Ohyb elektromagnetického žiarenia
Assignment
- 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.
- Naštudujte si príslušnú teóriu k pozorovanému javu.
- 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.
- 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) ymax,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).
- 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.
- 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.