Wirtualne laboratorium WL‑S
Doświadczalne badanie interferencji światła
Odwiedź wirtualne laboratorium, w którym przygotowany jest zestaw do badania interferencji światła laserowego. Zapoznaj się z jego wyposażeniem oraz instrukcją obsługi poszczególnych jego elementów.
Wykonaj dwa eksperymenty: w pierwszym przeprowadzisz jakościową obserwację zjawiska, w drugim zaś wyznaczysz długość fali używanego światła.
Opis Wirtualnego Laboratorium
U dołu ekranu wirtualnego laboratorium widać wskaźnik laserowy, dający światło o długości fali , w czarnej prostopadłościennej obudowie, z dużym czerwonym kwadratowym przyciskiem włącznika z tyłu, a u góry ekranu – bardzo duży czarny ekran, na który pada światło wskaźnika. Wskaźnik i ekran znajdują się na centralnej osi w laboratorium, a po lewej stronie widać trzy dwuszczelinowe siatki dyfrakcyjne, o odległościach między szczelinami odpowiednio 5 mum, 7 mum i 10 mum, które można umieszczać blisko wskaźnika, na osi optycznej układu, czyli tak, by światło przechodziło przez nie padając na ekran. Wszystkie te urządzenia (wskaźnik, ekran, siatki) umieszczone są na białych, krzyżakowych podstawach o wielkości dopasowanej do rozmiarów i ciężaru urządzenia. Jeśli poświecimy laserem bezpośrednio na ekran, zobaczymy na nim małą czerwoną kropkę, a jeśli światło będzie przechodziło przez szczeliny siatki dyfrakcyjnej, na ekranie pojawią się prążki interferencyjne.
Po prawej stronie ekranu znajduje się linijka, którą można ustawić pionowo, by wyznaczyć dystans między szczelinami a ekranem lub poziomo, w celu zmierzenia odległości między maksimami prążków interferencyjnych. Linijka posiada skalę od 0 do 150 cm, z podziałką główną co 10 cm, opisaną wartościami (liczby 20, 40, 60 itd. są koloru czerwonego, a pozostałe – czarnego). Podziałka pomocnicza linijki, to małe kreski umieszczone co 2 cm.
Uwaga! W naszym wirtualnym laboratorium wszystkie elementy są precyzyjnie ustawione tak, żeby promień lasera padał na ekran lub na siatkę dyfrakcyjną prostopadle. W rzeczywistości takie ustawienie wymaga dużej dbałości.
Jakościowe badanie interferencji światła
Celem eksperymentu jest jakościowa analiza obrazu wiązki laserowej uzyskanego w siatce dyfrakcyjnej oraz wskazanie podobieństw i różnic pomiędzy obrazami związanych z użyciem różnych siatek.
Zmiana siatki dyfrakcyjnej nie wywołuje jakościowych zmian w uzyskanym obrazie interferencyjnym.
Zapoznanie się z wyposażeniem laboratorium pozwoliło Ci zapewne zauważyć linijkę o długości 150 cm i o rozdzielczości zaledwie 2 cm. Tymczasem typowe szkolne linijki, o długości około 20 cm, mają rozdzielczość odczytu 1 mm. Czy taka szkolna linijka mogłaby się przydać w tym eksperymencie?
Opracuj we własnym zakresie kolejność wykonywania czynności w laboratorium, prowadzących do osiągnięcia postawionego celu i do zweryfikowania hipotezy. Sporządzony plan pracy wpisz do dziennika badań.
Przeprowadź eksperyment w wirtualnym laboratorium.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DWdtVxSrR
Wypełnij poszczególne sekcje dziennika zgodnie z zaobserwowanym przebiegiem eksperymentu.
Rozstrzygnij postawioną hipotezę.
Jakościowe badanie interferencji światła
Celem eksperymentu jest jakościowa analiza obrazu wiązki laserowej uzyskanego w siatce dyfrakcyjnej oraz wskazanie podobieństw i różnic pomiędzy obrazami związanych z użyciem różnych siatek.
Zmiana siatki dyfrakcyjnej nie wywołuje jakościowych zmian w uzyskanym obrazie interferencyjnym.
Zapoznanie się z wyposażeniem laboratorium pozwoliło Ci zapewne zauważyć linijkę o długości 150 cm i o rozdzielczości zaledwie 2 cm. Tymczasem typowe szkolne linijki, o długości około 20 cm, mają rozdzielczość odczytu 1 mm. Czy taka szkolna linijka mogłaby się przydać w tym eksperymencie?
Przeprowadzenie doświadczenia
W wirtualnym laboratorium wykonano eksperyment w taki sposób, jak powyżej. Oto, co zaobserwowano.
