Установка для основных демонстраций по оптике

Предлагаемая установка в основном предназначена для демонстраций по оптике в восьмилетней школе. В отличие от шайбы Гарт- ля и прибора по оптике Глазырина работа с ней не требует затемнения помещения. Яркие световые потоки шириной 5—10 мм, получаемые при помощи осветителя, отчетливо видны на экране при условии, конечно, что на экран не попадает прямой солнечный свет.

С помощью установки можно графически фиксировать истинный ход световых потоков непосредственно на экране прибора.

Применяемая в установке наливная оптика дает возможность особенно четко показать, что явление преломления света есть результат перехода света из одной среды в другую.

Установка позволяет не только получить спектр белого света в обычном виде, но и проследить отклонение цветных световых пучков вдоль экрана после выхода их из призмы.

В комплект самодельной установки входят: белый экране, вкладышами, осветитель, плоские зеркала (три малых и одно большое), пластинка с плоскопараллельными гранями, наливная треугольная призма, стеклянная призма, двояковыпуклая и двояковогнутая наливные линзы, матовый экран.

Если диаметр цилиндрической части осветителя выбрать по размерам окна в фонаре школьной оптической скамьи, то в качестве осветителя может служить этот фонарь.

Белый экран размером 700 X 500 мм (рис. 136) изготовлен из доски, на которую столярным клеем наклеен линолеум, покрашенный белой краской.

По контурам призмы и линз из линолеума вырезают участки так, чтобы при креплении призмы или линз на экране они входили в него.

По таким же контурам из линолеума и листового металла вырезают вкладыши (рис. 137). Линолеум наклеивают на металл клеем БФ.

Во время пользования одной из линз или призмой остальные участки экрана, где вырезаны углубления, закрывают вкладышами. К металлической стороне вкладышей припаивают болты. Линолеум на вкладышах также окрашивают белой краской.

В соответствии с размещением болтов на вкладышах и экране просверливают отверстия, и вкладыши прижимают к экрану гайками.

Экран устанавливают на штативе с помощью двух хомутов. В одном из хомутов имеется прижимной винт. Хомуты прикреплены к экрану с тыльной стороны шурупами.

Осветитель состоит из двух цилиндров, один из которых вдвигается в другой (рис. 138). В основание наружного цилиндра вмонтирован патрон для электрической лампочки (12 в, 50 вт). Во внутреннем цилиндре укреплена линза, а на свободный его конец надета насадка с окнами 1, зеркалами 2 и ширмами-заслонками 3, которые могут перемещаться в пазах 4.

Устройство зеркал показано на рисунке 139. Зеркала 1 укреплены в обоймах 2 из жести, к которым припаяны оси 3. Оси вставляются в боковые отверстия в стенках насадки осветителя. Вращением зеркал можно устанавливать их под разными углами к падающему световому потоку.

Ширмы (рис. 140) изготовлены из листового металла в виде прямоугольных пластинок. В центре пластинки высверлено отверстие, напротив которого припаяна гайка 2 с резьбой. В гайку входит винт 1, упором которого в стенку насадки фиксируется положение ширмы. Сдвигая или раздвигая ширмы, можно получать световые потоки заданной ширины.

Цилиндр осветителя охвачен хомутом из листового металла и стянут болтом. К хомуту припаян стержень (рис. 141), закрепляемый в держателе штатива.

Для получения четких световых потоков от осветителя следует нить лампы располагать параллельно щелям осветителя и перпендикулярно экрану. При этом получаются скользящие вдоль всей плоскости экрана световые потоки весьма значительного сечения, из которых с помощью ширм-заслонок вырезаются (по желанию) более узкие и резкие потоки. Расстояние между нитью лампы и линзой осветителя должно быть равно примерно фокусному расстоянию линзы.

Плоские зеркала предназначены для изучения законов отражения. Три зеркала имеют размеры З0 X 50 мм и одно — З0 X 120 мм.

Зеркала 1 крепятся на уголках 2 пластинками 3 из жести (рис. 142), а на экране — с помощью болтов, пропущенных сквозь отверстия в основании уголка 4 и отверстия в экране.

