Ohyb elektromagnetického záření
Zadání úlohy
- Spusťte experiment a seznamte se s experimentem „Ohyb elektromagnetického záření na mikroobjektech“ (v našem případě jednorozměrná štěrbina ) na http://proj-x.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.
- Nastudujte si příslušnou teorii k pozorovanému jevu.
- 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.
- 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
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).
- 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:
Za předpokladu, že pro malé úhly, s kterými zde pracujeme, platí (v obloukové míře!):
Přemýšlejte, která z veličin ovlivní chybu výsledku nejvíc.
- 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.