13409

Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Хвильова і квантова оптика (10 кл.)

Лабораторная работа

Физика

Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Хвильова і квантова оптика 10 кл. Кільця Ньютона Обладнання: апарат проекційний з лампою розжарювання або дуговою лампою кільця Ньютона з набору по дифракції та інтерфе

Украинкский

2013-05-11

1.65 MB

7 чел.

Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Хвильова і квантова оптика (10 кл.)

  1.  Кільця Ньютона

Обладнання: 1)апарат проекційний з лампою розжарювання або дуговою лампою, 2)«кільця Ньютона» з набору по дифракції та інтерференції світла, 3)світлофільтр червоний або помаранчевий, 4) діафрагма на диску-ширмі, 5)тринога від універсального штатива, 6) екран-ширма, 7)екран проекційний, в)лазер навчальний ЛГ-209, 9)лінза  (лінза від окуляра мікроскопа).

Основний прилад, застосовуваний в цьому досвіді, складається з плоско-опуклої лінзи і плоскої пластини, укладених в оправу так, що плоска пластина торкається до опуклої частини лінзи. На оправі є три регулювальних гвинта. Перед дослідом , користуючись цими гвинтами, змінюють повітряний зазор між поверхнями лінзи і пластини так, щоб в середині прибору утворилися кольорові кільця правильної форми діаметром 20-25 мм.

Як видно зі схеми установки даного досвіду (рис. 2-65), поверхня підготовленого приладу «кільця Ньютона» Рис. 2-65. Потім переміщують прилад уздовж оптичної осі і отримують на поверхні лінзи освітлене круглу пляму. Величина цього плями повинна бути трохи більше ясно видимих інтерференційних кілець.

Щоб усунути відображення світла від другорядних частин приладу, що приводить до появи відблисків на проекційному екрані, між конденсором і приладом встановлюють діафрагму з отвором 30 мм, а у напрямку конуса світла, відбитого від поверхні приладу, розташовують на тринозі об'єктив. Загальний вид установки зображений на малюнку 2-66.

Переміщуючи тепер об'єктив уздовж пучка променів, отримують на екрані чітке зображення інтерференційних кілець у відбитому світлі. При відстані від апарату до екрану, рівному 3 м, більше кільце на екрані матиме розмір приблизно 50 см. Кільця зручніше спостерігати в монохроматичному світлі. Тому на шляху пучка променів, що падають на прилад, слід помістити світлофільтр. Доцільно спроектувати на екран одночасно два зображення кілець - у відбитому та прохідному світлі. Для цього рекомендується до раніше зібраної установці додати ще одну лінзу в якості другого об'єктива (рис. 2-67). Лінзу з головним фокусною відстанню 25 см беруть з набору лінз і дзеркал і закріплюють в-диску-ширмі, що додається до набору. В якості об'єктивів можна також застосувати дві двоопуклі лінзи. Звертають увагу учнів на те, що при наявності повного оптичного контакту в місці зіткнення лінзи з пластинкою у відбитому світлі спостерігається темна пляма в центрі темних концентричних кілець. Для пояснення явища можна користуватися малюнком 2-68.  Промені  відбиті від поверхонь лінзи і пластинки, володіючи різницею ходу 2Н (на кресленні для ясності промені зображені не перпендикулярно до пластинки), інтерферують, утворюючи на нижній поверхні лінзи картину у вигляді концентричних кілець, відповідних рівній товщині повітряного прошарку. Крім того, різниця ходу променів, 2 відрізняється на довжину півхвилі. Промінь 1 відбивається від повітря і не змінює фази, а промінь 2 відбивався від скла (оптично більш щільного середовища) і втрачає півхвилі. Отже, у відбитому світлі оптична різниця ходу між променями , 2 складе 2Н . У світлі, спостерігається інша картина: в центрі утворюється світла пляма і навколо концентричні кільця, розташовані на місцях, де були раніше темні кільця. Ця інверсія, тобто зміна кольорів, пояснюється неоднаковими умовами, викликаними відображенням променів 2 і заломленням променів. Однак на відміну від відбитих променів заломлені промені проходять без зміни фази, тобто їх оптична різниця ходу складе 2Н Таким чином, розглянуті випадки відповідають умовам:1) місця мінімумів у відбитому світлі (Рис. 2-68). 

Цю демонстрацію зручніше проводити в монохроматичному світлі, тобто з світлофільтром. Застосовуючи світлофільтр, складений з двох частин (червона і фіолетова), можна виразно показати розмежування в діаметрі кілець. Нарешті, користуючись регульованими гвинтами, можна показати, як зміна величини повітряного зазору впливає на форму кілець Схема установки з навчальним лазером зображена на рис. 2-69. 

  1.  Дифракція світла від щілини

Обладнання: 1)апарат проекційний з лампою розжарювання або дугового лампою, 2) щілини розсувні - 2 шт., 3) диски-ширми - 2 шт., 4)екран проекційний звичайний або напівпрозорий, 5) лазер навчальний ЛГ-209, 6)лінза  набору лінз і дзеркал. 

Схема установки для цього досвіду представлена на рис. 2-79, де вказані відстані між окремими деталями.  Графік яскравості полос дифракції, отриманих від нитки. Підготовка до демонстрації починається з установки джерела світла. Лампу розжарювання розташовують так, щоб її спіралі виявилися на оптичній осі конденсора і були звернені «ребром» до нього. Потім в пучку світлового конуса від конденсора переміщують щілину і закріплюють її на лаві в такому місці, де перетин світлового конуса повністю покриває щілину. Щілина повинна бути розташована паралельно спіралях лампи. Рис. 2-79. Схема установки для демонстрації дифракції від щілини. Після цього встановлюють другу щілину, вона повинна розташовуватися на оптичній осі конденсора і бути строго паралельної першої. Для цього спочатку другу щілину присувають впритул до першої і, обережно обертаючи рухому частину диска ширми, забезпечують паралельно. Потім другу щілину відсувають від першої на відстань 150 мм і закріплюють на лаві. Цим закінчувався підготовка установки. Обережно обертаючи гвинт другий розсувний щілини, повільно зменшують просвіт між її «ножами» і спостерігають за дифракційною картиною. Спочатку на екрані виходить світла смуга з розмитими краями. При подальшому звуженні другої щілини ширина світлої смуги і її освітленість зменшуються, появляється дифракційна картина. Якщо лінії дифракції недостатньо різкими, треба обережно повернути на малий кут одну щілину щодо іншої, щоб домогтися більш точної установки щілин на паралельність. Коротко пояснюють учням сутність досліду по малюнку 2-80, де показана схема

освітлення смуг дифракції та графік їх яскравості. На щілину С падає плоска хвиля. Світло від кожної точки, розташованої усередині щілини, поширюється по різних напрямках. Очевидно, хвилі поширюються в однаковій фазі і підсилюють одна одну, утворюючи яскраву смугу. Вона проходить від спостерігача через точку Про перпендикулярно до площини креслення і лежить на продовженні оптичної осі конденсора. 

Рис. 2-80. До пояснення явища фракції від щілини. Ця яскрава смуга носить назву центрального максимуму. Застосовуючи далі метод Гюйгенса - Френеля, можна пояснити також утворення відповідних максимумів, і т.д., розташованих симетрично від центрального максимуму. Якщо поступово змінювати величину просвіту другої щілини, то можна помітити, як на екрані всередині світлої смуги появляється смуга темна (в просвіт щілини укладається парне число зон Френеля), а потім вона зникає (укладається непарне число зон). Цей результат можна отримати іншим прийомом. Не змінюючи ширину другої щілини, повільно переміщуються  її відносно першої, слідкуючи  за тим,щоб не порушувалася різкість зображення на екрані.

Схема установки з навчальним лазером зображена на рис. 2-81.