Пластинка с плоскопараллельными гранями (рис. 143) делается из плексигласа и крепится на экране с помощью болтов и гаек, для которых в экране высверливаются соответствующие отверстия.

Наливная треугольная призма (рис. 144) склеивается дихлорэтаном из листового плексигласа.

Кроме наливной призмы, надо еще иметь хорошего качества небольшую стеклянную призму для получения четкого спектра.

Линзы цилиндрические склеиваются из листового плексигласа, как и призма. Основание линз размечается циркулем, а боковые поверхности изгибаются по основанию и приклеиваются к нему (рис. 145).

Внутри двояковыпуклой линзы вклеиваются уголки (рис. 146) по форме острых углов основания. В уголках просверливаются отверстия и нарезается резьба. В один из них ввинчивается трубка с резьбой — на нее надевается резиновый шланг для наполнения линзы водой или другой жидкостью. В другой уголок ввинчивается болт без головки для крепления линзы на экране. Болты на линзах и вкладышах вставляются в одни и те же отверстия экрана.

В верхнем уголке, где укреплен болт, высверливается сквозное отверстие для выхода воздуха при заполнении линзы; в нижнем уголке — отверстие, перпендикулярное к трубке, соединяющее трубку с полостью линзы. Болт и трубка проходят сквозь экран, и линза с обратной стороны прижимается к экрану гайками М-5 или М-6. Подобные же уголки вклеены в наливную призму.

Двояковогнутая линза изготовляется аналогично выпуклой, но вместо уголков на концах ее оснований приклеивают трапеции, в которых высверливают отверстия такого же назначения, как и в уголках (рис. 146). Радиус кривизны вогнутой линзы такой же, как и выпуклой.

Матовый боковой экран изготовляют из плексигласа толщиной 1,5—2 мм. Для получения матовой поверхности одну из сторон пластинки обрабатывают мелким наждаком. Боковой экран крепится на торцевой стороне белого экрана при помощи вмонтированных в торец болтов и гаек. Для этого боковой экран имеет вырезы (рис. 147).

Для наполнения линз и призмы жидкостью на подъемный столик ставят сосуд с отверстием у основания (рис. 148). В отверстие вставляют пробку со стеклянной трубкой, на которую надевают резиновый шланг. Второй конец шланга соединяют с линзой или призмой, установленной на экране. При поднимании сосуда с жидкостью линза или призма заполняется, при опускании —освобождается от жидкости.

Демонстрационный вариант опыта по дифракции света от двух щелей в непрозрачном экране. В предлагаемом варианте демонстрации опыта по дифракции от двух одинаковых и параллельных щелей создаются условия для полного перекрывания дифрагирующих пучков на близко расположенном экране при использовании сравнительно широких и удаленных одна от другой щелей.

Проигрывая в простоте по сравнению с тем случаем, когда используются две узкие и близко расположенные щели, предлагаемое расположение имеет ряд преимуществ.

1) При достаточном расстоянии между щелями имеется возможность прикрыть в ходе демонстрации часть одной из щелей, например половину ее, непрозрачным экраном. Такая операция позволяет в четком виде выявить интерференционный эффект.

Действительно, одна половина картины, видимой на экране, будет представлять собой невозмущенное дифракционное изображение от одной щели, с характерным для этого случая распределением освещенности. А рядом вторая половина картины, контрастирующая с первой, представляет собой систему интерференционных полос, возникающих в области дифракционного изображения от одной щели в результате перекрывания пучков, дифрагирующих от двух щелей.

2) При достаточной ширине щелей в и соответствующем расстоянии между их средними линиями с нетрудно осуществить раздвижное устройство, позволяющее регулировать параметры вис (рис. 149, б). Используя прибор такого рода, можно в четком виде выявить влияние величины в на ширину дифракционного изображения и величины с на ширину интерференционных полос и их число.

Однако если речь идет о классной демонстрации, то не следует забывать о главном, а именно о том, что при достаточно крупных размерах картины она должна иметь такую освещенность, чтобы при хорошем затемнении быть отчетливо различимой с расстояний в 5—10 м от экрана.

