На поверхности компакт диска видны цветные полосы как объяснить это явление

Обновлено: 07.07.2024

1. Записать весь текст, сделать рисунки цветными карандашами.

2. По возможности сделать дома описанные опыты и проверить достоверность описанных результатов

Физика. Урок 48. Лабораторная работа № 16.

Тема: Наблюдение интерференции и дифракции света

Цель: Экспериментальное подтверждение явлений дифракции и интерференции, наблюдение колец Ньютона.

В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Опыт 1. Скрутите из проволоки похожую конструкцию.Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы или окна). Наблюдаем окрашенность пленки в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 2. С помощью пластмассовой трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Ответьте на вопрос:

1. Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 3.Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.

Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Ответьте на вопросы:

1. Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?

2. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

Опыт 4.Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Цель работы: Углубить представления о явлении дифракции волн (обоснования, виды проявления, условия наблюдения, модели и основы теоретических расчетов). Провести экспериментальные наблюдения и измерения на примере дифракции световых волн.

Оборудование . Транспортир, лазер-брелок, осветитель с лампой накаливания, фрагмент компакт-диска, экран (лист из белого картона).

1. Компакт диск - дифракционная решетка

1.1. Теоретическая часть.

Зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов.

1.2. Экспериментальная часть

1.2.1. Экспериментальная установка.

Стенд для проведения экспериментальных наблюдений (рисунок 3) состоит из транспортира 1, на котором жестко закреплены лазер-брелок 2 и фрагмент компакт диска 3. Зеркальные дорожки компакт-диска, имеющие форму дуг, на стенде ориентированы близко к вертикальному направлению. Фрагмент закреплен у нулевой точки транспортира. Брелок ориентирован так, что лазерный луч падает перпендикулярно плоскости фрагмента.

Дифрагированные лучи попадают на боковые стороны транспортира, их углы отклонения определяются по показаниям транспортира. Подготовка прибора включает проверку юстировки лазера. Она считается нормальной, если отраженный луч возвращается в его выходное окно. Проверить это можно по положению пятна на полоске белой бумаги, размещенной вблизи окошка.

Поскольку зеркальные дорожки имеют дугообразную форму, то дифрагированные лучи не лежат строго в плоскости транспортира и поэтому для их наблюдения также следует пользоваться белым экраном, помещая его вблизи шкалы и ориентируя перпендикулярно плоскости транспортира. Нажав на кнопку включателя лазера проверьте точность установки его корпуса и пронаблюдайте интерференционные максимумы слева и справа от оси прибора.

1.2.2. Методика и результаты измерений.

Задание 1 . По полученным значениям углов дифракции определите период d дифракционной структуры зеркальной поверхности компакт-диска.

Оцените погрешность метода и запишите полученный результат с указанием интервала.

Таблица 1. Результаты наблюдений дифракции света на компакт-диске ………….

Период дифракционной структуры, d , мкм

Относительная погрешность измерения

Абсолютная погрешность измерения

1. Период дифракционной структуры компакт-диска d = ………± ……..;

2. Вдоль радиуса диска на каждом миллиметре размещается n = ………± …… зеркальных дорожек.

Задание 2 (уровень УИРС). Пронаблюдайте, как изменяются поперечные размеры дифракционных максимумов нулевого, первого и второго порядков. Объясните причины замеченных изменений. Какие геометрические параметры зеркальных дорожек можно определить из этих наблюдений.

2. Компакт-диск – зонная пластинка.

2.1. Теоретическая часть.

2.1.2. Фокусирующее действие компакт-диска.

Применительно к компакт-диску теория позволяет отождествить его с одновременно с вогнутым и выпуклым зеркалами, каждое из которых также имеет несколько фокусов. На рисунке 4 показано, как преобразуется параллельный пучок света, нормально падающий на диск. Отраженные лучи образуют с осью диска два действительных фокуса, которые можно наблюдать на малом экране диаметром около 3 см.

При перемещении экрана вдоль оптической оси установки, фокусы легко обнаруживаются, как места с максимальной концентрацией света. Наиболее ярким является самый дальний из них (первый фокус). Если на диск падает белый свет, то легко наблюдается хроматическая аберрация – зависимость фокусного расстояния от длины волны. В данном случае для красного цвета фокусы располагаются ближе к диску, чем для синего.

