Лабораторная работа 5, страница 150 - гдз по физике 9 класс учебник Изергин

Глава IV. Электромагнитные колебания и волны. § 31*. Дифракция света - страница 150.

Условие.

Лабораторная работа 5

Наблюдение явлений интерференции и дифракции света

Цель работы: наблюдение интерференционных картин и дифракционных спектров.

Приборы и материалы: спектроскоп прямого зрения, стакан, средство для мытья посуды, капроновый лоскут, листок фольги с прорезью, лампа накаливания (одна на класс), люминесцентная лампа.

Пояснения к работе

Спектроскоп — это прибор, предназначенный для наблюдения спектров (рис. 158). Он состоит из трёх элементов:

— объектив — собирающая линза, преобразующая расходящийся от щели пучок света в параллельный;

— трёхгранная призма, преломляющая падающий на неё белый свет и создающая спектр;

— окуляр, представляющий собой собирающую линзу, фокусирующую изображение спектра на глаз.

Порядок выполнения работы

1. Подготовьте мыльный раствор. Для этого в стакан воды налейте несколько капель средства для мытья посуды (типа Fairy).

2. Сверните из бумаги трубочку и выдуйте мыльный пузырь диаметром около 8—10 см.

3. Наблюдайте радужную окраску мыльного пузыря. Сделайте рисунок или фотоснимок на мобильный телефон.

4. Сделайте в листе фольги разрез лезвием безопасной бритвы.

5. Расположите лист со щелью вертикально и, смотря сквозь щель на вертикальную светящуюся нить лампы, наблюдайте дифракционную картину. Как меняется дифракционная картина при увеличении ширины щели?

6. Наблюдайте в проходящем свете дифракционную картину, получаемую с помощью капронового лоскута. Для этого посмотрите через капроновый лоскуток на лампу накаливания с достаточно большого расстояния.

7. Посмотрите через спектроскоп прямого зрения на люминесцентную лампу. Какие цветные линии вы наблюдаете на фоне сплошного спектра? Сделайте рисунок наблюдаемой картины в тетради.

8. Оформите отчёт о проделанной работе.

Решение.

3. Наблюдайте радужную окраску мыльного пузыря. Сделайте рисунок или фотоснимок на мобильный телефон.

Радужная окраска мыльного пузыря возникает из-за явления интерференции света в тонкой пленке. Свет, падающий на пузырь, частично отражается от его внешней поверхности, а частично проходит внутрь, отражается от внутренней поверхности и выходит наружу. Два этих отраженных луча (от внешней и внутренней поверхностей) имеют разность хода, которая зависит от толщины пленки и угла падения света. В результате сложения этих лучей происходит их усиление (конструктивная интерференция) для одних длин волн (цветов) и ослабление (деструктивная интерференция) для других. Поскольку толщина стенки мыльного пузыря неоднородна и постоянно меняется из-за стекания мыльного раствора под действием силы тяжести, в разных его частях усиливаются разные цвета. Это и создает наблюдаемую радужную картину в виде переливающихся цветных полос. Обычно полосы располагаются горизонтально, так как пленка вверху тоньше, чем внизу.
Рисунок представлял бы собой сферу с радужными, переливающимися цветными полосами, преимущественно горизонтальной ориентации.

Ответ: На поверхности мыльного пузыря наблюдается радужная картина из-за интерференции света в тонкой мыльной пленке. Цвета и расположение полос зависят от толщины пленки в каждой конкретной точке.

5. Расположите лист со щелью вертикально и, смотря сквозь щель на вертикальную светящуюся нить лампы, наблюдайте дифракционную картину. Как меняется дифракционная картина при увеличении ширины щели?

При наблюдении нити накала лампы через узкую щель наблюдается дифракционная картина. Она представляет собой яркую центральную светлую полосу, которая шире самой щели, и по обе стороны от нее — чередующиеся более тусклые цветные полосы (дифракционные максимумы) и темные промежутки (дифракционные минимумы). Центральный максимум соответствует цвету источника света (беловато-желтый), а боковые максимумы разложены в спектр: фиолетовая часть спектра находится ближе к центру, а красная — дальше от него.
При увеличении ширины щели дифракционная картина меняется. Согласно условию дифракционных минимумов $d \sin\varphi = k\lambda$, где $\text{d}$ — ширина щели, $\varphi$ — угол отклонения лучей, $\text{k}$ — порядок минимума, $\lambda$ — длина волны света. Из формулы видно, что угол $\sin\varphi$ обратно пропорционален ширине щели $\text{d}$. Следовательно, при увеличении ширины щели $\text{d}$ расстояние между максимумами и минимумами уменьшается, и вся дифракционная картина сжимается, становится более узкой. При очень широкой щели дифракционные эффекты становятся незаметными, и мы видим просто резкое изображение нити лампы.