Все эти обстоятельства учтены в предлагаемом расположении, схема которого изображена на рисунке 149, а. Пучок света от освещенной источником простой раздвижной щели А попадает на регулируемую двойную щель В.

Последняя может иметь достаточно большие значения в и с, поскольку сферическая линза L₁ обусловливает полное перекрывание дифрагирующих на щелях пучков в плоскости A'A' сопряженной с плоскостью АА. Первичная дифракционная картина, возникающая в плоскости А'А', отображается при помощи короткофокусной цилиндрической линзы L₂ на экран наблюдения D, расположенный в плоскости А" А", сопряженной с плоскостью A'A’. Использование цилиндрической линзы позволяет существенно увеличить светосильность изображения.

При проведении опытов применялась регулируемая двойная щель В, достаточно простая в конструктивном отношении. Для ее изготовления была использована обычная раздвижная щель от скамьи ФОС, аналогичная щели Л, которая переделывалась так: при разведенных лезвиях в средней части щели вдоль линии симметрии закреплялся кусок ровной проволоки длиной около 10 см и диаметром 0,5 мм.

Закрепление предусматривало возможность незначительного смещения и наклонения проволоки для того, чтобы можно было добиться совпадения оси проволоки со средней линией раздвижной щели. При этом между краями лезвий и поверхностью проволоки должны возникать два одинаковых зазора постоянной ширины. Теперь, вращая регулятор щели и изменяя степень разведения лезвий, можно плавно и в широком диапазоне изменять параметр b.

Вместе с этим плавно изменяется и параметр с, однако диапазон его изменений при указанной конструкции прибора невелик. Регулируемая двойная щель такого рода позволяет получить вполне удовлетворительные результаты при проведении опытов.

Другим важным прибором, который необходим для демонстрации, является короткофокусная цилиндрическая линза L₂. Имеющиеся в некоторых наборах по оптике цилиндрические линзы непригодны в данном случае, поскольку они обладают недостаточной оптической силой при неудовлетворительных оптических свойствах. В наших опытах использовалась простая цилиндрическая стеклянная трубка с внешним диаметром 8 мм, наполненная дистиллированной водой. Чтобы получить более сильную линзу, следует использовать оптически более плотную жидкость, например глицерин, и трубку меньшего диаметра. Однако в этом нет необходимости.

Кроме двух самодельных приборов, описанных выше, для проведения опытов необходимо иметь сферическую линзу L₁ (напри: мер, линзу из школьного набора F — 40 см), осветитель, простую раздвижную щель, вспомогательную сферическую линзу и экран.

На рисунке 149, а показана схема расположения приборов в опыте и указаны ориентировочные расстояния между ними. На рисунке 149, б изображена (в сечении) регулируемая двойная щель.

При выполнении опытов осветитель с кинопроекционной лампой мощностью 300 вт (110 в) располагается на одном краю скамьи ФОС. Собранный конденсором пучок света от лампы направляется на раздвижную щель от этой скамьи — щель A, закрепленную в ползунке на противоположном краю основной части скамьи. Для уменьшения рассеяния света область между конденсором и оправой щели А покрывается свернутым в трубку и перехваченным нитью листом черной бумаги, в котором проделан вырез для регулятора щели A. Регулируемая двойная щель В закрепляется в лапке штатива.

Обе щели А и В ориентированы горизонтально и параллельно друг другу, а плоскости их креплений—перпендикулярно оси SO. Сферическая линза L₁, закрепленная в соответствующей оправе, устанавливается в треножной подставке на такой высоте, чтобы пучок света от двойной щели В освещал ее среднюю часть.

Главная оптическая ось линзы L₁ должна совпадать с SO. Правильная установка линзы L₁ играет важную роль для получения картины хорошего качества. Цилиндрическая трубка (линза L₂) располагается так, чтобы горизонтальная ось ее оказалась перпендикулярной оси SO. Высота трубки подбирается с таким расчетом, чтобы горизонтальное (дифракционное) изображение источника, видимое напросвет, совпадало с ее осью.

