Mierzymy otaczający nas świat
Email

Eureka!!! Światło jest falą! - domowe laboratorium optyki laserowej


 

Domowe laboratorium optyki laserowej

  Grzegorz F. Wojewoda
I Liceum Ogólnokształcące
Bydgoszcz, Polska

 

Eureka! Światło jest falą!

Chcielibyśmy, aby uczniowie mogli z pełnym przekonaniem wydać taki okrzyk. W tym celu w zaciemnionej pracowni fizycznej możemy pozwolić im „bawić się” w odkrywanie zjawisk dyfrakcji i interferencji światła za pomocą bardzo prostych i tanich przyrządów. Dostępność tych przyrządów powoduje, że można w sali lekcyjnej stworzyć wiele stanowisk do badania tych zjawisk. Jeśli przeprowadzanie doświadczeń w trakcie lekcji jest niemożliwe lub utrudnione, to proponowane przez nas eksperymenty uczniowie mogą z powodzeniem przeprowadzić w domu. Autor niniejszego opracowania wszystkie załączone doświadczenia przeprowadził w domu podczas długich jesiennych wieczorów. Przed nami jeszcze wiele ciemnych wieczorów, podczas których można spróbować powtórzyć te eksperymenty.

Uwaga!
Prosimy nie kierować światła laserowego w kierunku oczu!
Istnieje niebezpieczeństwo trwałego uszkodzenia wzroku!
Prosimy zachować szczególna ostrożność podczas przygotowywania
żyletek - ich ostrza mogą przeciąć naskórek!
 
gotowy zestaw doświadczalny
 

 
dyfrakcja
 
Domowe laboratorium optyki laserowej

 
Program nauczania/Przedmioty:
Gimnazjum
Podstawa programowa: Natura światła
temat: Falowe własności swiatła
Szkoła ponadgimnazjalna
Podstawa programowa: światło i jego rola w przyrodzie
temat: Zjawisko interferencji i dyfrakcji

1. Potrzebne materiały

  Do wykonania doświadczeń potrzebne będą:

  • wskaźnik laserowy,
  • dwie żyletki,
  • dwie szpilki,
  • cztery klamerki do wieszania bielizny,
  • trzy ramki do przeźroczy,
  • taśma klejąca (najlepsza jest taśma izolacyjna),
  • nożyczki,
  • ekran (biała ściana lub biała kartka przylepiona do ściany).
Zestaw elementów do wykonania doswiadczeń
 Rys. 1 Zestaw elementów do wykonania doświadczeń

2. Wykonanie

A. Dyfrakcja światła na pojedynczej szczelinie

Za pomocą nożyczek przecinamy żyletkę wzdłuż na dwie połowy, a następnie przycinamy je do odpowiedniej długości.

Przygotowanie żyletek do montażu  Przygotowanie zyletek do montażu 
                   Rys. 2 Przygotowanie żyletek do montażu

  
Za pomocą taśmy klejącej przyklejamy połowy żyletki do ramki do przeźroczy w taki sposób, aby ostrza żyletek utworzyły szczelinę o coraz większej szerokości (maksymalna jej szerokość powinna wynosić około 1mm).

Mocowanie żyletek do ramki 
       Rys. 3.  Mocowanie żyletek do ramki.


Zamykamy ramkę. Szczelina do badania zjawiska dyfrakcji światła na pojedynczej szczelinie jest gotowa!

Gotowa ramka ze szczeliną 
       Rys. 4.  Gotowa ramka ze szczeliną.

Za pomocą klamerki ustawiamy ramkę pionowo. Pozostałymi klamerkami ustawiamy wskaźnik laserowy. Światło laserowe kierujemy poprzez szczelinkę na biały ekran (ścianę) umieszczony w odległości około 2m. Zmieniając część szczeliny przez którą świeci laser, możemy badać jak obraz dyfrakcyjny zależy od szerokości szczeliny.

Gotowy zestaw doświadczalny 
       Rys. 5.  Gotowy zestaw doświadczalny

B. Interferencja światła przechodzącego przez dwie szczeliny

Nożyczkami przecinamy żyletkę wzdłuż na dwie połowy, a następnie przycinamy je do odpowiedniej długości. Od szpilki odcinamy główkę.

