Odgłosy z jaskini (11) Siatka odbiciowa

Podobne dokumenty
l l' Przy oznaczeniach z rysunku, ró nica dróg optycznych promieni rozproszo- ', gdzie oznacza długo fali wiatła. Otrzymujemy równanie d sin α sinα

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

Fizyka fal cyrklem i linijką

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Wyznaczanie wartości współczynnika załamania

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

Cel ćwiczenia. Zagadnienia do opracowania. Zalecana literatura

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Rozwiązanie zadania D1

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Interferencja i dyfrakcja

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ

Ćwiczenie z fizyki Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej soczewki oraz współczynnika załamania światła

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Interferencja i dyfrakcja

Odgłosy z jaskini (10) Kamień, ptak i drzewo

XLIII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

ĆWICZENIE 1 WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ZA POMOCĄ SPEKTROSKOPU

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

MGR 10. Ćw. 1. Badanie polaryzacji światła 2. Wyznaczanie długości fal świetlnych 3. Pokaz zmiany długości fali świetlnej przy użyciu lasera.

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

Wstęp do astrofizyki I

Dyfrakcja światła na otworze kołowym, czyli po co fizykowi całkowanie numeryczne?

Ć W I C Z E N I E N R O-6

Optyka. Matura Matura Zadanie 24. Soczewka (10 pkt) 24.1 (3 pkt) 24.2 (4 pkt) 24.3 (3 pkt)

SZKIC ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ROZWIĄZAŃ ZADAŃ W ARKUSZU I. Informacje dla oceniających

SZKIC ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ROZWIĄZAŃ ZADAŃ W ARKUSZU I. Informacje dla oceniających

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Falowa natura światła

Wstęp do astrofizyki I

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

TECHNIKI OBSERWACYJNE ORAZ METODY REDUKCJI DANYCH

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

Analiza widmowa spektralnych lamp gazowych przy użyciu spektrogoniometru.

Rys. 1 Pole dyfrakcyjne obiektu wejściowego. Rys. 2 Obiekt quasi-periodyczny.

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM Fizyka Poziom rozszerzony. Listopad Poprawna odpowiedź i zasady przyznawania punktów

POMIARY OPTYCZNE Współczynnik załamania #1. Damian Siedlecki

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

O3. BADANIE WIDM ATOMOWYCH

Prawo odbicia światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Interferencyjny pomiar krzywizny soczewki przy pomocy pierścieni Newtona

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

ARKUSZ PRÓBNEJ MATURY Z OPERONEM FIZYKA I ASTRONOMIA

EGZAMIN MATURALNY 2013 FIZYKA I ASTRONOMIA

Wykład 16: Optyka falowa

Prawa optyki geometrycznej

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 4. Budowa spektrometru

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

Interferencja. Dyfrakcja.

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

OCENA PRZYDATNOŚCI FARBY PRZEWIDZIANEJ DO POMALOWANIA WNĘTRZA KULI ULBRICHTA

35 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2

Zasada Fermata mówi o tym, że promień światła porusza się po drodze najmniejszego czasu.

Ćwiczenie Nr 8 Współczynnik załamania refraktometr Abbego

Grupa: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn Laboratorium Techniki Świetlnej

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

LABORATORIUM OPTYKA GEOMETRYCZNA I FALOWA

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Rys. 1 Geometria układu.

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

( Wersja A ) WYZNACZANIE PROMIENI KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA.

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Wykład 16: Optyka falowa

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

PRZEKSZTAŁCANIE WIĄZKI LASEROWEJ PRZEZ UKŁADY OPTYCZNE

Transkrypt:

64 FOTON 103, Zima 2008 Odgłosy z jaskini (11) Siatka odbiciowa Adam Smólski Tym razem będą to raczej odblaski z jaskini. Przed opuszczeniem lwiątkowej piwniczki na Bednarskiej postanowiłem przebadać jeszcze raz to, co z uczniami na lekcji ćwiczyłem w zbytnim pośpiechu odbiciową siatkę dyfrakcyjną. Niby nic oryginalnego, bo łatwiej obecnie o siatkę odbiciową w postaci płyty CD niż klasyczną, ze szczelinami. Ale chodziło o siatkę ustawioną nieprostopadle do wiązki z lasera. A konkretnie o to, jak zależy położenie prążków od kąta padania wiązki. Rozwiążmy ten problem najpierw teoretycznie. Oto rysunek dwóch promieni padających na dwie sąsiednie odbijające linie płyty: ' n l d l' Przy oznaczeniach z rysunku, różnica dróg optycznych promieni rozproszonych przez obie linie pod kątem α wynosi l l', gdzie l d sin, l' d sin ' (dopuszczamy ' 0). Rozproszone promienie utworzą na odległym ekranie prążek n-tego rzędu, gdy l l' n, gdzie λ oznacza długość fali światła. Otrzymujemy równanie d sin sin ' n. Ostatecznie kąt n ', pod którym promienie widma n-tego rzędu odchylają się od promieni odbitych zgodnie z prawem odbicia, jest dany wzorem n n arcsin sin. d

FOTON 103, Zima 2008 6 Znak minus odpowiada sytuacji ', znak plus sytuacji '. Warto zauważyć, że te dwie sytuacje nie są symetryczne, jak byłoby w przypadku wiązki prostopadłej do siatki. Oto wykresy dla światła z typowego wskaźnika laserowego oraz płyty CD lub DVD (kąty podano w stopniach): θ 1 8 80 7 70 6 60 0 4 40 3 30 2 20 1 10 + 1 1 1 + 1 1 DVD CD DVD = 0,78m d = 0,74m = 0,66m d = 0,74m = 0,66m d = 1,60m 0 0 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 70 7 80 8 90 Ciekawe, że oświetlenie płyty pod kątem umożliwia dostrzeżenie efektów interferencji nawet wtedy, gdy długość fali przekracza stałą siatki d. Najwyższy wykres pokazuje przebieg 1 dla płyty DVD oświetlonej falą o długości 0,78 μm. Oczywiście dla 0 jest tylko prążek zerowy, ale przy oświetleniu pod kątem powstanie także widmo I rzędu. Płyty DVD mienią się wszystkimi kolorami tęczy, podobnie jak CD. Wykonałem doświadczenie. Oto wyniki:

66 FOTON 103, Zima 2008 1 80 7 70 6 60 0 4 40 3 30 2 20 1 10 = 0,68m DVD CD d = 0,74m d = 1,1m d = 1,60 m 0 0 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 70 7 80 8 90 Niepewność punktów pomiarowych wynikająca z wielkości plamki i pomiarów taśmą mierniczą wynosi około 0, dla płyty CD i ok. 1 dla płyty DVD. Otrzymane punkty chciałem porównać z przebiegiem krzywej teoretycznej. Szczerze mówiąc, nie byłem pewien długości fali mojego laserka. Pomiar za pomocą klasycznej siatki dyfrakcyjnej (00 szczelin na milimetr) dał wynik 0,68μm. Problem w tym, że fabryczna informacja o liczbie szczelin siatki (kupionej w ZamKorze) podana jest bez niepewności pomiarowej. Faktycznej stałej tej siatki nie sposób ustalić bez wzorcowego lasera, np. helowo-neonowego, dla którego długość fali byłaby dość dokładnie znana. Nie miałem możliwości wykonania takiej kalibracji. Przyjmując wartość d 2 μm jako dokładną, otrzymałem dla niepewność 0,008μm. Także wartość d dla płyt budzi wątpliwości. Specyfikacje płyt CD i DVD, jakie znalazłem w internecie, podają dla nich odpowiednio 1,60 μm i 0,74 μm. Przyjmując 0,68μm i d = 0,74 μm otrzymujemy bardzo ładną zgodność z teoretycznym wykresem dla DVD. Natomiast 0,68μm i d = 1,60 μm dla

FOTON 103, Zima 2008 67 CD kompletnie nie pasuje do punktów pomiarowych. A co pasuje? Jeśli 0,68μm, to d = 1,1 μm. Jak jest naprawdę, nie wiem. Jak Czytelnicy zapewne dostrzegli, nie opowiadam tym razem o lwiątkowych zadaniach, a tylko o ostatnich odblaskach lasera z lwiątkowej piwnicy. Jeśli już musi być o zadaniach, to raczej przychodzi mi na myśl zadanie doświadczalne z finału XLIX Olimpiady Fizycznej w roku 2000. Należało tam wyznaczyć długość fali światła lasera za pomocą linijki (niby logiczne linijka służy wszak do pomiaru długości). Cała chytrość miała polegać na tym, by zawodnik wpadł na pomysł, aby linijkę z jej co milimetr położonymi rysami podziałki wykorzystać jako odbiciową siatkę dyfrakcyjną. Kluczowy fragment wzorcowego rozwiązania, opublikowanego w Fizyce w Szkole, brzmiał: Korzystamy ze wzoru dla siatki dyfrakcyjnej: d sin m = m (2) gdzie d to stała siatki dyfrakcyjnej, m to kąt ugięcia prążka m-tego rzędu, to szukana długość fali. W konkretnym pomiarze dla pierwszego rzędu ugięcia m = 1: d = 1 mm cos = 1,1 10 4 m, 1 (...) sin 1 = 0,007, a stąd szukana długość fali 620 nm. Z powyższego sformułowania domyślamy się, że uzasadnieniem ma być efekt pozornego zbliżenia się szczelin, gdy patrzymy pod kątem: d dcos Był to wtedy dopiero drugi z redagowanych przeze mnie numerów Fizyki w Szkole. Nic mnie jakoś nie tknęło. Oczywiście takie podejście jest w ogólności całkowicie błędne. Gdyby je zastosować do płyty CD, to przy parametrach przyjętych na pierwszym naszym wykresie mielibyśmy: 1 W oryginale kąt α mierzony był nie od normalnej, ale od linijki, w tym miejscu zatem występował sinus.

68 FOTON 103, Zima 2008 1 70 6 60 0 4 40 3 30 2 20 1 10 0 0 = 0,66m d = 1,60m błędnie poprawnie 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 70 7 80 8 90 W przypadku linijki, mającej d = 1000 μm, oba kąty 1, obliczony poprawnie i błędnie, są bardzo małe, mała jest więc także ich różnica. Miarodajny jest błąd względny i faktycznie może on być w tym wypadku maleńki. Dla bardzo małych d bowiem, i nie za dużych α, z dobrym przybliżeniem: arcsin sin arcsin sin sin 1 d d d d arcsin sin, d cos d cos 1 co jest wzorem wynikającym z podejścia błędnego. Jednak jak to bywa z podobnymi przybliżeniami, zaczynają się rozjeżdżać przy pewnych wartościach zmiennej. We wzorcowym rozwiązaniu użyto 84. Oto wykresy, poprawny i błędny, w okolicach tej wartości, dla podanej jako odpowiedź długości fali 0,62μm :

FOTON 103, Zima 2008 69 1 7 6 4 3 = 0,62m d = 1000 m błędnie 2 1 poprawnie 79 80 81 82 83 84 8 86 87 88 89 90 Jak widać, wzorcowe doświadczenie przeprowadzono jeszcze w obszarze, gdzie oba podejścia dają zgodne wyniki, ale zabrakło dyskusji i oceny dopuszczalności przybliżenia. Subtelny problem został zbanalizowany.