При правильном расположении приборов на экране D, установленном в положении А" А", должна наблюдаться контрастная интерференционная картина, освещенность которой, а также ширина полос и число их в центральной области зависят от соотношения b₁ и b₂. Если картина оказывается недостаточно четкой, следует чуть-чуть повернуть трубку L₂ в вертикальной плоскости.

При смещении картины по высоте необходимо соответственно несколько изменить высоту трубки. Бывает, что четкие интерференционные полосы располагаются наклонно. Для выправления этого недостатка надо слегка изменить положение щелей А и В, г также линзы L₁.

Приборы целесообразно регулировать при значительном раз- движении щели В. Если, например, b₁ = 0,5 мм, то расстояние между лезвиями b₂ можно сделать равным примерно 1,5 мм (с = 2b). В этом случае в области главного дифракционного изображения располагается три интерференционные полосы: центральная, неокрашенная, к которой прилегает по одному спектру с каждой стороны. Если центральная полоса оказывается частично окрашенной, то необходимо несколько изменить положение линзы L₁.

Не следует забывать, что в опыте используется двойная щель с достаточно большой величиной с. Поэтому картина хорошего качества может быть получена лишь при соответствующем уменьшении ширины щели А (условие когерентности). Поэтому регулировка последней имеет большое значение.

Все операции, необходимые для получения картины хорошего качества при наличии практики, не требуют много времени.

С целью одновременной демонстрации картины от одной и двух щелей часть одной из щелей В прикрывалась при помощи небольшой стальной линейки N, которая закреплялась в лапке штатива на расстоянии d₁ = 8 см так, чтобы короткий край ее находился на высоте оси проволоки.

Для получения на экране D изображения самой двойной щели В можно использовать короткофокусную линзу L, подобрав заранее нужное ее положение и вводя ее, когда это необходимо, в пучок света, идущий от двойной щели.

Размеры и структура дифракционной картины на экране D, как уже указывалось, зависят от характеризующих двойную щель величии в и с. Вращая регулятор щели можно плавно изменять расстояние между лезвиями b₂, а следовательно, и параметры вис, что и обусловливает соответствующие изменения вида картины на экране.

Фотографии участков дифракционных картин изображены на рисунке 150. Фотографирование производилось наиболее простым способом. С этой целью экран D убирался и вместо него ставилась кассета размером 9 X 12 см или 6 х 9 заряженная изопанхроматической пленкой (90 ед. ГОСТ). При экспонировании картина проектировалась непосредственно на пленку. Расстояние между приборами при съемке указаны на рисунке 149, а.

При работе без светофильтра выдержки составляли соответственно 2 и 5 сек. Использование светофильтра (красное стекло из школьного набора светофильтров) позволяет получить более четкие фотографии. Красное стекло располагается в этом случае вслед за цилиндрической линзой L, а выдержки составляют соответственно 20 и 40 сек. На рисунке 150 слева изображена картина, воз

Для демонстрации в классе пользоваться светофильтром нецелесообразно, поскольку при этом заметно уменьшается освещенность и тем более видимость картин на экране.

При удалении экрана D размеры картины быстро возрастают (практически пропорционально расстоянию d₄), а освещенность ее уменьшается. Поэтому выбирать наилучшее положение экрана нужно исходя из этих обстоятельств.

С целью увеличения продольных размеров картины, если в этом есть необходимость, следует уменьшить расстояние d₂ и соответственно увеличить расстояние d₃.

Для демонстрации опытов в достаточно большой аудитории целесообразно отбросить картину на просвечивающий экран, обращенный к аудитории. С этой целью между линзой L₂ и плоскостью А"А" устанавливается плоское зеркало, расположенное в вертикальной плоскости, составляющей с плоскостью А"А" двугранный угол, близкий к 45 градусов, а просвечивающий экран D — в плоскости А'"А’’’, равноудаленной с плоскостью А"А” от зеркальной поверхности (на рис. 149 положение плоскости A'''А'" изображено неточно).