роль по пространственной фильтрации пучка, очищает его от оптической «грязи» и обеспечивает высокое качество интерференционной картины на бипризме Френеля.
Выставить первую планку с тест-объектами №1 в положение «центр» (щель узкая 0.06 мм). В поле зрения наблюдается широкий дифракционный первый максимум, очищенный от оптической «грязи». Теперь следует ввести в прорезь светового окна планку с тест-объектами №2 в положение «бипризма». В области пересечения волновых фронтов видны контрастные интерференционные полосы, параллельные ребру бипризмы. Нетрудно заметить, что полосы не локализованы в пространстве. Чтобы убедиться, достаточно переставить тест-объект №2 вдоль направления распространения светового пучка - контрастность полос не изменяется.












Рис.3 Интерференционная картина на бипризме Френеля наблюдается везде в пространстве, где пересекаются пучки.
6.5. Наблюдение дифракции на узком экране (пятно Пуассона).

Выставить интерферометр Юнга в режим пространственной фильтрации светового пучка. Как уже выяснили выше – не только лазерный пучок можно очистить от дифракционных картинок­ на пыли. Попрежнему воспользуемся очищенным дифракционным максимумом на «щель узкая» тест-объекта №1. Позиционировать тест-объект №2 в положении «2» (экран узкий). В окуляр интерферометра на фоне широкого дифракционного максимума от тест-объекта №1 наблюдают дифракцию на «нити».


-9-
Дифракционная картина представляет собой прямые черные и белые полосы, параллельные краям экрана. Для любого экрана узкого (нити) в центре геометрической тени находится максимум интенсивности (пятно Пуассона). Именно этот опыт был заявлен Пуассоном на заседании Парижского Научного общества, как подтверждение волновой теории света и непосредственно вытекающий из уравнений Френеля. Вся научная компания во главе с Френелем и Пуассоном прервала заседание и отправилась в лабораторию посмотреть - будет ли в центре дифракционной картины на маленьком непрозрачном диске светлое пятно? Следует отметить, что тогда, в 19 веке, еще не было когерентных источников излучения (лазеров), но ученые уже могли обеспечить частичную когерентность путем ухищрений, аналогично нашему опыту с помощью двух щелей.

И в тот вечер впервые, даже скептики среди ученых, убедились – свет это волна. В центре геометрической тени находилось светлое пятно – дифракционный максимум. И тут же была вручена Пуассону премия Парижского научного общества за выдающееся достижение в физике.

Точно такой опыт реализуется на «нити» в спектроскопе Юнга, только вместо диска – «нить» и, соответственно, симметрия распределения дифракционного светлого пятна будет линейная, по форме «нити».





При наблюдении волновых явлений с помощью интерферометра Юнга и автономного осветителя, ученика не покидает ощущение реальности волновой природы света. При быстром поочерёдном включении красного и синего светодиодов, к наблюдателю приходит физическое ощущение разности длин волн для красного и синего света, очень разительные изменения происходят с интерференционной (дифракционной) картиной при этом. И можно ничего не измерять и не писать формулы на школьной доске. Каждому становится ясно: свет – это и волна тоже, длина которой зависит от участка спектра. И этот самый сильный аргумент Юнга в его споре с Ньютоном, подтверждённый одноимённым опытом 200 лет назад, оказался решающим доказательством его правоты в те далёкие времена. И только возникновение квантовой теории в начале 20 века смогло уравнять и примирить великих учёных Ньютона и Юнга, но уже постфактум: свет - это волна и корпускула одновременно. Тот же по существу, но реализованный на новом технологическом уровне, опыт Юнга и сегодня не меркнет по сравнению с совремёнными демонстрационными опытами, а наоборот, выглядит более зрелищным доказательством дуалистической природы света.



-10-

7. ДОПОЛНЕНИЕ

Юстировка осветителя интерферометра
Технологически трудно обеспечить совпадение направления индикатрисы излучения светодиода с осью интерферометра, без чего интерференционная картина, видимая наблюдателем, является искаженной и слабоконтрастной. С целью устранения указанного недостатка предусмотрена юстировка излучателя и интерферометра соосно.

Для этого необходимо включить красный светодиод, отпустить оба фиксирующих винта интерферометра и, наклоняя в разные стороны излучатель, обеспечить удовлетворительную симметрию и яркость дифракционной картины (при этом тест-объект интерферометра выставить в положение «1» (щель узкая)). В этом положении излучатель фиксируется одним из двух винтов. Если при переключении на синий светодиод симметрия картины нарушается и контрастность падает, следует повторить юстировку излучателя снова.
8. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Пыль с оптических деталей устраняют беличьей щёткой, а жировые пятна - ватным тампоном, смоченным в спирте.

ДОПОЛНЕНИЕ 1
Применение первой входной узкой щели в качестве частично когерентного источника излучения (вторичный фронт волны) в сочетании с подсветкой на квазимонохроматических светодиодах, предоставляет возможность наблюдения явления интерференции в чистом виде на бипризме Френеля. Для этого в корпусе интерферометра ИЮ-1М проделана ещё одна прорезная щель для планки с бипризмой Френеля. Одно окно планки занято бипризмой Френеля (положение «3»), а второе – свободное, сквозное (положение «0»). При установленном свободном окне (планка с бипризмой) ничто не мешает наблюдать явления дифракции и интерференции на щелях основной планки в положении «1» и «2». И, в свою очередь, для наблюдения явления интерференции на бипризме Френеля основная планка выводится в нейтральное положение – сквозное окно.

На сетке-экране окуляра интерферометра видна чёткая интерференционная картина на бипризме Френеля. Происходит деление на два падающего волнового фронта от входной щели и в результате наложения за бипризмой Френеля наблюдается интерференция на всём пространстве пересечения волновых фронтов. На матовой поверхность сетки – экрана происходит визуализация явления интерференции.

Поочерёдно переключая красный и синий светодиоды, наблюдают изменение периода интерференционной картины полученной на бипризме Френеля.

С применением дополнительной планки с бипризмой Френеля возможности интерферометра Юнга значительно расширились. Можно наблюдать и производить измерения:



  • дифракции в чистом виде на узкой щели (положение»1»);