Часть I, страница 153, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Лабораторная работа № 4. Наблюдение интерференции, дифракции и поляризации света

Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.

Часть І. Наблюдение интерференции света.

Необходимое оборудование: 1) спички; 2) спиртовка; 3) на проволоке в пробирке комочек ваты, 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.

Краткая теория. 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 в раствор мыла, получают мыльную пленку, располагают ее вертикально и рассматривают на темном фоне при освещении желтым светом спиртовки. Наблюдается образование темных и желтых горизонтальных полос и изменение их ширины по мере уменьшения толщины пленки.

В тех местах пленки, где разность хода когерентных лучей равна четному числу полуволн (длина волны равна $\frac{\lambda}{2}$), наблюдаются светлые полосы, а при нечетном числе полуволн – темные полосы.

При освещении пленки белым светом возникает окрашивание светлых полос. С помощью стеклянной трубки на поверхности мыльного раствора выдувают небольшой мыльный пузырь. При освещении его белым светом наблюдают образование цветных интерференционных колец. По мере уменьшения толщины пленки кольца, на пузырьке расширяясь, перемещаются вниз.

Интерференция наблюдается и при рассмотрении контактной поверхности двух сжатых друг другом стеклянных пластинок.

Из-за неидеальности 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.

Порядок работы:

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.

4. Зарисуйте интерференционную картину, полученную на пленке при освещении желтым светом спиртовки.

Так как нарисовать картину невозможно, приводится ее словесное описание. Мыльная пленка в проволочном кольце, расположенном вертикально, не является плоскопараллельной. Под действием силы тяжести мыльный раствор стекает вниз, поэтому пленка вверху оказывается тоньше, чем внизу, образуя клин. Интерференционная картина на такой пленке представляет собой систему горизонтальных полос, чередующихся желтых (светлых) и темных. В самой верхней, наиболее тонкой части пленки, будет наблюдаться темная полоса, так как разность хода лучей, отраженных от передней и задней поверхностей, близка к нулю, а при отражении от задней поверхности (на границе пленка-воздух, где показатель преломления среды меньше) происходит изменение фазы на $\pi$ (потеря полуволны), что приводит к гасящей интерференции. Ниже по мере увеличения толщины пленки будут чередоваться желтые и темные полосы. Ширина полос будет уменьшаться по направлению к нижней, более толстой части пленки.

Ответ: Наблюдается система горизонтальных чередующихся желтых и темных полос, которые становятся чаще и сужаются по направлению от верхней части пленки к нижней.

5. Объясните порядок чередования цветов на интерференционной картине при освещении пленки белым светом.

При освещении мыльной пленки белым светом, который представляет собой совокупность электромагнитных волн разной длины (разных цветов), условие интерференционного максимума будет выполняться для разных длин волн при разной толщине пленки. Условие для максимума в отраженном свете имеет вид $2dn \approx (k + 1/2)\lambda$, где $d$ – толщина пленки, $n$ – показатель преломления, $k$ – порядок интерференции ($k=0, 1, 2, ...$), $\lambda$ – длина волны. В каждой точке пленки с определенной толщиной $d$ будут усиливаться волны определенной длины $\lambda$. Поскольку толщина пленки плавно меняется сверху вниз, мы будем наблюдать не просто светлые и темные полосы, а радужные полосы. В самой тонкой верхней части пленка будет темной. По мере увеличения толщины сначала будут усиливаться фиолетовые и синие лучи (имеющие наименьшую длину волны), затем зеленые, желтые и красные. Таким образом, образуется радужная полоса (спектр первого порядка). Далее этот спектр будет повторяться для следующего порядка интерференции, хотя цвета могут начать перекрываться и становиться менее чистыми.

Ответ: Чередование цветов объясняется тем, что для разной толщины пленки условие конструктивной интерференции выполняется для разных длин волн (цветов), что приводит к разложению белого света в спектр.