  1.  Дифракція світла від дифракційної решітки

Обладнання: 1) апарат проекційний, 2) щілину розсувна, 3) решітка дифракційна з 100 штрихами на 1 мм, 4) світлофільтр, 5) екран проекційний, 6) лазер навчальний ЛГ-209.

Підготовку до досліду починають з загальновідомою установки джерела світла в освітлювачі проекційного апарата. Потім визначають місце розсувний щілини на оптичній лаві. Для цього переміщують щілину в конусі променів світла від конденсора і, коли вона виявиться повністю освітленій, її закріплюють. Ставлять перед щілиною об'єктив і отримують її різке зображення на екрані. Ширина щілини повинна бути 2-3 мм. Перед об'єктивом встановлюють діапозитивні рамку, в яку вставляють грати так, щоб її штрихи були паралельно щілини. На екрані отримують дифракційну картину, яка складається з білої смуги в середині (центральний максимум) і ряду спектрів, симетрично розташованих праворуч і ліворуч від неї. У міру віддалення від центру спектри стають більш широкими і менш яскравими. Ці спектри носять назви спектрів першого, другого, третього і т. д. порядків (рис. 2-83).

Спектри всіх порядків починаються з фіолетовою смуги, за якою слідують всі інші кольори з поступовим зростанням довжини світлової хвилі, і закінчуються червоною смугою, причому фіолетові полоси оси всіх спектрів розташовані ближче до центрального максимуму.

У дифракційному спектрі відстані кольорових смуг від центрального максимуму пропорційні довжинам хвиль. Тому визначення довжини світлової хвилі за допомогою решітки є найбільш зручним. Отримують на екрані дифракційну картину в монохроматичному світі, застосовуючи, наприклад, червоний світлофільтр. За  тим викреслюють на класній дошці схему установки досвіду, зображену на рис 2-84. Зліва показана дифракційна решітка, а справа на екрані відзначена область М, куди проектується одна з смуг. Пропонується визначити довжину світлової хвилі.

4.  Дисперсія світла

Перед конденсором встановлюють щілину шириною 1,5-2 мм. За допомогою об'єктива на екрані отримують збільшене, зображення щілини.

На екрані спостерігають суцільний спектр. Дослід повторюють з призмою «крон». Показують залежність довжини спектра від речовини призми, для чого призми встановлюють одна на одну (площини і ребра повинні збігатися) і на екрані спостерігають два спектра.

5. Розгляд спектра за допомогою спектроскопа

Обладнання: 1) спектроскоп двотрубний, 2) трубка спектральна, 3) генератор високовольтний «Спектр», 4) випрямляч селеновий НД-4-12, б) проводи сполучні з наконечниками.

Спочатку показують загальний вигляд приладу і пояснюють його [пристрій (рис. 2-100).При цьому знімають з тригранної призми 1 картонну кришку 2, якою закривають призму від стороннього світла під час досвіду. Безпосередньо до столика, на якому розташована призма,; примикають дві труби: коліматорний 3 з розсувним щілиною 4 і зорова труба 5 з окуляром 6. Звертають увагу учнів на  те, що коліматорна труба укріплена на столику нерухомо, а зорова труба за допомогою мікрометричного гвинта 7 може переміщатися в горизонтальній площині. При цьому  показують це зміщення, злегка натиснувши від руки на трубу в напрямку, протилежному дії притискної пружини 8, яка розташована з нижнього боку столика (рис. 2-101) 3 Мікрометричні гвинт дозволяє здійснити незначне кутове переміщення зорової труби і тим самим поєднати зображення нитки, натягнутої всередині труби, в площині, де утворюється спектр, з тією чи іншою частиною спектра. Відлік виробляються по нерухомій шкалою 9 і кругової шкалою 10, нанесеної на голівці гвинта. Можна нагадати, як виробляються такі відліки, використовуючи

демонстраційну модель мікрометра. Після цього пояснюють пристрій спектроскопа і хід пучків світла в ньому (рис. 2-102). Пучок світла від джерела А проходить через щілину Б, що знаходиться в головному фокусі лінзи В. Після лінзи світло паралельним пучком падає на грань призми Г. Проходячи через призму, паралельний пучок, двічі заломлюючись; розкладається на безліч паралельних пучків різної довжини хвилі, які потрапляють в зорову трубу.