2.2. Экспериментальная часть .

Вместо масок, выделяющих кольцевой фрагмент компакт диска, можно использовать узконаправленный луч лазера. При нормальном падении на поверхность диска наблюдается нормально отраженный луч, по которому можно проверить, действительно ли луч падает на диск перпендикулярно поверхности. Четыре других луча, наблюдаемых в отражении, позволяют найти два действительных и два – мнимых фокуса.

Экспериментально фокусные расстояния компакт-дисков наблюдаются на установке, показанной на рисунке 5. На плоском основании перпендикулярно к нему жестко укреплен компакт-диск так, что его центр располагается над плоскостью основания на высоте, примерно равной 1 см. Лазер-брелок закреплен на рейсшине на такой же высоте и так направлен, что луч падает на диск перпендикулярно его поверхности.

При перемещении рейсшины с лазером вдоль грани основания пятно должно следовать строго вдоль диаметра диска, а отраженный прямой луч - возвращаться в выходное окошко лазера. Проверив нормальность падения луча на диск, отметим ход отраженных от него косых лучей. В местах их пересечения с геометрической осью диска располагаются действительные фокусы.

2.2.1. Методика и результаты измерений.

Наблюдения в монохроматическом свете.

Проверив правильность юстировки лазера, положите на основание лист белой бумаги (формат А4) короткой стороной вплотную к диску и закрепите его кнопками. Проведите на нем осевую линию – перпендикуляр, проходящий через центр диска. Перемещая рейсшину, направьте луч в точку, отстоящую от центра диска на расстояние R₁ и отметьте точками направление косых лучей. В местах их пересечения с осью отметьте точки фокусов. Такие действия и измерения следует проделать не менее четырех раз – дважды с левой, и дважды с правой стороны диска. При этом точки падения лучей слева и справа по возможности следует выбирать симметрично. Результаты занесите в таблицу 2.

1. По-научному вся эта красота называется дифракцией света на компакт-диске:

2. Белый свет разлагается в спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от неё. Она представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

3. Один из простейших и распространённых в быту примеров отражательных дифракционных решёток — компакт-диск. На поверхности компакт-диска — дорожка в виде спирали с шагом 1,6 мкм между витками. Примерно треть ширины (0,5 мкм) этой дорожки занята углублением (это записанные данные), рассеивающим падающий на него свет, примерно две трети (1,1 мкм) — нетронутая подложка, отражающая свет. Таким образом, компакт-диск — отражательная дифракционная решётка с периодом 1,6 мкм.

4. Самое известное изображение разложения света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме - на обложке альбома The Dark Side of the Moon группы Pink Floyd.

6. Волны разной частоты распространяются с разной скоростью в более плотной, чем воздух среде. Проходя разный путь, они четко разделяются, и каждый цвет виден отдельно. Ньютон назвал такую картину “спектр” - “видение”, а явление - “дисперсия”, что означает “рассеяние”.

7. Аналогично происходит и на капельках воды в воздухе после дождя или над рекой. Из дождевых капель под разными углами преломления
выходят разноцветные световые пучки. На расстоянии около 2 км можно наблюдать радугу в виде разноцветных дугообразных полос на фоне облаков, освещаемых Солнцем.

8. Внутри не сперматозоиды, а трактория фонаря, по которой я освещал диск:

9. Каждый цвет радуги создается волнами определенного диапазона длин волн. Наибольшая длина соответствует красному (760 нм) цвету,
а наименьшая - фиолетовому (380 нм). Т.е., красный и фиолетовый разделяются в пространстве. Все “красные” капли наблюдатель будет видеть под одним углом (не выше 42°), а оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые под другими углами. Поэтому они будут казаться расположенными по дуге окружности.

10. Чем выше источник света, тем меньшую часть радуги мы видим. Если Солнце поднимется на 43° над горизонтом, радуга и вовсе перестанет быть видимой. Но если подняться в этом месте высоко над землей, то можно увидеть даже полное радужное кольцо.

11. А вот пример "внешней" радуги, полученной при освещении компакт-диска: