О.А.Поваляев, С.В.Хоменко,
РНПО «Росучприбор», г. Москва

Демонстрационный эксперимент по волновой оптике

Комплект демонстрационного оборудования

Предлагаемый комплект демонстрационного оборудования по волновой оптике выполнен на основе современных технологий, обеспечивает эффектное проведение и надежность эксперимента, а также позволяет быстро и наглядно проиллюстрировать учебный материал. Одним из основных требований, предъявляемым к экспериментам по волновой оптике, является получение на экране четкого и достаточно яркого изображения интерференционной картины или спектра. При этом учащимся должны быть хорошо видны все оптические элементы, расположенные на пути луча света.

Оптические элементы, входящие в состав комплекта, выполнены в едином стиле. Элемент представляет собой тонкий цилиндр-оправу из пластика, внутрь которой вставлена оптическая деталь (линза, дифракционная решетка и т.п.). Цилиндр с одного торца закрыт металлическим кольцом. При сборке оптической схемы элементы устанавливаются в оправы, которые фиксируются в штативе или закрепляются в магнитном держателе, стоящем на металлической поверхности. В комплект входят две оправы для линзы и поляроидов, оправа для сборки «Кольца Ньютона» и оправа для малых оптических элементов.

В экспериментах с некогерентным светом источником является графический проектор, при этом на кадровое окно проектора устанавливается специальный оптический столик, предназначенный для фиксации оптических элементов и формирования светового потока с требуемыми характеристиками.

Поскольку опыты по интерференции требуют когерент-ного излучения, то не вызывает сомнений необходимость использования в качестве источника излучения полупроводникового лазера. За последние годы такие лазеры стали вполне доступны.

Во всех экспериментах, выполняемых с использованием полупроводникового лазера, в качестве стенда используется рабочее поле – металлический лист, закрепляемый на стойке штатива в вертикальной плоскости. Оптические элементы, а именно: полупроводниковый лазер, линза и объекты для наблюдения дифракции и интерференции, – устанавливаются на рабочем поле с помощью магнитных держателей. Применение магнитных держателей позволяет плавно изменять взаимное расположение оптических элементов и производить юстировку оптической схемы. Простота обращения с комплектом 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 предлагаемого комплекта, можно объединить в четыре группы:

– дисперсия света в веществе и эффекты, связанные 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, сведение различных спектральных компонентов и получение вновь белого пучка, а также ряд опытов по избирательному поглощению в веществе отдельных цветовых составляющих белого света.

На рис. 1 представлена оптическая схема установки для демонстрации разложения естественного света в спектр с помощью призмы, а на рис. 2 – ее общий вид.

Формирование пучка света происходит следующим образом. На кадровое окно графического проектора устанавливается оптический столик со стойкой штатива. На эту стойку вертикально крепится рабочее поле. Отверстие в оптическом столике перекрывается щелевой диафрагмой так, чтобы прорезь была направлена перпендикулярно вертикальному рабочему полю. Плоское зеркало располагается около верхней кромки рабочего поля. Оно позволяет направить луч прямо на экран или на призму, которая ставится ближе к нижней части рабочего поля. При этом свет направляется 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. Это позволяет получить максимальную яркость спектра на демонстрационном экране, который размещается вертикально на расстоянии 1–2 м от проектора.

Описанная экспериментальная установка с небольшими дополнениями и изменениями используется и в последующих опытах. При проведении эксперимента по сложению спектральных цветов геометрическое сведение лучей различной длины 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 сведенные вместе различные составляющие спектра наш глаз снова воспринимает как белый пучок.

Для большей наглядности опыта можно продемонстрировать, что область, где совмещаются лучи разной длины волны, формируется постепенно. Для этого лист белой бумаги наклоняется под углом 45° к направлению распространения пучка (так, чтобы учащиеся могли хорошо видеть пятно на этом листе) и перемещается от линзы к экрану. Учащиеся при этом наблюдают, что непосредственно за линзой свет разложен в спектр, но по мере приближения к экрану на листе появляется белая полоса в центре. В дальнейшем эта полоса расширяется, и спектр полностью исчезает.

Для демонстрации невозможности разложения в спектр монохроматического света прорезь щелевой диафрагмы, лежащей на кадровом окне графического проектора, перекрывается красным светофильтром. С помощью зеркала луч 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 световое пятно на экране изменило только свои геометрические размеры, а его цвет остался прежним.

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 луч лазера на экран непосредственно или через призму.

Переходя к эксперименту по поглощению света в веществе, отметим, что красный светофильтр, использовавшийся в предыдущем опыте, пропускает свет в некотором определенном интервале длин волн. При этом световые волны других длин волн им поглощаются. Поэтому в спектре на экране остается только красная часть.

Для демонстрации поглощения света в веществе кювета с исследуемым веществом – слабым раствором перманганата калия – ставится на щелевую диафрагму. Раствор перманганата калия поглощает свет в зеленой области спектра, что проявляется в виде темного участка в соответствующей части спектра на экране. Можно также продемонстрировать учащимся поглощение света в других окрашенных растворах, например, в слабом растворе йода в воде.

Поляризация излучения

Для демонстрации явления поляризации света используется графический проектор, а все элементы оптической схемы устанавливаются на стойке штатива над кадровым окном проектора (рис. 3).

В первом эксперименте, показывающем изменение освещенности экрана при вращении одного из поляроидов, никакой настройки не требуется. Единственная тонкость – оба поляроида должны быть расположены близко друг к другу. Только в этом случае можно навести резкость одновременно на оба поляроида и сделать метки, определяющие их ориентации, видимыми на экране. То же самое относится и к опыту, где поляризованный свет позволяет увидеть зоны напряжения внутри деформируемого образца. Контуры образца должны быть четко видны на экране, только в этом случае учащиеся смогут связать изменение цвета экрана с механическими напряжениями, которые возникли в определенных областях образца.

Немного изменив эту оптическую схему, можно поставить эксперимент по вращению плоскости поляризации в растворе сахара, налитого в обычный химический стакан. Для этого стакан необходимо поставить между поляроидами (рис. 4).

Интерференция света

В классических схемах для наблюдения интерференции световых волн два источника когерентного излучения создаются путем разделения пучка от одного источника на два, 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; в опыте Юнга на экран попадает свет от двух щелей, в свою очередь освещаемых через еще одну узкую щель. Во всех случаях интерференция наблюдается в той области экрана, которая освещается одновременно двумя источниками.

Перечисленные схемы были разработаны в расчете на обычные источники света. Применение лазера позволяет существенно упростить их настройку 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. В эксперименте 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, т.к. это увеличивает световой поток, проходящий сквозь щели, и соответственно картина на экране становится более яркой.

Установки, собираемые для проведения этих экспериментов, показаны на рис. 5. Оптический столик (для графического проектора) устанавливается на демонстрационный стол, в нем закрепляется стойка штатива. В штативе, на максимальной высоте над поверхностью стола, крепится рабочее поле. На расстоянии примерно 2 м от него располагается экран. С помощью магнитных держателей на рабочем поле размещаются полупроводниковый лазер и линза фокусным расстоянием 5 см. Объект, использующийся для создания двух источников света, устанавливается примерно в фокальной области линзы.

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

На кадровое окно графического проектора устанавливается оптический столик со стойкой штатива, на которой на небольшой высоте закрепляется сборка «Кольца Ньютона». Она ориентируется под углом 45° или немного больше к направлению распространения пучка от графического проектора – так, чтобы отраженный от сборки пучок попадал на нижнюю часть экрана. Свет, прошедший через сборку «Кольца Ньютона», с помощью оптической системы графического проектора также направляется на экран (на его верхнюю часть). Для появления четкой картины колец Ньютона в проходящем свете необходимо подобрать высоту объектива графического проектора.

Чтобы получить на экране изображение колец Ньютона в отраженном свете, в пучок света, отраженный от сборки, вставляется линза фокусным расстоянием F = 12 см и диаметром 5 см. Для достижения высокой четкости изображения следует правильно установить расстояние между линзой и сборкой «Кольца Ньютона». Наличие на экране двух систем колец Ньютона позволяет обратить внимание учащихся на порядок чередования колец разной окраски в проходящем и отраженном свете, а также обсудить причины большей четкости 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. Однако контрастность колец Ньютона на разных экранах заметно различается. Контрастность картинки в проходящем свете оказывается существенно ниже.

Дифракция света

В комплект по волновой оптике входит ряд оптических 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 и 150 штрихов на миллиметр) и модель двумерной структуры (очень мелкая капроновая сетка). Эти элементы используются в экспериментах по дифракции в параллельном и в расходящемся пучках света, создаваемых с помощью полупроводникового лазера.

Оптическая схема 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, изучается влияние ширины щели и плотности штрихов дифракционных решеток на расстояние между дифракционными максимумами. Для увеличения масштаба наблюдаемой дифракционной картины рекомендуется наклонять экран таким образом, чтобы угол падения пучка 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 получения спектра естественного света с помощью дифракционной решетки 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 подходящих оправок 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 оптическую схему включены две щелевые диафрагмы: одна, шириной 5 мм, непосредственно перед (по ходу луча) дифракционной решеткой, а другая, шириной 2–3 мм, на оптическом столике, установленном на кадровом окне графического проектора. После установки дифракционной решетки 50 шт. мм^–1 (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.

При обсуждении спектров, полученных на экране при работе с решеткой 150 мм^–1, внимание учащихся следует обратить на сопоставление видов спектров в первом и втором случаях. Результатом должен быть вывод о том, что угол дифракции для синего света всегда меньше, чем для красного, и что разрешающая способность дифракционной решетки увеличивается с ростом плотности штрихов и номера порядка дифракции.

Таким образом, разработанный комплект демонстрационного оборудования отвечает современным представлениям об образовательном эксперименте и позволяет в полном объеме проиллюстрировать материал существующих учебников и учебных программ. Выполненный на основе современных технологий 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.

---

Дополнительную информацию можно получить в Интернете на сайте www.l-micro.ru , а также по тел.: (095) 274-6230; 995-0732.