Лабораторная работа № 11. Наблюдение явления интерференции и дифракции света.
Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции света, выявить условия возникновения этих явлений и характер распределения световой энергии в пространстве..
Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, ПВХ трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., лезвие, полоска бумаги ј листа, капроновая ткань 5х5см, дифракционная решетка, светофильтры.
Краткая теория
Интерференция и дифракция – это явления характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных. Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны. Интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные волны - волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз. Когерентные волны можно получить на тонких пленках оксидов,жира,на воздушном клине-зазоре между двумя прозрачными стеклами,прижатых друг к другу.
Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Условие максимума-(усиления колебаний):разность хода волн равна четному числу полуволн
где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга.
Если же разность хода равна нечётному числу полуволн, то волны ослабят друг друга и в точке их встречи будет наблюдаться минимум.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
При интерференция света происходит пространственное перераспределение энергии световых волн..
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.
Дифракция объясняется принципом Гюйгенса –Френеля: каждая точка препятствия,до которого дошла аолна,становится источником вторичныхволн,когерентных,которые распространяются за края препятствия и интерферируют друг с другомЮобразуя устойчивую интерференционную картину-чередование максимумов и минимумов освещенности,радужно окрашенных в белом свете. Условие проявления дифракции: Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.Дифракция наблюдается на тонких нитях,царапинах на стекле,на щели-вертикальном прорезе в листе бумаги,на ресницахна капельках воды на запотевшем стекле,на кристалликах льда в облаке или на стекле,на щетинках хитинового покрова насекомых,на перьях птиц,на CD-дисках,обёрточной бумаги.,на дифракционной решетке.,
Дифракционная решетка оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.
Ход работы:
Задание 1. А) Наблюдение интерференции на тонкой пленке:
Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.
Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине и по цвету по мере изменения толщины пленки. Рассмотрите картину сквозь светофильтр.
Запишите,сколько наблюдается полос и как чередуются цвета в них?
Опыт 2. С помощью ПВХ- трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование интерференционных пятен, окрашенных в спектральные цвета.Рассмотрите картину сквозь светофильтр.
Какие цвета доступны наблюдению в пузыре и как они чередуются сверху вниз?
Б) Наблюдение интерференции на воздушном клине:
Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за не идеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты-это воздушные клинья,на них возникает интерференция. При изменении силы, сжимающей пластинки,изменяется толщина воздушного клина,что приводит к изменению расположения и формы интерференционных максимумов и минимумов.Затем рассмотрите картину сквозь светофильтр.
Зарисуйте увиденные вами в белом свете и увиденное сквозь светофильтр.
Сделайте вывод:Почему возникает интерференция,как объяснить цвет максимумов в интерференционной картине,что влияет на яркость и цвет картины.
Задание 2.Наблюдение дифракции света.
Опыт 4. Лезвием прорезаем щель в листе бумаги, прикладываем бумагу к глазам и смотрим сквозь щель на источник света-лампу. Наблюдаем максимумы и минимумы освещенности.Затем рассмотрите картину через светофильтр.
Зарисуйте увиденную в белом свете и в монохроматическом свете дифракционную картину.
Деформируя бумагу уменьшаем ширину щели, наблюдаем дифракцию.
Опыт 5.Рассмотреть сквозь дифракционную решетку источник света-лампу.
Как изменилась дифракционная картина?
Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить светящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.
Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните это явление.
Сделайте вывод: почему возникает дифракция,как объяснить цвет максимумов в дифракционной картине,что влияет на яркость и цвет картины.
Контрольные вопросы:
Что общего между явлением интерфк\еренции и явлением дифракции?
Какие волны могут давать устойчивую интерференционную картину?
Почему на ученическом столе не наблюдается интерференционная картина от ламп,подвешенных к потолку в классе?
6. Как объяснить цветные круги вокруг Луны?
Приложенные файлы
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, источник питания, проволочный моток, дугообразный магнит, ключ, соединительные провода.