Po wstawieniu w wiązkę lasera siatki dyfrakcyjnej o odległości między szczelinami wynoszącej 5 mum na ekranie pojawił się obraz interferencyjny koloru czerwonego, który wyglądał następująco:
W centralnej części ekranu, w miejscu, gdzie bez siatki widniała czerwona kropka, pojawił się bardzo rozciągnięty poziomo owal, jasności nieco mniejszej od pierwotnej kropki. Po obu stronach, symetrycznie, widać było kolejne owale. Im dalej od centrum położony owal, tym był ciemniejszy i węższy oraz bardziej oddalony od poprzedniego. Wydawało się, że szerokość każdego owala była podobna, czyli opisując obrazowo, im dalszy owal, tym bardziej przypominał poziomą kreskę. Po każdej stronie widać pięć takich owali.
Po wstawieniu w wiązkę lasera siatki dyfrakcyjnej o odległości między szczelinami wynoszącej 7 mum na ekranie pojawił się także obraz interferencyjny, różniący się od poprzedniego tym, że plamki interferencyjne (owale) były ciemniejsze, mniejsze (węższe i krótsze) i położone bliżej siebie. Nadal były bardzo wydłużone, ułożone symetrycznie względem plamki centralnej oraz także zaobserwowano ich 5 po każdej stronie (czyli w sumie, razem z plamką centralną, było ich 11). Im plamka dalej oddalona od środka, tym ciemniejsza, mocniej spłaszczona i bardziej oddalona od poprzedniej.
Po wstawieniu w wiązkę lasera siatki dyfrakcyjnej o odległości między szczelinami wynoszącej 10 mum na ekranie, zaobserwowano, że charakter różnic między obrazami był taki sam, jak opisano to poprzednio.
Do formularza wpisz krótkie podsumowanie eksperymentu.
Rozstrzygnij postawioną hipotezę.
Ilościowe wykorzystanie interferencji światła do pomiaru długości fali światła
Celem eksperymentu jest:
a) wyznaczenie długości fali światła wiązki laserowej za pomocą trzech różnych siatek dyfrakcyjnych, z wykorzystaniem jedynie pierwszego rzędu wzmocnienia;
b) zbadanie wpływu stałej siatki na niepewności uzyskanych wyników.
Niepewność jest tym mniejsza im mniejsza jest stała siatki, czyli im mniejsze są odległości pomiędzy szczelinami siatki.
Typowa szkolna linijka, o długości około 20 cm i rozdzielczości 1 mm okazała się być nieprzydatna w pierwszej części doświadczenia. Analizując wyniki pomiarów określisz, czy taka linijka mogłaby się przydać w części drugiej.
Przypomnij sobie pojęcie „stała siatki dyfrakcyjnej” oraz jej wpływ na obraz dyfrakcyjny. Wyprowadzenie kluczowego związku
znajdziesz w e‑materiale „Siatka dyfrakcyjna”.
Wykorzystaj następujące oznaczenia:
- - odległość od siatki do ekranu, wyrażona w centymetrach,
- - odległość pomiędzy maksimum głównym a wzmocnieniem pierwszego rzędu w obrazie interferencyjnym, także wyrażona w centymetrach,
- - odległość pomiędzy szczelinami w siatce dyfrakcyjnej, wyrażona w mikrometrach,
- - długość fali światła wiązki laserowej, także wyrażona w mikrometrach
i wyprowadź równoważny związek, z którego będziesz korzystać w tym eksperymencie dla wyznaczenia długości fali. Wynik zapisz w Tabeli pomiarów, razem z planem swojej pracy.
Opracuj we własnym zakresie kolejność wykonywania czynności w laboratorium, w tym wykonywania pomiarów poszczególnych wielkości fizycznych mierzonych bezpośrednio. Sporządzony plan pracy wpisz do Tabeli pomiarów.
Przeprowadź eksperyment w wirtualnym laboratorium.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DWdtVxSrR
Wypełnij tabelę pomiarów zgodnie z rubrykami. Przeprowadź niezbędne obliczenia, przedstaw uzyskane wyniki i podsumuj całość.
1. Oblicz standardowe niepewności pomiarowe obu mierzonych bezpośrednio odległości oraz udziały tych wielkości w niepewności końcowego wyniku. Oblicz także wartość długości fali oraz niepewność tej wartości.
W razie potrzeby przypomnij sobie procedurę opisaną w e‑materiale „Niepewność wielkości mierzonej pośrednio”. Rozważ także wykorzystanie arkusza kalkulacyjnego.
2. Porównaj każdy z wyników z wartością , podaną w laboratorium. Czy któryś z wyników może być błędny?
3. Porównaj niepewności poszczególnych wyników. Rozstrzygnij postawioną hipotezę.
4. Wykonaj ćwiczenie związane z problematyką rozdzielczości linijki. Przedstaw swoje rozstrzygnięcie co do przydatności użycia linijki szkolnej.
Porównaj udziały niepewności oraz związane z pomiarem obu odległości. Możesz zastosować następujący schemat rozumowania:
- Czy udział którejś zmiennej jest dominujący?
- Czy różnica pomiędzy udziałami osiąga jeden rząd wielkości, a może więcej?
- Czy byłoby uzasadnione zmierzenie tej wielkości (której udział w niepewności całkowitej dominuje) przyrządem o większej rozdzielczości?
- Czy zwiększona rozdzielczość jest możliwa do wykorzystania w warunkach tego eksperymentu?
Zapisz wynik swego rozumowania wraz z rozstrzygnięciem problemu wyboru wyposażenia laboratorium w Tabeli pomiarów.
Ilościowe wykorzystanie interferencji światła do pomiaru długości fali światła
Celem eksperymentu jest:
a) wyznaczenie długości fali światła wiązki laserowej za pomocą trzech różnych siatek dyfrakcyjnych, z wykorzystaniem jedynie pierwszego rzędu wzmocnienia;
b) zbadanie wpływu stałej siatki na niepewności uzyskanych wyników.
Niepewność jest tym mniejsza im mniejsza jest stała siatki, czyli im mniejsze są odległości pomiędzy szczelinami siatki.
Typowa szkolna linijka, o długości około 20 cm i rozdzielczości 1 mm okazała się być nieprzydatna w pierwszej części doświadczenia. Analizując wyniki pomiarów określisz, czy taka linijka mogłaby się przydać w części drugiej.
Przypomnij sobie pojęcie „stała siatki dyfrakcyjnej” oraz jej wpływ na obraz dyfrakcyjny. Wyprowadzenie kluczowego związku
znajdziesz w e‑materiale „Siatka dyfrakcyjna”.
Wykorzystaj następujące oznaczenia:
- odległość od siatki do ekranu, wyrażona w centymetrach,
- odległość pomiędzy maksimum głównym a wzmocnieniem pierwszego rzędu w obrazie interferencyjnym, także wyrażona w centymetrach,
- odległość pomiędzy szczelinami w siatce dyfrakcyjnej, wyrażona w mikrometrach,
- długość fali światła wiązki laserowej, także wyrażona w mikrometrach
i wyprowadź równoważny związek, z którego będziesz korzystać w tym eksperymencie dla wyznaczenia długości fali. Wynik zapisz w Tabeli pomiarów, razem z planem swojej pracy.
Opracuj we własnym zakresie kolejność wykonywania czynności w laboratorium, w tym wykonywania pomiarów poszczególnych wielkości fizycznych mierzonych bezpośrednio. Sporządzony plan pracy wpisz do formularza poniżej.
W wirtualnym laboratorium wykonano eksperyment polegający na wyznaczeniu długości fali światła wiązki laserowej za pomocą trzech różnych siatek dyfrakcyjnych. Otrzymane wyniki umieszczono w poniższych tabelach.
Wpisz do formularza podsumowanie eksperymentu. Przeprowadź niezbędne obliczenia, przedstaw uzyskane wyniki i podsumuj całość.
Oblicz standardowe niepewności pomiarowe obu mierzonych bezpośrednio odległości oraz udziały tych wielkości w niepewności końcowego wyniku. Oblicz także wartość długości fali oraz niepewność tej wartości.
W razie potrzeby przypomnij sobie procedurę opisaną w e‑materiale „Niepewność wielkości mierzonej pośrednio”. Rozważ także wykorzystanie arkusza kalkulacyjnego.Porównaj każdy z wyników z wartością , podaną w laboratorium. Czy któryś z wyników może być błędny?
Porównaj niepewności poszczególnych wyników. Rozstrzygnij postawioną hipotezę.
Wykonaj ćwiczenie (pod formularzem) związane z problematyką rozdzielczości linijki. Przedstaw swoje rozstrzygnięcie co do przydatności użycia linijki szkolnej.
Porównaj udziały niepewności oraz związane z pomiarem obu odległości. Możesz zastosować następujący schemat rozumowania:
- Czy udział którejś zmiennej jest dominujący?
- Czy różnica pomiędzy udziałami osiąga jeden rząd wielkości, a może więcej?
- Czy byłoby uzasadnione zmierzenie tej wielkości (której udział w niepewności całkowitej dominuje) przyrządem o większej rozdzielczości?
- Czy zwiększona rozdzielczość jest możliwa do wykorzystania w warunkach tego eksperymentu?
Zapisz wynik swego rozumowania wraz z rozstrzygnięciem problemu wyboru wyposażenia laboratorium w poniższym formularzu.