Пройшовши лінзи Д і Е складного об'єктиву зорової труби, кожен пучок одноколірних променів дає дійсне кольорове зображення щілини коліматора. З низки таких зображень виходить спектр, червона область якого звернена у бік вершини призми, а фіолетова - в сторону підстави. Зображення спектра розглядається через окуляр. Щоб показати, як слід розташовувати спектроскоп щодо джерела світла (газорозрядної трубки), збирають установку, на якій учні будуть виконувати лабораторну роботу (рис. 2-103), Прилад для запалювання спектральних трубок (генератор високовольтний «Спектр»)підключають до джерела струму (випрямляч НД-4-12), дотримуючись полярності. Для цього на корпусі приладу є позначення «+ і - »у гвинтових затискачів. Звертають увагу учнів на дотримання заходів безпеки при роботі з приладом: високовольтний генератор включається тільки на час виконання спостережень і відліків; заміна газорозрядних трубок проводиться тільки при вимкненому джерелі електроживлення. При цьому необхідно показати, як діє блокувальний пристрій, коли проводиться така заміна: при відкриванні вертикальної стійки, де встановлюється спектральна трубка (рис. 2-104), автоматично відключається висока напруга.

6. Поляризація світла

Установку збирають по малюнку 292. Перед конденсатором ставлять Теплофільтр.

а) Між Теплофільтром і об'єктивом встановлюють поляроїд і переміщенням об'єктива на екрані домагаються яскравого кола. Помічають положення стрілки поляроїда. Повертають поляроїд на 90 , потім на 180, 270 і 360 ° - ніяких змін на екрані не спостерігають. (Аналогічний дослід можна провести з другим поляроїдом.) б) Між Теплофільтром і об'єктивом встановлюють два поляроїда так, щоб стрілки-покажчики були паралельні, і переміщенням об'єктива домагаються на екрані чіткого зображення круга. Повільно повертають перший поляроїд щодо другого на 90° і спостерігають поступове зменшення освітленості кола, а потім і його повне гасіння. Повертають перший поляроїд на 180 °, спостерігають просвітлення кола і т.д. (Дослід можна повторити, обертаючи другий поляроїд.) в) Між поляроїдами на Рейтер поміщають модель рейки з органічного скла,вставленого в гвинтовий прес. Отримують чітке зображення рейки. Схрещують поляроїди, отримують затемнення. За допомогою гвинта стискають модель і спостерігають на екрані просвітлення в місцях найбільшого напруження.

7. Зовнішній фотоефект

Установку збирають по малюнку 295. Дугову лампу (освітлювач з ртутної лампою) встановлюють на відстані 30-50 см ВІД електрометра. Наждачним папером захищають  цинкову пластину, зміцнюють її на стержні спектрометра і зачищеною стороною повертають до лампи, а) Цинкову пластину заряджають негативно за допомогою [ебонітовою палички, потертої про Мех. Між пластиною і дугового »!М1М встановлюють ширму (шматок картону). Переконуються, що заряд на пластині зберігається. Подають напругу на задушливу лампу і домагаються у стійкого горіння дуги.

8. Залежність інтенсивності зовнішнього фотоефекту від роду речовини світлового потоку

Обладнання: 1)освітлювач ультрафіолетовий або електрична дуга, 2)електрометр 3)секундомір електромеханічний демонстраційний, 4)пластинки: цинкова, мідна, свинцева, алюміній »скляна і пластинка, покрита сажею, 5)паличка з ебоніту для електризації і хутро, 6 )штатив універсальний, 7)шматок картону, 8)шматок віконного скла, целофану чи тонкого органічного скла, 9)метр демонстраційний, 10)лампа електрична. 

