Ohyb elektromagnetického záření

Zadání úlohy

  1. Spusťte experiment a seznamte se s experimentem „Ohyb elektromagnetického záření na mikroobjektech“ (v našem případě jednorozměrná štěrbina ) na http://kdt-13.karlov.mff.cuni.cz/sterbina.html.
    • Přesvědčte se, zda si umíte experiment v mysli vybavit a také vyslovit a definovat základní pojmy, které s tématickým okruhem experimentu souvisí. Umíte nakreslit schematické uspořádání experimentu a vysvětlit funkci jednotlivých zařízení?
    • Které parametry experimentu jsou proměnné?
    • Zvažte, jak můžete naměřené hodnoty efektivně využít.
  2. Nastudujte si příslušnou teorii k pozorovanému jevu.
  3. Proveďte detailní měření průběhu rozložení intenzity světla ve vzdálenosti a = (2152 ± 1) mm od štěrbiny. Měření proveďte pro oba zdroje světla (červený laser s vlnovou délkou λ1 = (632 ± 10) nm a zelený λ2 = (532 ± 10) nm) a pro obě velikosti štěrbin.
  4. Určete velikost obou štěrbin d. K tomu můžete použit buď polohu minim (rovnice (3), nebo polohu maxim (rovnice (4)). K určení příslušných úhlů minim (maxim) je nevyhnutelné změřit s co největší přesností polohu maxim (minim) ymax,min určených prostřednictvím fotodiody a potom vypočítat příslušné úhly minim (maxim) podle vztahu
    equation 1
    K přesnějšímu určení velikosti štěrbin je možné využít optimalizaci a proložit měřenými body modelovou závislost (1) (např. pomocí grafických prostředí SigmaPlot, Origin, příp. programu GNUPLOT – http://www.gnuplot.info).
  5. Vyhodnoťte odchylku (chybu) měření velikosti štěrbin.

Rozbor chyby měření

Určíme odchylku v určení velikosti štěrbiny d, např. z polohy prvního minima, pro které z rovnice (3) platí:

equation 2
a také
equation 3

Za předpokladu, že pro malé úhly, s kterými zde pracujeme, platí (v obloukové míře!):

equation 4
Můžeme napsat pro šířku štěrbiny výraz:
equation 5
a potom pro její odchylku:
equation 6

Přemýšlejte, která z veličin ovlivní chybu výsledku nejvíc.

  1. Na základe Vašeho pozorného experimentování se na závěr úlohy přesvědčte, zda umíte odpovědět na následující otázky týkající se, jak realizace experimentu, tak i teoretických znalostí fyzikálních pojmů, se kterými budete pracovat:
    • Zkoumání jakého jevu poskytuje pozorovaný vzdáleně řízený experiment?
    • Které parametry jsou v experimentu pevně nastavené?
    • Které parametry jsou v experimentu proměnné (které vy můžete měnit)?
    • Jakým způsobem se mění proměnné - spojitě nebo diskrétně?
    • Jaký zdroj světla je možné v experimentu použít?
    • Můžeme použít libovolný zdroj světla, když chceme pozorovat ohybový jev? Co je omezujícím faktorem?
    • Používáme v experimentu monochromatické zdroje světla?
    • Jakou vlnovou délku má zelený laser?
    • Jakou vlnovou délku má červený laser?
    • Můžeme současně použít oba lasery v prezentovaném experimentu?
    • Jak bychom seřadili zelený a červený laser podle vzrůstající vlnové délky, který zdroj bude na prvním místě?
    • Jak bychom seřadili zelený a červený laser podle klesající vlnové délky, který zdroj bude na prvním místě?
    • Změnu kterých parametrů jste pozorovali, pokud při daném zdroji změníte šířku štěrbiny? Odhadli jste pozorovanou změnu správně? Zopakujte experiment a potvrďte správnost své odpovědi.
    • Jaké rozložení intenzity paprsků pozorujete po jejich průchodu jednorozměrnou štěrbinou?
    • Změnil by se pozorovaný difrakční obrazec, pokud bychom použili jiný mikroobjekt? Například dvojrozměrnou štěrbinu? (viz Motivace)
    • Když změníte zdroj osvětlení při stejné šířce štěrbiny, pro který laser pozorujete intenzitu v nultém maximu větší - pro zelený nebo červený laser?
    • Jakou změnu v rozložení intenzity pozorujete, když použijete místo užší štěrbiny širší při nezměněném zdroji světla?
    • Zjistili jste, že měření si můžete zaznamenat pro zvolený časový interval a přenést do vlastního počítače? Využili jste toho?
    • Zkusili jste si vybrat Vámi naměřené hodnoty v experimentu?
    • Vytvořili jste si vlastní tabulku z naměřených hodnot?
    • Vysvětlete pojem elektromagnetické vlnění
    • Vysvětlete pojem světlo.
    • Lidé často používají pojem „paprsek světla“. Proč myslíte, že lidé používají tento pojem při popisu světla?
    • Co rozumíte pod pojmem interference a ohyb vlnění?
    • Vlnění vykazuje vlnovou i korpuskulární (částicovou) povahu. Projevem jakých vlastností je ohyb světla?
    • Kdy mluvíme o ohybu vlnění?
    • Jaké je rozložení intenzity záření při ohybu monochromatického světla na jednorozměrné štěrbině v dostatečné vzdálenosti od zdroje?
    • Kolik maxim je pozorovatelných v experimentu? Jak je nazýváme?
    • Odhadněte a poté přesně vypočítejte úhel, který patří druhému vedlejšímu maximu.
    • Kolik úhlů je možné určit z experimentu? Čemu patří tyto úhly?
    • Pozorujeme interferenci a ohyb světelných vln podobným způsobem jako u mechanického a akustického vlnění?
    • Jakou interferenci a ohyb pozorujeme snadněji? Akustickou či optickou?

Uměli jste odpovědět na otázky? Pokud ne, sáhněte po teorii fyzikálního jevu zkoumaného experimentu a pozorně si ji se zájmem prostudujte, resp. projděte experiment ještě jednou.