ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ВОЛНОВОЙ ОПТИКЕ

Поваляев Олег Александрович, т.274-62-30(ф), к.т.н.

 
Хоменко Сергей Васильевич, т.274-62-30(ф), к.ф.м.н.

 
Москва, РНПО "Росучприбор"

Продуктивность учебного процесса во многом определяется методами, применяемыми учителем в ходе обучения. На уроках физики эффективным методом является демонстрационный эксперимент, который должен быть доступен учащимся, краток по времени, легок в постановке, нацелен на усвоение и отработку конкретного элемента учебного материала. Одним из основных требований, предъявляемым к эксперименту по волновой оптике, является получение на экране четких и достаточно ярких интерференционной или дифракционной картины, спектра или изображения в поляризованном свете. При этом учащимся должны быть хорошо видны все оптические элементы, стоящие на пути луча света.

Целью данной работы было создание комплекта компактного, простого в использовании и недорогого оборудования для демонстрационного эксперимента по волновой оптике [1]. Сложная аппаратура отвлекает внимание учащихся, затрудняет понимание явлений, изучаемых на уроке. Использование же простого оборудования, собранного в комплект, предоставляет ряд преимуществ в работе, дает возможность учителю систематически вводить элементы учебного материала на базе демонстрационного физического эксперимента.

При проведении экспериментов по волновой оптике, связанных с разложением света в спектр, изучением поляризованного излучения, а также ряда интерференционных и дифракционных эффектов можно воспользоваться любым мощным источником естественного света. В условиях кабинета физики представляется целесообразным в качестве такого источника использовать графический проектор, имеющийся в школе и широко применяемый как для представления графической информации, так и для проекции на экран опытов, масштаб которых недостаточен для непосредственного наблюдения.

Для большого количества опытов по интерференции и дифракции необходим лазер, дающий когерентное монохроматическое излучение. Полупроводниковый лазер, работающий на длине волны 670 нм, входит в состав набора по волновой оптике. Лазер питается от сети переменного тока через адаптер и имеет корпус, позволяющий устанавливать его на магнитный держатель или закреплять в оправе.

Оптические элементы, входящие в состав набора, выполнены в едином стиле. Элемент представляет собой тонкий цилиндр-оправку из пластика, внутрь которой вставлена оптическая деталь (линза, дифракционная решетка и т.п.). Цилиндр с одного из торцов закрыт металлическим кольцом. Собранные оптические элементы малого размера имеют внешний диаметр 35мм, а элементы большего размера - диаметр 70 мм. При сборке оптической схемы элементы устанавливаются в оправы, которые фиксируются в штативе, или закрепляются в магнитном держателе, стоящем на металлической поверхности.

Оправы выполнены в форме квадрата со стороной 11 см и изготовлены из темного пластика. В комплект входят две оправы для линзы и поляроидов, оправа, на которой смонтирована сборка "Кольца Ньютона", и оправа для малых оптических элементов.

Призма из стекла "Флинт" смонтирована на собственной подставке - цилиндре из пластика высотой 23 мм и диаметром 42 мм, в основании которой запрессованы магниты. Стеклянная пластина и плоское зеркало имеют приклеенные к ним стальные пластины, что позволяет устанавливать их на магнитном держателе.

Магнитный держатель представляет собой стойку высотой 45 мм, смонтированную на основании размером 70 х 35 мм. Основание и стойка магнитного держателя изготавливаются из пластика. В основание запрессованы магниты для фиксации его на металлической поверхности, а стойка имеет магниты для удержания оптических элементов. Применение магнитов позволяет точно устанавливать элементы и плавно изменять их взаимное расположение, т.е. проводить юстировку оптической схемы.

В экспериментах, где источником света является графический проектор, на его кадровое окно ставится специальный оптический столик, который предназначен для закрепления оптических элементов. Оптический столик изготовлен из стального листа и имеет круглое отверстие диаметром 100 мм - окно для выделения центральной части светового пучка графического проектора. Втулка с резьбой, вставленная в оптический столик, позволяет закреплять на нем стойку штатива.

Все эксперименты, выполняемые с помощью полупроводникового лазера, используют в качестве стенда рабочее поле - металлический лист размером 20х30 см, закрепленный на стойке штатива в вертикальной плоскости. Оптические элементы, а именно, полупроводниковый лазер, линза и объекты для демонстрации дифракции и интерференции устанавливаются на рабочее поле с помощью магнитных держателей.

При выборе оптики и конструировании деталей оснастки решалась задача применения каждого элемента в наибольшем числе опытов и максимального облегчения сборки оптических схем. Набор "Волновая оптика" прост в обращении, что дает возможность преподавателю проводить сборку демонстрационной установки непосредственно на уроке, одновременно объясняя учащимся функции каждого элемента и акцентируя внимание на характерных деталях эксперимента.

Эксперименты, выполняемые на базе набора по волновой оптике, можно объединить в следующие группы:

• изучение дисперсии света в веществе и демонстрация эффектов, связанных с разложением света в спектр
• поляризация излучения
• интерференция
• дифракция

Дисперсия света и эффекты, связанные с разложением света в спектр

Группа экспериментов, в которых в качестве дисперсионного элемента используется призма, включает в себя демонстрацию явления дисперсии, доказательство неразложимости в спектр монохроматического света, получение белого света при сведении различных спектральных компонент, а также ряд опытов по избирательному поглощению в веществе отдельных цветовых составляющих белого света.

Установка для демонстрации разложения естественного света в спектр с помощью призмы собирается 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 со стойкой штатива. На эту стойку в вертикальной плоскости закрепляется рабочее поле. Отверстие в оптическом столике перекрывается щелевой диафрагмой, направление прорези которой должно быть перпендикулярно вертикальному рабочему полю.

Плоское зеркало располагается около верхней кромки рабочего поля. Оно позволяет направить луч или прямо на экран, или на призму, которая ставится в нижней части рабочего поля. При этом свет падает на призму под таким углом, что после призмы он распространяется горизонтально. В непосредственной близости от призмы устанавливается вторая щелевая диафрагма. Правильное взаимное расположение призмы и второй щелевой диафрагмы обеспечивает практически полную засветку грани призмы, на которую падает излучение. Это позволяет получить максимальную яркость спектра на демонстрационном экране, который размещается в вертикальной плоскости на расстоянии 1 - 2 м от графического проектора.

Описанная экспериментальная установка с небольшими дополнениями и изменениями используется и в опытах, представленных ниже.

При проведении эксперимента по сложению спектральных цветов геометрическое сведение лучей с различной длиной волны на одну область экрана осуществляется с помощью линзы. Приближая и удаляя линзу от призмы, добиваются минимальной окраски пятна на экране. Отсутствие цветов в пятне означает, что при сведении вместе различных составляющих спектра наш глаз снова начинает воспринимать их как белый свет.

Опыт становится более наглядным, если продемонстрировать, что область, где совмещаются лучи с разной длиной волны, формируется постепенно. Для этого лист белой бумаги, наклоненный под углом 45° к направлению распространения луча (так чтобы учащиеся могли хорошо видеть пятно на этом листе) перемещается от линзы к экрану. Учащиеся при этом могут наблюдать, что непосредственно за линзой свет разложен в спектр, но по мере приближения к экрану на листе бумаги появляется белая полоса в центре. Эта полоса расширяется, и около экрана спектр полностью исчезает.

Для демонстрации неразложимости в спектр монохроматического света прорезь щелевой диафрагмы, лежащей на кадровом окне графического проектора, перекрывается красным светофильтром. С помощью зеркала луч света направляется непосредственно на экран (мимо призмы), и учащиеся видят цвет исходного луча. После этого зеркало поворачивается таким образом, чтобы луч прошел через призму, и учащиеся убеждаются в том, что в световом пятне на экране изменились только геометрические размеры, а его цвет остался прежним. Отсутствие новых оттенков в пятне говорит о том, что монохроматический свет нельзя разложить в спектр. Призма не добавляет никаких новых цветов в свет, в котором с самого начала присутствовала только одна цветовая составляющая.

Тот же самый эффект можно продемонстрировать с помощью полупроводникового лазера, который устанавливается на рабочее поле вместо зеркала. Вид красного пятна на экране не зависит от того, прошел ли луч лазера через призму, или он светит прямо на экран.

Переходя к эксперименту по поглощению света в веществе, отметим, что красный светофильтр, использующийся в опыте, демонстрирующем неразложимость в спектр монохроматического света, пропускает свет в некотором определенном интервале длин волн. При этом световые волны с другими длинами поглощаются в материале светофильтра. Поэтому в спектре на экране остается только красная часть.

Для демонстрации поглощения света в веществе кювета с исследуемым веществом - слабым раствором перманганата калия (KMnO4), помещается на щелевую диафрагму. Раствор перманганата калия поглощает свет в зеленой области спектра, что проявляется на экране в виде темного участка в соответствующей части спектра. Кроме поглощения света в растворе перманганата калия, можно продемонстрировать учащимся поглощение света в любых окрашенных растворах, например, в слабом растворе йода в воде.

Эксперимент становится более убедительным, если рядом со спектром света, прошедшего через исследуемое вещество, для сравнения представлен спектр источника излучения. Если поставить кювету так, чтобы часть света от графического проектора проходила сбоку от нее, то спектр на экране оказывается состоящим из двух частей: с одной стороны представлен спектр света, прошедшего через кювету, а с другой расположена зона, которая сформирована светом, через кювету не проходившим.

Поляризация излучения

В экспериментах, демонстрирующих явление поляризации света, используется оптическая система графического проектора, а элементы оптической схемы устанавливаются на стойке штатива над кадровым окном графического проектора (рис. 3).

В первом эксперименте, показывающем изменение освещенности экрана при вращении одного из поляроидов, все получается "само собой", т.е. никакой настройки не требуется. Единственная тонкость - оба поляроида должны быть расположены близко друг к другу. Только в этом случае можно сделать резким изображение на экране двух поляроидов одновременно, и метки, определяющие их ориентации, будут хорошо видны.

То же самое относится и к опыту, где поляризованный свет позволяет увидеть зоны напряжения внутри деформируемого образца. Контуры образца должны четко обозначаться на экране, поскольку только в этом случае учащиеся смогут связать изменение цвета экрана с механическими напряжениями, которые возникли в определенных областях образца.

Геометрия оптической схемы, выбранная для демонстрации явления поляризации, позволяет с помощью обычного химического стакана, наполненного раствором сахара, показать эксперимент по вращению плоскости поляризации в растворе сахара. Для осуществления опыта необходимо приподнять оправу верхнего поляроида так, чтобы между поляроидами можно было поставить химический стакан (рис. 4).

Интерференция света

В классических схемах для наблюдения интерференции световых волн два источника когерентного излучения создаются путем разделения света от одного источника на два потока, идущих из разных точек пространства. Бипризма Френеля создает два симметричных изображения излучающего центра, в схеме с зеркалом Ллойда к свету, идущему на экран непосредственно от источника, добавляется свет от мнимого изображения источника в плоском зеркале, геометрия Юнга предполагает, что на экран попадает свет от двух щелей, в свою очередь освещаемых через узкую щель. Во всех этих случаях интерференция наблюдается в той области экрана, которая освещается одновременно двумя источниками.

Перечисленные схемы были разработаны в расчете на обычные источники света. Применение в них лазера позволяет существенно упростить настройку оптической схемы и сделать интерференционную картину на экране видимой с любого места класса без полного затемнения помещения. Для моделирования точечного источника света излучение лазера фокусируется с помощью короткофокусной линзы, и точка фокусировки луча становится излучающим центром.