1. Після виявлення фотоефекту на цинковій пластинці дуже важливо показати це явище на інших металах, а також на неметалічних тілах.

Для цього описаний вище досвід повторюють в першу чергу з мідною та свинцевою пластинками з набору по електролізу. Бажано також приготувати пластинки з інших металів і провести з ними досвід. Всі платівки з одного боку попередньо зачищають наждачним папером до блиску, а їх краї округляють і шліфують. Як неметалічного речовини зручно взяти сажу; її наносять тонким шаром на металеву пластинку, для чого останню поміщають в закіптюжений полум'я гасової пальника.

Платівки по черзі встановлюють на електрометрію, заряджають негативно до однакового потенціалу, а потім розряджають за допомогою світлового пучка від ртутної або дугової лампи (рис. 2-120). Час розряду в кожному випадку вимірюють за допомогою демонстраційного секундоміра.

Вимірювання показують, що повільніше всіх розряджається пластинка, покрита сажею, а швидше - цинкова; трохи повільніше цинкової розряджається алюмінієва пластинка і ще приблизно в два рази повільніше втрачають заряд свинцева і мідна пластинки, Так як розміри пластин, початковий заряд і величина світлового потоку в цих дослідах не змінюються, то результати вимірювання розряду пластин дозволяють зробити важливий висновок про те, що різні тіла під дією світла неоднаково звільняють електрони. Інакше кажучи, величина так званої роботи виходу електронів у різних тіл різна. Чим робота виходу менша, тим більше електронів вибиває світло в одиницю часів ні і тим швидше пластинка розряджається. У зв'язку з цим бажано познайомити учнів з табличними даними роботи виходу у різних металів і відзначити, що вона має найменше значення у лужних металів (калій, цезій). З цієї причини лужні метали широко застосовуються для виготовлення катодів сучасних фотоелементів, 2. Електрометрії з цинкової платівкою розташовують на відстані 50 см від ртутної лампи і заряджають негативно. Ото посунувши в сторону ширму, спостерігають почався розряд пластинки. Як тільки стрілка електрометра буде проходити, наприклад, п'яте поділ шкали, включають демонстраційний секундомір і вимірюють час повного розряду пластинки.

Після цього світловий потік зменшують в чотири рази (електрометрії відсувають від лампи на відстань 100 см) і повторюють досвід. Навіть за такої недосконалої постановці досвіду можна показати, що інтенсивність фотоефекту, обумовлена числом електронів, що вилітають в одиницю часу з одиниці поверхні тіла, прямо пропорційна величині падаючого світлового потоку (закон Столєтова). 3; Знову заряджають цинкову пластинку негативно і висвітлюють її зачищену сторону лампою розжарювання. Переконуються в повній відсутності фотоефекту. Потім  склом. Проходить через скло світло також не надає дії на негативний заряд цинкової пластинки. Фотоефект не спостерігається і в тому випадку, якщо збільшити освітленість цинкової пластинки (наблизити електрометрії до лампи). Потім замість віконного скла беруть тонку пластинку з плексигласу або целофану, що пропускають довгохвильову частину ультрафіолету. Тепер електрометрії виявляє втрату негативного заряду цинкової пластиною, але на міді і свинці фотоефект не спостерігається. Якщо світловий пучок від лампи перекрити увіолевих склом, прозорим для широкого діапазону ультрафіолетового випромінювання і непрозорим для видимого світла, то фотоефект спостерігається на різних металах.

Спираючись на ці досліди, підводять учнів до висновку, що для кожної речовини фотоефект настає при певному світлі, незалежно від величини світлового потоку. Кордон фотоефекту цілком визначається величиною роботи виходу 1 електронів з поверхні тіла. У зв'язку з цим корисно познайомити учнів з таблицею, в якій вказані значення граничних частот світла для різних  металів, і зазначити, що межа фотоефекту у таких поширених металів, як цинк, мідь, свинець, алюміній, лежить в ультрафіолетовій частині спектра, тоді як у металів (натрій, калій) вона знаходиться у видимій, а у цезію : навіть в інфрачервоній частині спектра. Тому в фотоелементах,  чутливих до видимого світла, катоди обробляють металами.