Указания к выполнению работы
1. Соберите установку, показанную на рисунке 144, б. Поднеся к проволочному мотку магнит, замкните цепь. Обратите внимание на характер магнитного взаимодействия мотка и магнита.
2. Поднесите к мотку магнит другим полюсом. Как изменился характер взаимодействия мотка и магнита?
3. Повторите опыты, расположив магнит с другой стороны мотка.
4. Расположите проволочный моток между полюсами магнита так, как это показано на рисунке 144, а. Замкнув цепь, наблюдайте явление. Сделайте выводы.
В работе № 4 мы рассмотрим взаимодействие соленоида с магнитом. Как известно, в соленоиде под током возникает магнитное поле, которое будет взаимодействовать с постоянным магнитом. Мы проведем серию из четырех опытов с различным расположением катушки и магнита. Следует ожидать, что их взаимодействие также будет различным (притягивание или отталкивание).
Примерный ход выполнения работы:
Мы наблюдаем следующие явления, которые удобно представить в виде рисунков:
Цель работы:
Оборудование:
Примечание.
Ход работы
катушку-моток.
Вывод: _____
Дополнительное задание
Лабораторная работа № 2
Изучение явления электромагнитной индукции
Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции, проверить правило Ленца.
Оборудование: миллиамперметр, источник питания, катушки с сердечниками, магнит дугообразный или полосовой, реостат, ключ, соединительные провода, магнитная стрелка.
Тренировочные задания и вопросы
- 28 августа 1831 г. М. Фарадей _____
- В чем заключается явление электромагнитной индукции?
- Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называют _____
- В каких единицах в системе СИ измеряются
а) индукция магнитного поля [B]= _____
б) магнитный поток [Ф]= _____
5. Правило Ленца позволяет определить _____
6. Запишите формулу закона электромагнитной индукции.
7. В чем заключается физический смысл закона электромагнитной индукции?
8. Почему открытие явления электромагнитной индукции относят к разряду величайших открытий в области физики?
Ход работы
- Подключите катушку к зажимам миллиамперметра..
- Выполните следующие действия:
а) введите северный (N) полюс магнита в катушку;
б) остановите магнит на несколько секунд;
в) удалите магнит из катушки (модуль скорости движения магнита приблизительно одинаков).
3. Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток и каковы его особенности в каждом случае: а) _____ б) _____ в) _____
4. Повторите действия пункта 2 с южным(S) полюсом магнита и сделайте соответствующие выводы: а) _____ б) _____ в) _____
5. Сформулируйте, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.
6. Объясните различие в направлении индукционного тока с точки зрения правила Ленца
7. Зарисуйте схему опыта.
8. Начертите схему, состоящую из источника тока, двух катушек на общем сердечнике, ключа, реостата и миллиамперметра (первую катушку соедините с миллиамперметром, вторую катушку через реостат соедините с источником тока).
9. Соберите электрическую цепь по данной схеме.
10. Замыкая и размыкая ключ, проверьте, возникает ли в первой катушке индукционный ток.
11. Проверьте выполнение правила Ленца.
12. Проверьте, возникает ли индукционный ток при изменении силы тока реостата.
Лабораторная работа № 3
Ход работы
- Установите на краю стола штатив, у его верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 2-5 см от пола.
- Измерьте лентой длину маятника: ℓ= _____
- Отклоните маятник от положения равновесия на 5-8 см и отпустите его.
- Измерьте время 30-50 полных колебаний (например N=40). t₁ = _____
- Повторите опыт еще 4 раза (число колебаний во всех опытах одинаковое).
t = _____ t = _____ t = _____ t = _____
- Вычислите среднее значение времени колебаний.
t 
,
t 
t __________ .
- Вычислите среднее значение периода колебаний.
________ .
- Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.
q 
q __________
- Вычислите абсолютные погрешности измерения времени в каждом опыте.
