iSES - Internet School Experimental System

Ohyb elektromagnetického žiarenia

Zadanie úlohy

1. Spustite experiment a zoznámte sa s experimentom „Ohyb elektromagnetického žiarenia na mikroobjektoch“ (v našom prípade jednorozmerná štrbina ) na http://proj-x.karlov.mff.cuni.cz/sterbina.html.
   • Presvedčte sa, či si viete experiment v mysli vybaviť a tiež vysloviť a definovať základné pojmy, ktoré s tematickým okruhom experimentu súvisia. Viete nakresliť schematické usporiadanie experimentu a objasniť funkciu jednotlivých zariadení?
   • Ktoré parametre experimentu sú premenné parametre?
   • Zvážte, ako namerané hodnoty môžete efektívne využiť.
2. Naštudujte si príslušnú teóriu k pozorovanému javu.
3. Uskutočnite detailné meranie priebehu rozloženia intenzity svetla vo vzdialenosti a = (2152 ± 1) mm od štrbiny. Meranie uskutočnite pre oba zdroje svetla (červený laser s vlnovou dĺžkou λ₁ = (632 ± 10) nm a zelený λ₂ = (532 ± 10) nm) a pre obidve veľkosti štrbín.
4. Určite veľkosť obidvoch štrbín d. K tomu môžete použiť buď polohu miním (rovnica (3), alebo polohu maxím (rovnice (4)). Na určenie príslušných uhlov miním (maxím) je nevyhnutné zmerať s čo najväčšou presnosťou polohu maxím (miním) y_max,min určených prostredníctvom fotodiódy a potom vypočítať príslušné uhly miním (maxím) podľa vzťahu
   
   Na presnejšie určenie veľkosti štrbín je možné využiť optimalizáciu a preložiť meranými bodmi modelovú závislosť (1) (napr. pomocou grafických prostredí SigmaPlot, Origin, príp. programu GNUPLOT – http://www.gnuplot.info).
5. Vyhodnoťte neistotu (chybu) určenia veľkosti štrbín.

   Rozbor chyby merania

   Určíme neistotu v určení veľkosti štrbiny d, napr. z polohy prvého minima, pre ktoré z rovnice (3) platí:

   
   a taktiež
   

   Za predpokladu, že pre malé uhly, s ktorými tu pracujeme, platí (v oblúkovej miere!):

   
   Možno napísať pre šírku štrbiny výraz:
   
   a potom pre jej neistotu:
   

   Zvážte, ktorá z veličín zaťaží chybu výsledku najviac.

6. Na základe Vášho pozorného experimentovania sa na záver úlohy presvedčte, či viete odpovedať na nasledovné otázky týkajúce sa, ako realizácie experimentu, tak i teoretických znalostí fyzikálnych pojmov, s ktorými budete pracovať:
   • Skúmanie akého javu poskytuje pozorovaný vzdialený experiment?
   • Ktoré parametre sú v experimente pevne nastavené?
   • Ktoré parametre sú v experimente premenné (možné Vami meniť)?
   • Akým spôsobom sa menia premenné - spojite alebo diskrétne?
   • Aký zdroj svetla je možné v experimente použiť?
   • Môžeme použiť ľubovoľný zdroj svetla, ak chceme pozorovať ohybový jav? Čo je ohraničujúcim faktorom?
   • Používame v experimente monochromatické zdroje svetla?
   • Akú vlnovú dĺžku má zelený laser?
   • Akú vlnovú dĺžku má červený laser?
   • Môžeme súčasne použiť obidva lasery v prezentovanom experimente?
   • Ak by sme zoradili zelený a červený laser podľa vzrastajúcej vlnovej dĺžky, ktorý zdroj bude na prvom mieste?
   • Ak by sme zoradili zelený a červený laser podľa klesajúce vlnovej dĺžky, ktorý zdroj bude na prvom mieste?
   • Zmenu ktorých parametrov ste pozorovali, ak pri danom zdroji zmeníte šírku štrbiny? Odhadli ste pozorovanú zmenu správne? Zopakujte experiment a potvrďte správnosť svojej odpovede.
   • Aké rozloženie intenzity lúčov pozorujete po ich prechode jednorozmernou štrbinou?
   • Zmenil by sa pozorovaný difrakčný obrazec, ak by sme použili iný mikroobjekt? Napríklad dvojrozmernú štrbinu? (pozri Motiváciu)
   • Ak zmeníte zdroj osvetlenia pri rovnakej šírke štrbiny, pre ktorý laser pozorujete intenzitu v nultom maxime väčšiu - pre zelený alebo červený laser?
   • Akú zmenu v rozložení intenzity pozorujete, ak zameníte užšiu štrbinu za širšiu pri nezmenenom zdroji svetla?
   • Zistili ste, že meranie si môžete zaznamenať pre zvolený časový interval a preniesť do vlastného počítača? Urobili ste tak?
   • Skúsili ste si vybrať Vami namerané hodnoty v experimente?
   • Vytvorili ste si vlastnú tabuľku z nameraných hodnôt?
   • Objasnite pojem elektromagnetické vlnenie
   • Objasnite pojem svetlo.
   • Ľudia často používajú pojem „lúč svetla“. Prečo myslíte, že ľudia používajú tento pojem pri popise svetla?
   • Čo rozumiete pod pojmom interferencia a ohyb vlnenia?
   • Vlnenie vykazuje vlnovú i korpuskulárnu (časticovú) povahu. Prejavom akých vlastností je ohyb svetla?
   • Kedy hovoríme o ohybe vlnenie?
   • Aké je rozloženie intenzity žiarenia pri ohybe monochromatického svetla na jednorozmernej štrbine v dostatočnej vzdialenosti od zdroja?
   • Koľko maxím je pozorovateľných v experimente? Ako ich nazývame?
   • Odhadnite a neskôr presne vypočítajte uhol, ktorý prináleží druhému vedľajšiemu maximu.
   • Koľko uhlov je možné určiť z experimentu? Čomu prináležia tie uhly?
   • Pozorujeme interferenciu a ohyb svetelných vĺn podobným spôsobom ako u mechanického a akustického vlnenia?
   • Ktorú interferenciu a ohyb ľahšie pozorujeme? Akustickú či optickú?

Vedeli ste odpovedať na otázky? Ak nie, siahnite po teórii fyzikálneho javu skúmaného experimentu a pozorne si ju so záujmom naštudujte, resp. prejdite experiment ešte raz.