Висновки:___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33840. Немецкая классическая философия и ее представители 14.34 KB
  Своеобразным пониманием роли философии в истории человечества в развитии мировой культуры. Все представители классической немецкой философии относились к философии как к специальной системе философских дисциплин категорий идей. Классическая немецкая философия подчеркивала роль философии в разработке проблем гуманизма и предприняла попытки осмыслить человеческую жизнедеятельность. Можно определенно сказать что представители классической немецкой философии пошли вслед за просветителями XVIII в.
33841. ФИЛОСОФИЯ И. КАНТА 15 KB
  КАНТА Иммануил Кант 1724–1804 является родоначальником немецкой классической философии. В критическом периоде наиболее важными произведениями Канта являются Критика чистого разума Критика практического разума Критика способности суждения. Гносеологические взгляды Канта включают в себя анализ трех ступеней познания. В работе Критика практического разума Кант утверждает что объектом познания является материальная вещь находящаяся вне человека и его сознания.
33842. Марксизм. Материалистическая философия жизни 15.08 KB
  и особенно XX столетия явился марксизм. Маркс и Ф. В марксистской философии появилось новое содержание отсутствовавшее в прежних философских системах но выработанное на базе внутренней преемственности в решении ряда кардинальных проблем. Сущность нового внесенного марксизмом в философию можно проследить по следующим линиям: по функциям философии; по соотношению в ней партийности гуманизма и научности; по предмету исследования; по структуре составу и соотношению основных сторон разделов содержания; по соотношению теории и метода; по...
33843. ПРЕДПОСЫЛКИ ФИЛОСОФИИ А. ШОПЕНГАУЭРА 16.61 KB
  НИЦШЕ Французский философ Анри Бергсон 1859–1941 понимал жизнь в космологическом плане. Для немца Фридриха Ницше 1844–1900 в основе всего находится не воля к жизни как у Шопенгауэра а воля к власти. Лозунг Ницше: Живи опасно. Ницше – прекрасный филолог и музыкальный импровизатор к тому же страдающий от недугов.
33844. ПОЗИТИВИСТСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ 14.12 KB
  Последняя уничижительно объявляется позитивистами псевдознанием мимикрией под науку спекулятивным умозрительным теоретизированием не имеющим для современной науки не только никакого позитивного значения а скорее отрицательное так как философский дискурс способен только заразить науку вирусом псевдознания. Ньютон вот формулы позитивистского решения вопроса о соотношении философии и науки. Спенсер методология науки Дж.
33845. ПОНЯТИЕ ГЕРМЕНЕВТИКИ 18.05 KB
  Понимание тогда выступает как непосредственное проникновение в жизнь. Понимание собственного духовного мира достигается в процессе самонаблюдения понимание чужого мира – путем вживания сопереживания вчувствования. Именно в стихии языка осуществляется понимание людьми и окружающего мира и самих себя и других.
33846. Философская антропология, Макс Шелер (1874–1928) 15.15 KB
  В центре внимания этого течения проблема человека а основная идея создание интегральной концепции человека. Философская антропология объявив себя основополагающей философской дисциплиной пытается на основе тех или иных особенностей человека найти способы постановки и решения всех философских проблем. В отличие от рационалистических учений философская антропология вовлекает в сферу исследования душевнодуховную жизнь человека эмоции инстинкты влечения что зачастую приводит к иррационализму: представители данного направления...
33848. Характеристика западной философии 16.81 KB
  Эти же вопросы являются предметом исследования и других форм общественного сознания в частности и философии. Теология как одна из форм выражения религиозного сознания имеет ряд специфических черт которые отличают ее от философии. Проблема соотношения философии и теологии возникла в первые века существования христианства и несостоятельная своей актуальности до наших дней.