При интерференции света от двух точечных источников ширина интерференционных полос обратно пропорциональна расстоянию между этими источниками, поэтому для улучшения зрительного восприятия эффекта интерференции необходимо максимально сблизить изображения источников света, получаемых с помощью бипризмы Френеля или зеркала Ллойда. Это может быть обеспечено приближением бипризмы Френеля и зеркала Ллойда к области фокусировки луча лазера. В эксперименте по получению интерференции по методу Юнга, расстояние между щелями, нанесенными на стеклянную подложку с помощью напыления, задано заранее, но и здесь следует располагать щели примерно в фокусе лазера, так как это увеличивает световой поток, проходящий сквозь щели, и соответственно, картина на экране становится более яркой.

Внешний вид установок, собираемых для проведения этих экспериментов, представлен на рис. 5. Оптический столик для графического проектора устанавливается на демонстрационный стол, и в нем закрепляется стойка штатива. В штативе на максимальной высоте над поверхностью стола укрепляется рабочее поле. На расстоянии примерно 2 м от него располагается экран. С помощью магнитных держателей на рабочем поле помещается полупроводниковый лазер и линза с фокусным расстоянием 5 см и диаметром 1.5 см. Объект, использующийся для создания двух источников света, устанавливается примерно в фокальной области линзы.

Для демонстрации интерференционных эффектов в естественном свете в набор входит оптическая сборка "Кольца Ньютона". Кольца Ньютона демонстрируются в отраженном и проходящем свете. Установка для этого эксперимента собирается на базе графического проектора (рис. 6).

На кадровое окно графического проектора устанавливается оптический столик со стойкой штатива, на которой на небольшой высоте над кадровым окном графического проектора устанавливается сборка "Кольца Ньютона". Сборка "Кольца Ньютона" ориентируется под углом 45° или немного большим к направлению распространения света графического проектора, так чтобы отраженный от сборки свет попадал на нижнюю часть демонстрационного экрана. Чтобы получить на экране изображение колец Ньютона в пучок света, отраженный от сборки "Кольца Ньютона", вставляется линза с фокусным расстоянием F = 12 см, положение которой подбирается исходя из максимальной четкости картины на экране.

Свет, прошедший через сборку "Кольца Ньютона", с помощью оптической системы графического проектора также направляется на экран (на его верхнюю часть). Для появления четких колец Ньютона в проходящем свете необходимо подобрать высоту объектива графического проектора. Наличие на экране двух систем колец Ньютона позволяет обратить внимание учащихся на чередование колец разной окраски в проходящем и отраженном свете, а также рассмотреть причины более высокой контрастности колец, наблюдаемых в отраженном свете.

Та же самая установка используется и для демонстрации интерференции в мыльной пленке. При проведении этого опыта сначала на экране получают изображение колец Ньютона в проходящем и отраженном свете, а затем на место оптической сборки "Кольца Ньютона" устанавливают рамку с мыльной пленкой. Такой прием позволяет юстировать оптическую схему с помощью существенно более стабильного объекта, чем мыльная пленка.

Кольца Ньютона легко наблюдаются и в монохроматическом свете полупроводникового лазера. Оптическая схема этого эксперимента приведена на рис. 7. Луч лазера, расширенный с помощью линзы до диаметра 4 - 5 см, падает на сборку примерно под углом 45°. Интерференционные картины возникают на двух экранах сразу без какой-либо дополнительной юстировки оптической схемы.

Дифракция света

В набор по волновой оптике входит ряд элементов для наблюдения дифракции: щели шириной 0.3 и 0.6 мм, нить диаметром 0.2 мм, отверстие диаметром 0.8 мм, а также две дифракционные решетки (50 шт./мм и 150 шт./мм) и модель двумерной структуры (очень мелкая капроновая сетка). Эти элементы используются в экспериментах по дифракции в параллельном и в расходящемся луче света, создаваемом с помощью полупроводникового лазера. Дифракционные решетки позволяют наблюдать несколько порядков дифракции и в естественном свете, получаемом от графического проектора.