Ответ: При увеличении ширины щели дифракционная картина сжимается: ширина центрального максимума и расстояние между соседними максимумами уменьшаются.

6. Наблюдайте в проходящем свете дифракционную картину, получаемую с помощью капронового лоскута.

Капроновый лоскут представляет собой структуру из перпендикулярно переплетенных нитей, которые образуют двумерную решетку. Такая структура действует как двумерная дифракционная решетка. При наблюдении источника света (например, лампы накаливания) через капроновый лоскут видна дифракционная картина в виде креста. В центре находится яркое изображение источника света (нулевой максимум). От него в четырех перпендикулярных направлениях (вдоль и поперек нитей) расходятся менее яркие дифракционные максимумы, разложенные в спектр (радужные пятна). Таким образом, наблюдается двумерная дифракционная картина, состоящая из центрального максимума и системы боковых максимумов первого, второго и т.д. порядков, расположенных в виде сетки.

Ответ: При наблюдении источника света через капроновый лоскут видна дифракционная картина в виде креста, состоящего из цветных спектров, расходящихся от центрального яркого пятна.

7. Посмотрите через спектроскоп прямого зрения на люминесцентную лампу. Какие цветные линии вы наблюдаете на фоне сплошного спектра? Сделайте рисунок наблюдаемой картины в тетради.

Свет люминесцентной лампы создается двумя механизмами. Во-первых, электрический разряд в парах ртути внутри колбы вызывает их свечение, которое имеет линейчатый спектр. Во-вторых, это ультрафиолетовое излучение ртути заставляет светиться люминофор, покрывающий стенки лампы, который дает сплошной спектр. В результате спектр люминесцентной лампы является наложением этих двух спектров.
При наблюдении через спектроскоп будет виден сплошной спектр (радужная полоса от красного до фиолетового цвета), на фоне которого выделяются несколько ярких цветных линий. Это линии испускания паров ртути: наиболее заметные из них — яркая зеленая линия, синяя, фиолетовая и желтая (часто в виде двойной линии — дублета).
Рисунок представлял бы собой прямоугольную радужную полосу (сплошной спектр), на которой в соответствующих местах были бы нарисованы яркие вертикальные черточки: фиолетовая, синяя, зеленая и желто-оранжевая.

Ответ: На фоне сплошного радужного спектра люминофора наблюдаются яркие цветные линии, соответствующие линейчатому спектру испускания паров ртути: фиолетовая, синяя, зеленая и желтая.

8. Оформите отчёт о проделанной работе.

Отчёт о проделанной работе должен включать следующие разделы:
1. Тема работы: Наблюдение явлений интерференции и дифракции света.
2. Цель работы: Наблюдение интерференционных картин и дифракционных спектров, подтверждение волновой природы света.
3. Приборы и материалы: Перечисление всего использованного оборудования.
4. Ход работы и наблюдения:
а) Описание наблюдения радужной окраски мыльной пленки и объяснение этого явления с точки зрения интерференции света. Прилагается рисунок или фото.
б) Описание наблюдения дифракционной картины от узкой щели. Указание зависимости вида картины от ширины щели.
в) Описание наблюдения дифракционной картины от капронового лоскута как от двумерной дифракционной решетки.
г) Описание и зарисовка спектра люминесцентной лампы, полученного с помощью спектроскопа. Объяснение его смешанного (линейчато-сплошного) характера.
5. Вывод: Формулировка итогового заключения о проделанной работе. В выводе следует указать, что в ходе работы были успешно проведены наблюдения явлений интерференции (на примере мыльного пузыря) и дифракции (на примере щели и капронового лоскута) света. Наблюдение спектра люминесцентной лампы позволило ознакомиться со строением линейчатых и сплошных спектров. Результаты экспериментов подтверждают волновую природу света.

Ответ: Отчет оформляется по стандартной структуре для лабораторных работ, включая тему, цель, оборудование, описание хода работы с наблюдениями и рисунками для каждого пункта, а также общий вывод, подтверждающий достижение цели работы.