Przygotowanie żyletki do montażu  Przygotowanie szpilki do montażu 
                Rys. 6.  Przygotowanie żyletki i szpilki do montażu
Taśmą klejącą przyklejamy połówki żyletki do ramki do przeźroczy w taki sposób, aby żyletki utworzyły szczelinę o szerokości około 2,5mm. Pomiędzy żyletki wklejamy szpileczkę, w taki sposób aby powstały dwie szczeliny o szerokości około 0,8mm.

 

Montaż układu dwóch szczelinek 
Rys. 7 Montaż zestawu do badania zjawiska
interferencji

Ramka ze szczelinami do badania interferencji 
 Rys. 8.  Gotowa ramka ze szczelinami do
badania zjawiska interferencji
 
Tak jak poprzednio, za pomocą klamerek ustawiamy ramkę i wskaźnik laserowy. Światło laserowe kierujemy poprzez szczelinkę na biały ekran (ścianę) umieszczony w odległości około 2m.

 

Zestaw doświadczalny 
 Rys. 9.  Gotowy zestaw doświadczalny



C. Dyfrakcja światła na pojedynczej przeszkodzie (szpilce).

Główkę szpilki odcinamy nożyczkami. Szpilkę bez główki przyklejamy taśmą klejącą do do ramki.

Przygotowanie szpilki do montażu 
  Rys. 10.  Przygotowanie szpilki do montażu
Tak jak poprzednio za pomocą klamerek ustawiamy ramkę pionowo. Również za pomocą klamerek ustawiamy wskaźnik laserowy. Światło laserowe kierujemy poprzez szpilkę na biały ekran (ścianę) umieszczony w odległości około 2m.

 

Ramka gotowa do doświadczeń  Zestaw eksperymentalny 
    Rys. 11.  Zestaw do badania zjawiska interferencji na pojedynczej szpilce.
 

 
3. Wyniki doświadczeń

A. Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie

Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny  Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny 
 Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny  Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny
                     Rys. 12.  Obraz dyfrakcyjny pojedynczej szczeliny.
 
Łatwo zaobserwować że im mniejsza jest szerokość szczeliny, przez którą przechodzi światło, tym większa jest szerokość uzyskanego obrazu dyfrakcyjnego. Środkowy prążek na szerokość większą od prążków następnych rzędów.  Intensywność oświetlenia ekranu jest tym mniejsza im dalej od środka obrazu. Powoduje to pewne problemy w uzyskaniu dobrej fotografii. Gdy na fotografii widać szczegóły środkowego prążka, to nie widać prążków wyższych rzędów. Gdy widać prążki wyższych rzędów to środkowy prążek jest prześwietlony.

 

B. Interferencja światła przechodzącego przez dwie szczeliny

Interferencja na dwóch szczelinach 
  Rys. 13.  Obraz interferencyjny po przejściu
światła przez dwie szczeliny.
Na ekranie powstają równoległe, równo od siebie odległe prążki o jednakowej szerokości. Również w tym przypadku będziemy mieli problemy z uzyskaniem dobrej fotografii. Gdy na fotografii widać szczegóły środkowego prążka, to nie widać prążków wyższych rzędów. Gdy widać prążki wyższych rzędów to środkowy prążek jest prześwietlony.


C. Dyfrakcja światła na pojedynczej przeszkodzie (szpilce)

Obraz interferencyjny na szpilce  Interferencja na szpilce 
Rys. 14. Obraz interferencyjny uzyskany na pojedynczej przeszkodzie 

 

Interferencja światła na szpilce 
Rys. 15.  Interferencja światła na pojedynczej
szpilce (palcem zaciemniono środkowy prążek)

 

Na ekranie widać prążki interferencyjne o coraz mniejszej intensywności. Środkowy prążek jest bardzo intensywnie oświetlony, prążki wyższych rzędów są zdecydowanie ciemniejsze. Stąd trudności w wykonaniu fotografii.