1. Наблюдение дисперсии света

Цель эксперимента:

продемонстрировать явление дисперсии на примере разложения естественного света в спектр при прохождении его через призму.

Оборудование:

· призма из стекла "Флинт"

· щелевая диафрагма

· зеркало плоское

· зажимы - 2 шт.

· подставка угловая

· стойка штатива

· экран малый со щелью

· рабочее поле с креплениями

· графический проектор

· экран демонстрационный

· оптический столик для проектора

Для демонстрации разложения естественного света в спектр при прохождении его через призму соберите установку в соответствии с оптической схемой, представленной на рис. 1. Внешний вид установки приведен на рис. 2.

Формирование пучка света, идущего от графического проектора, происходит следующим образом. На кадровое окно графического проектора устанавливается оптический столик, при этом центр круглого отверстия оптического столика должен совпадать с центром кадрового окна графического проектора. В оптическом столике имеется втулка с резьбой, в которую следует вкрутить стойку штатива. На эту стойку на наибольшей высоте в вертикальной плоскости закрепляется рабочее поле. Рабочее поле имеет небольшие стержни для зажима его в штативе. Отверстие в оптическом столике перекрывается щелевой диафрагмой, направление прорези которой должно быть перпендикулярно вертикальному рабочему полю. На вертикальном рабочем поле устанавливаются плоское зеркало, призма и малый экран со щелью. Плоское зеркало используется в данной оптической схеме в качестве поворотного зеркала. Оно позволяет направить луч либо непосредственно на экран, либо на призму. При этом свет падает на призму под таким углом, что после призмы он распространяется горизонтально.

Расположите зеркало около верхней кромки рабочего поля (т.е. на высоте около 30 см над кадровым окном) и направьте луч света на призму, расположенную ближе к нижнему краю рабочего поля. В непосредственной близости от призмы установите малый экран со щелью. Ширина щели малого экрана (примерно 5 мм) такова, что обеспечивается засветка почти всей грани призмы. На расстоянии 2 - 3 м от графического проектора вертикально устанавливается демонстрационный экран, на котором и наблюдается спектр.

Юстировка оптической схемы проводится следующим образом. Расположите первую щелевую диафрагму в центре кадрового окна графического проектора (длинная сторона щели параллельна ребру призмы). Зеркало на угловой подставке поставьте над щелевой диафрагмой так, чтобы на него попадал весь свет, идущий от графического проектора. Для контроля размера и места светового луча в любой точке оптической схемы удобно использовать небольшой лист белой бумаги. Угол падения света на зеркало выбирается таким, чтобы после отражения луч поворачивался на небольшой угол в сторону экрана, и призму можно было установить за пределами луча, выходящего из кадрового окна графического проектора.

Закрепите призму в нижней части рабочего поля, поворачивая ее вокруг оси, параллельной ее граням, получите на экране изображение спектра. Если в спектре видны искажения (спектр имеет форму параллелограмма, а не прямоугольника), Вам следует найти правильную ориентацию призмы относительно нижней щелевой диафрагмы. Для этого Вы можете немного повернуть рабочее поле, на котором установлены зеркало и призма, вокруг стойки штатива. После этого установите на рабочее поле малый экран со щелью. Правильное взаимное расположение призмы и в щели малого экрана обеспечивает практически полную засветку грани призмы, на которую падает излучение. Проконтролировать это можно по освещенному пятну на подставке призмы или на ее верхнем основании.

Комментируя полученный на экране спектр, Вам следует обратить внимание учащихся на то, что скорость распространения света в веществе призмы зависит от частоты, что и приводит к разным углам отклонения для света разных цветов.

2. Неразложимость в спектр монохроматического света

Цель эксперимента:

продемонстрировать неразложимость в спектр монохроматического света.

Оборудование:

· призма из стекла "Флинт"

· оптический столик для проектора

· зеркало плоское

· щелевая диафрагма

· подставка угловая

· зажимы - 2 шт.

· красный светофильтр

· стойка штатива

· экран малый со щелью

· рабочее поле с креплениями

· полупроводниковый лазер

· экран демонстрационный

· графический проектор

Для того чтобы экспериментально решить вопрос о том, что происходит, если на призму попадает свет со строго определенной длиной волны, необходимо провести следующие эксперименты.

Для проведения первого эксперимента соберите ту же установку, которая использовалась в опыте по изучению дисперсии света. Ее оптическая схема приведена на рис. 1, а общий вид представлен на рис. 2. В этом эксперименте данная установка будет использоваться как прибор для разложения света в спектр.

Руководствуясь указаниями к эксперименту "Наблюдение дисперсии света", получите на экране спектр естественного света. Перед проведением опыта со светофильтром необходимо уменьшить освещенность в классе. Закройте щелевую диафрагму, установленную на кадровом окне графического проектора, красным светофильтром (рис. 3). При этом в спектре, наблюдаемом на экране, останется только красная часть. Поверните зеркало так, чтобы направить луч графического проектора непосредственно на экран мимо призмы. (Постарайтесь сделать это, не сдвигая зеркало с места.) Учащиеся увидят, что цвет пятна на экране не претерпевает никаких изменений. При этом необходимо отметить, что геометрические размеры пятна увеличиваются за счет того, что на пути луча отсутствуют призма и вторая диафрагма. Снова пропустите луч через призму, и учащиеся будут иметь возможность еще раз сопоставить цвет пятна на экране в обоих случаях. Эксперимент можно проводить, закрывая светофильтром примерно две трети щелевой диафрагмы. При этом Вы будете иметь на призме область, которая освещается белым светом, а на экране, соответственно, картину спектра.

Объясняя наблюдаемый эффект, необходимо подчеркнуть, что светофильтр пропускает свет в некотором определенном интервале длин волн. При этом световые волны с другими длинами поглощаются в материале светофильтра. В спектре на экране останется только красная часть. Призма не добавляет никаких новых оттенков в свет, в котором с самого начала присутствовала только одна цветовая составляющая.

Точно такой же вывод можно сделать, рассмотрев прохождение через призму излучения полупроводникового лазера. Излучаемый лазером свет является существенно более монохроматическим, чем свет графического проектора после светофильтра или, иными словами, полоса пропускания светофильтра существенно шире интервала длин волн, в котором светит лазер.

При проведении опыта используется та же экспериментальная установка с небольшими изменениями (рис. 4). Выключите графический проектор и снимите с угловой подставки плоское зеркало. Установите на освободившуюся подставку полупроводниковый лазер и включите его (рис. 5). Направьте лазер на экран и продемонстрируйте учащимся яркую точку. После этого поверните лазер, направьте его луч на призму и добейтесь того, чтобы луч лазера прошел в призме таким же путем, как и свет графического проектора. Пятно, полученное при этом на экране, не будет отличаться от пятна при прямом освещении экрана лазером.

Рассматривая результаты проведенных экспериментов, помогите учащимся сделать вывод о том, что монохроматическое излучение в спектр разложить нельзя.