Оптическая схема, применяемая для демонстрации дифракционных эффектов в параллельном пучке света, выглядит предельно просто. На закрепленном вертикально рабочем поле устанавливаются полупроводниковый лазер и объект, на котором происходит дифракция. В экспериментах показывается вид дифракционной картины, соответствующий каждому из объектов, проводится изучение влияния ширины щели и плотности штрихов дифракционных решеток на расстояние между дифракционными максимумами. Для увеличения масштаба наблюдаемой дифракционной картины в ряде случаев рекомендуется наклонять экран таким образом, чтобы угол падения луча был близок к 45° (дифракция на нити и на щелях), или устанавливать перед экраном дополнительную линзу (дифракция на круглом отверстии).

В оптических схемах опытов с дифракцией в расходящемся пучке света (рис. 8) обязательно присутствует собирающая линза, которая и создает после фокуса расходящийся пучок света. Щели и нить размещаются примерно в фокальной области линзы (яркость дифракционной картины на экране при этом максимальна), отверстие отодвигается от линзы примерно на три фокусных расстояния (критерием здесь является четкость картины на экране). Дифракционные эффекты в этих экспериментах проявляются настолько сильно, что практически исчезает понятие геометрической тени объекта.

В спектроскопии (исследовании спектров для научных и промышленных целей) для получения спектров дифракционные решетки применяются гораздо чаще, чем призмы. Поэтому эксперименты по разложению света в спектр с помощью дифракционной решетки имеют определенную практическую ценность.

Для проекции спектра, получаемого с помощью дифракционной решетки, на экран в опыте используется оптическая система графического проектора (рис. 9). Линза и поворотное зеркало графического проектора устанавливаются на высоте 35 - 40 см над кадровым окном. Дифракционная решетка с помощью подходящей оправы размещается непосредственно под линзой проектора. В эксперименте важное значение имеет коллимация светового пучка, падающего на дифракционную решетку, поскольку от этого зависит четкость (разрешение) спектра на экране. Поэтому в оптической схеме присутствуют две щелевые диафрагмы: одна шириной 5 мм непосредственно перед (по ходу луча) дифракционной решеткой, а другая, шириной 2 - 3мм, на оптическом столике, установленном на кадровом окне графического проектора.

После установки дифракционной решетки 50 шт./мм (период решетки 0.02 мм) и получения на экране спектров следует обратить внимание учащихся на то, что слабоокрашенная полоса в центре дифракционной картины - нулевой порядок дифракции. В нулевом порядке разложения в спектр не происходит. Вверх и вниз от нулевого порядка четко видны спектры первого порядка. Ширина спектра возрастает с ростом его порядкового номера. Это приводит к тому, что спектры второго, третьего и последующих порядков частично накладываются друг на друга, поэтому в них наблюдается искажение цветов.

Комментируя картину на экране, полученную при установке решетки 150 шт./мм, необходимо помочь учащимся сопоставить вид спектров в первом и втором случаях. Результатом должен быть вывод о том, что угол дифракции для синего цвета всегда меньше, чем для красного, и что разрешающая способность дифракционной решетки увеличивается с ростом числа штрихов на 1 мм поверхности и номера порядка дифракции.

Таким образом, разработанный набор демонстрационного оборудования отвечает современным представлениям об образовательном эксперименте и позволяет в полном объеме проиллюстрировать материал существующих учебников и учебных программ. Выполненный на основе последних достижений в технологии набор "Волновая оптика" обеспечивает выразительность и надежность эксперимента и позволяет в ограниченное время и на доступном уровне довести учебный материал до учащихся, способствуя формированию у них основных понятий курса физики и развитию мышления.

Литература
1. www.l-micro.ru