∆t₁=|t₁−t |=| |=
∆t₂=|t₂−t |=| |=
∆t₃=|t₃−t |=| |=
∆t₄=|t₄−t |=| |=
∆t₅=|t₅−t |=| |=
- Вычислите среднюю абсолютную погрешность измерений времени.
∆t = 
= _______
- Вычислите относительную погрешность измерения q по формуле:
, где = 0,75 см 
- Вычислите абсолютную погрешность измерения q.
∆q = _____ ∆q = _____
Лабораторная работа № 4
Ход работы
- Подключите лампочку через выключатель к источнику тока. С помощью экрана с щелью получите тонкий световой пучок.
- Расположите пластину так, чтобы световой пучок падал на нее в точке В под некоторым острым углом.
- Вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее светового пучка поставьте две точки.
- Выключите лампочку и снимите пластину, очертив ее контур.
- Через точку В границы раздела сред воздух-стекло проведите перпендикуляр к границе, лучи падающий и преломленный и отметьте углы падения α и преломления β.
- Проведите окружность с центром в точке В и отметьте точки пересечения окружности с падающим и отраженным лучами (соответственно точки А и С).
- Измерьте расстояние от точки А до перпендикуляра к границе раздела. α= ____
- Измерьте расстояние от точки С до перпендикуляра к границе раздела. b= _____
- Вычислите показатель преломления стекла по формуле.
Т.к. n= n= _____
- Вычислите относительную погрешность измерения показателя преломления по формуле:
Где ∆α = ∆b = 0,15 см. ______ = _____
11. Вычислите абсолютную погрешность измерения n.
∆n = n · ε ∆n = ______ ∆n = _____
12. Запишите результат в виде n = n ± ∆n. n = _____
13. Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.
| № опыта | α, см | B, см | n | ∆α, см | ∆b, см | ε | ∆n |
14. Повторите измерения и вычисления при другом угле падения.
15. Сравните полученные результаты показателя преломления стекла с табличным.
Дополнительное задание
Лабораторная работа № 5
Ход работы
1 Соберите электрическую цепь, подключив лампочку к источнику тока через выключатель.
2. Поставьте лампочку на один край стола, а экран – у другого края. Между ними поместите собирающую линзу.
3. Включите лампочку и передвигайте линзу вдоль рейки, пока на экране не будет получено резкое, уменьшенное изображение светящейся буквы колпачка лампочки.
4. Измерьте расстояние от экрана до линзы в мм. d=
5. Измерьте расстояние от линзы до изображения в мм. f
6. При неизменном d повторите опыт еще 2 раза, каждый раз заново получая резкое изображение. f 
, f
7. Вычислите среднее значение расстояния от изображения до линзы.
f 
f 
f = _______
8. Вычислите оптическую силу линзы D D
9. Вычислите фокусное расстояние до линзы. F F =
10. Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.
| № опыта | f·10¯³, м | f , м | d , м | D , дптр | D, дптр | F , м |
11. Измерьте толщину линзы в мм. h= _____
12. Вычислите абсолютную погрешность измерения оптической силы линзы по формуле:
∆D = , ∆D = _____
13. Запишите результат в виде D = D ± ∆D D = _____
Лабораторная работа № 6
Ход работы
- Включите источник света.
- Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.
- Установите экран на расстоянии приблизительно 50 см от решетки.
- Измерьте расстояние от дифракционной решетки до экрана. α= _____
- Измерьте расстояние от щели экрана до линии первого порядка красного цвета слева и справа от щели.
Слева: b = _____ справа: b=_____
- Повторите измерения и вычисления для фиолетового цвета.
Наблюдение действия магнитного поля на ток
Цель работы: убедиться в том, что однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.
Оборудование: катушка-моток, штатив, источник постоянного тока, реостат, ключ, соединительные провода, магнит дугообразный или полосовой.
Примечание. Перед работой убедитесь, что движок реостата установлен на максимальное сопротивление.