6. Выдуйте с помощью стеклянной трубки небольшой мыльный пузырь на поверхности мыльного раствора. Объясните причину перемещения интерференционных колец вниз.

Мыльный пузырь представляет собой тонкую сферическую пленку. Как и в случае с плоской пленкой, жидкость в стенках пузыря стекает вниз под действием силы тяжести. В результате верхняя часть пузыря становится тоньше, а нижняя – толще. Интерференционные кольца на пузыре являются линиями равной толщины. Поскольку толщина пленки в верхней части постоянно уменьшается из-за стекания жидкости, область пленки с определенной толщиной (которой соответствует кольцо определенного цвета) смещается вниз. Визуально это воспринимается как движение и расширение колец по направлению от вершины пузыря к его основанию.

Ответ: Перемещение интерференционных колец вниз вызвано стеканием мыльного раствора под действием силы тяжести, что приводит к утончению пленки в верхней части пузыря и смещению областей равной толщины вниз.

7. Опишите интерференционную картину, наблюдаемую от двух сжатых стеклянных пластинок.

При сжатии двух стеклянных пластинок между ними остаются тонкие зазоры, заполненные воздухом. Это происходит из-за того, что поверхности пластинок не являются идеально плоскими. Толщина воздушного зазора меняется от точки к точке. Свет, отражаясь от нижней поверхности верхней пластинки и от верхней поверхности нижней пластинки, интерферирует. В результате возникает интерференционная картина, состоящая из линий равной толщины воздушного зазора. Эти линии имеют сложную, замкнутую или незамкнутую неправильную форму, напоминающую линии высот на топографической карте. В местах, где пластинки плотно соприкасаются (толщина зазора близка к нулю), наблюдаются темные области из-за потери полуволны при отражении от границы воздух-стекло. При освещении белым светом полосы становятся радужными.

Ответ: Наблюдается картина из радужных (при белом свете) полос неправильной замкнутой формы, которые являются линиями равной толщины воздушного зазора между пластинками.

8. Как изменяется наблюдаемая картина при увеличении силы, сжимающей пластинки вместе?

При увеличении силы, сжимающей пластинки, они упруго деформируются, и толщина воздушного зазора между ними в большинстве точек уменьшается. Это приводит к изменению интерференционной картины. Интерференционные полосы (линии равной толщины) начнут смещаться и изменять свою форму. Так как толщина в данной точке уменьшается, полоса, соответствующая определенному порядку интерференции, сместится в ту область, где толщина зазора была больше. Визуально это выглядит как "расползание" или смещение полос от точек наибольшего давления. Общая картина может стать более разреженной, так как уменьшается количество областей с большой толщиной зазора, или, наоборот, более густой, если деформация создаст новые области с быстрым изменением толщины. Форма полос также изменится, отражая новую "топографию" зазора.

Ответ: При увеличении силы сжатия интерференционные полосы смещаются и меняют свою форму, так как изменяется толщина и форма воздушного зазора между пластинками.

9. Опишите интерференционную картину при освещении CD-диска.

Поверхность CD-диска имеет спиральную дорожку, состоящую из мельчайших углублений (питов), разделенных плоскими участками. Расстояние между соседними витками дорожки постоянно и очень мало, сравнимо с длиной волны видимого света. Поэтому поверхность диска действует как отражательная дифракционная решетка. Когда на диск падает белый свет, лучи, отраженные от соседних дорожек, интерферируют друг с другом. Условие конструктивной интерференции (максимума) зависит от длины волны света и угла наблюдения. В результате для разных углов наблюдения усиливаются разные цвета (длины волн). Это приводит к тому, что белый свет разлагается в спектр, и мы видим на поверхности диска яркие радужные цвета. При изменении угла обзора или угла падения света цвета на диске переливаются и изменяются, так как меняются условия интерференции.

Ответ: При освещении CD-диска наблюдается яркая радужная картина, так как его поверхность действует как дифракционная решетка, разлагая белый свет в спектр из-за интерференции лучей, отраженных от его микроскопических дорожек.