Эксперимент

Метод интерференционной микроскопии

В профильных классах при изучении темы «Применение интерференции» учащиеся получают общее представление о микроинтерферометре Линника и возможности с его помощью исследовать качество шлифовки поверхности по характеру искривления интерференционных полос [1]. Однако сам метод измерения высоты малых неровностей остаётся нераскрытым. Между тем, суть метода интерференционной микроскопии вполне доступна учащимся. Высокая точность (до 30 Å и даже в ряде случаев до 10 Å, что вполне сопоставимо с точностью электронной микроскопии) и простота интерференционного метода делают его весьма востребованным как в научно-исследовательских, так и в производственных целях, касающихся чистоты обработки поверхностей. Поэтому мы считаем вполне целесообразным знакомить учащихся с процедурой измерения размеров дефектов на поверхности по фотографиям интерференционных картин в ходе выполнения небольшой практической работы.

Первая часть урока посвящается теоретическому анализу метода и выводу соотношения, позволяющего по сдвигу интерференционных линий определять высоту неровностей в ходе решения следующей задачи.

• Между исследуемой поверхностью и стеклянной пластинкой образовался тонкий воздушный клин, при освещении которого монохроматическими (λ = 6 · 10^–7 м) нормально падающими лучами наблюдалась в отражённом свете интерференционная картина (рис. 1). Какой дефект был на исследуемой поверхности – царапина или выпуклость? Какова высота дефекта?

Анализируя рисунок, учащиеся отмечают, что сдвиг интерференционных полос происходит в сторону возрастания толщины клина, что свидетельствует о царапине (вмятине) на контролируемой поверхности.

Для нахождения глубины царапины выполняется рис. 2. Пусть в точке А возникает тёмная полоса с номером m, толщина клина в этом месте d₁. Из-за неровностей на исследуемой поверхности эта полоса сдвигается на расстояние АВ = l, толщина клина в точке В равна d; d – d₁ = h, где h – глубина царапины на поверхности.

Из ∆ АВС следует:

h = l sinφ. (1)

Для нахождения sinφ рассмотрим две соседние тёмные полосы, одна из которых возникает при толщине клина d₁ = mλ/2, а другая – при толщине клина d₂ = (m + 1)λ/2 [1, с. 117], [2, c. 125–126].

Пусть расстояние между соседними тёмными полосами AD = ΔL. Тогда из ∆ АВС следует:

Объединяя (1) и (2) получаем:

Таким образом, для нахождения высоты дефекта достаточно измерить расстояние между интерференционными линиями ΔL и смещение линии l.

Фото 1. Интерференционная картина на цилиндрической детали с дефектом

Учащимся следует сказать, что при измерении с помощью интерферометра Линника размеров неровностей на сферических объектах в поле зрения окуляра наблюдаются кольца, а на цилиндрических деталях – система интерференционных полос с особенностями, расположенными симметрично относительно образующей цилиндра (фото 1). Поскольку истинная интерференционная картина достаточно сложная, учащимся выдаются адаптированные интерференционные картины (фото 2) и даётся задание – провести измерения, найти размеры дефектов и ответить на контрольные вопросы:

– В отражённом или проходящем свете наблюдалась представленная на фотографиях интерференционная картина?

Фото 2. Фотографии интерференционных картин от поверхностных дефектов на цилиндрических (а) и сферических (б) объектах

– Какой дефект был на контролируемой поверхности – царапина или выпуклость?

– Какова высота (глубина) дефекта?

В заключение отметим, что учащиеся получают представление о механизме применения метода интерференционной микроскопии, что, несомненно, позволяет им осознать практическую значимость получаемых знаний.

 

Литература

1. Физика. 11 класс: учебник для школ и кл. с угл. изуч. физики / А.Т. Глазунов [и др.]; под ред. А.А. Пинского. 3-е изд. М.: Просвещение, 1998.
2. Поль Р. В. Оптика и атомная физика / Пер. с нем. Н.М. Лозинской; под ред. Н.А. Толстого. М.: Наука, Главная редакция ФМЛ, 1966.

 

Рахиль Яковлевна Ерохина – доцент БГПИ, к.п.н., окончила Борисоглебский ГПИ в 1959 г., педагогический стаж 50 лет. Отработав два года учителем физики в Росташевской СОШ Верхнехавского района Воронежской области, с 1961 г. по настоящее время работает на кафедре физики и методики её преподавания в БГПИ, имеет более 100 научно-методических публикаций, почётный работник ВПО. Педагогическое кредо: «Учить, развивая». Основная проблема – сокращение числа часов на изучение физики, исключение курса астрономии из числа обязательных школьных дисциплин. Семья: муж, взрослый сын, внуки. Хобби: социальная фантастика.