Тренировочные задания и вопросы
- В 1820 г. Х. Эрстед обнаружил действие электрического тока на _____
- В 1820 г. А. Ампер установил, что два параллельных проводника с током _____
- Магнитное поле может быть создано: а) _____ б) _____ в) _____
- Что является основной характеристикой магнитного поля? В каких единицах в системе СИ измеряется?
- За направление вектора магнитной индукции В в том месте, где расположена рамка с током, принимают _____
- В чем состоит особенность линий магнитной индукции?
- Правило буравчика позволяет _____
- Формула силы Ампера имеет вид: F= _____
- Сформулируйте правило левой руки.
- Максимальный вращающийся момент М, действующий на рамку с током со стороны магнитного поля, зависит от _____
Ход работы
- Соберите цепь по рисунку, подвесив на гибких проводах
катушку-моток.
- Расположите дугообразный магнит под некоторым острым
углом α(например 45°) к плоскости катушки-мотка и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение катушки-мотка.
- Повторите опыт, изменив сначала полюсы магнита, а затем направление электрического тока.
- Зарисуйте катушку-моток и магнит, указав направление магнитного поля, направление электрического тока и характер движения катушки-мотка..
- Объясните поведение катушки-мотка с током в однородном магнитном поле.
- Расположите дугообразный магнит в плоскости катушки-мотка (α=0°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.
- Расположите дугообразный магнит перпендикулярно плоскости катушки-мотка (α=90°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.
Вывод: _____
Дополнительное задание
- Изменяя силу тока реостатом, пронаблюдайте, изменяется ли характер движения катушки-мотка с током в магнитном поле?
Лабораторная работа № 2
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
|
I , А |
I ср , А |
m, кг |
t, с |
e, Кл |
|
I 1 = ; I 2 = ; I 3 = ; I 4 = ; I 5 = ; I 6 = ; I 7 = ; I 8 = ; I 9 = ; I 10 = ; I 11 = ; I 12 = ; I 13 = ; I 14 =; I 15 = ; |
Измерьте массу m 1 электрода, который в последствии будет подключен к отрицательному полюсу источника электропитания.
Соберите электрическую цепь. Электроды подключают к цепи, вставляя их отогнутые лепестки в прорези штекеров соединительных проводов.
Проверьте правильность сборки цепи и надежность крепления соединительных поводов.
Подключите источник питания к электросети и заполните кювету раствором медного купороса.
Замкните ключ и одновременно с этим начните отсчет времени. Запишите первое показание амперметра I 1
На протяжении 15-20 минут с интервалом в одну минуту измеряйте и записывайте величину силы тока в цепи.
Через 15-20 минут с момента замыкания ключа разомкните его, отключите источник электропитания и разберите цепь.
Промойте и высушите катод.
Вычислите среднее значение силы тока I ср.
Измерьте массу катода т 2 .
Вычислите массу осевшей на катоде меди: m = m 1 – m 2 .
Определите по формуле (1) величину заряда электрона.
Наблюдение действия магнитного поля на ток
Цель работы: экспериментально определить зависимость действия магнитного поля на проводник с током от силы и направления тока в нем.
Оборудование: источник электропитания, катушка-моток, переменный резистор, ключ, полосовой магнит, штатив с муфтой и лапкой, соединительные провода.
В работе исследуют взаимодействие проволочной катушки-мотка, подвешенной на штативе, с постоянным магнитом, также установленном на этом штативе рядом с катушкой. Последовательно с катушкой включают переменное сопротивление, что позволяет менять в ходе опыта силу тока в ней. Электрическая схема установки показана на рисунке 1.
Ход работы.
Изменив подключение соединительных поводов к источнику питания, установите, как зависит действие магнитного поля на катушку от направления тока в ней.
Измените положение полюсов магнита на противоположное и повторите действия, указанные в пунктах 3, 4 и 5.
Для каждого этапа опыта сделайте схематичные рисунки, отражающие изменения во взаимодействии магнита и катушки при изменении режимов работы установки.
Укажите на рисунках направления магнитного поля магнита, тока в катушке и магнитного поля катушки.
Объясните результаты наблюдений.
