1. Находит ли изучаемое нами явление дифракции света практическое использование? Да, на этом явлении основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки, с помощью которой, как мы убедимся, можно легко определять длину световой волны (Учащиеся записывают в тетрадь тему урока).
2. Изобретателем дифракционной решетки считают немецкого физика Фраунгофера (1821г.). Однако, первая дифракционная решетка была в действительности изготовлена американским астрономом Риттенхаусом за 35 лет до работ Фраунгофера.

        Дело обстояло так: американский юрист Гонкинсон случайно рассматривал светящийся фонарь, находившийся от него на расстоянии 90 м. сквозь шелковый платок (пожалуйста, посмотрите на лампочку через кусочек капроновой ленты) и увидел картину, поразившую его. Он был весьма озадачен и в письме президенту американского философского общества - астроному Риттенхаусу писал: «Объяснение этого явления превосходит мои знания в области оптики. Будьте добры, проделайте этот опыт, и, если это явление повториться, в чем я не сомневаюсь, прошу Вас поработать над разрешением проблемы на философской основе».  

   Риттенхаус не только повторил, но и усовершенствовал способ наблюдения, он фактически изобрел дифракционную решетку. Она была прямоугольной формы и состояла из тонких медных проволок, намотанных на проволочную рамку( в капроновой ленте нити расположены  не только вдоль, но и поперек). Риттенхаус не смог объяснить наблюдаемое явление и в ответном письме Гонкинсону писал: «Вероятно, продолжая эти эксперименты, можно будет сделать новые интересные открытия, относящиеся к этой изумительной материи света. Но недостаток времени вынуждает меня пока оставить эту проблему». Хотя открытие и было опубликовано, но не обратило на себя внимание.

        В 1821 году дифракционная решетка была вновь создана Фраунгофером. Он впервые использовал её для исследования спектров. Но, однако, теорию этого прибора не разработал. Теория дифракционной решетки была позже развита другими физиками, в том числе и советскими – М.А.Леонтовичем, В.А.Фоком.

Проблемная ситуация: А нельзя ли в фабричных условиях изготовить подобный прибор, с тем, чтобы пронаблюдать картину и постараться объяснить её образование?

       3. Изготовление решеток: простейшая дифракционная решетка представляет собой пластинку, на которой чередуются узкие прозрачные и непрозрачные полоски, параллельные между собой. Такую решетку можно, например, получить, нацарапав на стекле алмазом ряд штрихов и оставив неповрежденными узкие полоски стекла.          

Хорошие решетки получают, проводя тонким резцом параллельные штрихи на поверхности металлического зеркала, причем штрихи, разбрасывающие свет во все стороны, играют роль темных полосок, а нетронутые места – светлых. Такие решетки называют «отражательными» (аналогом их является кусочек от долгоиграющей пластинки (или диск), расположите его перед глазом и найдите на нем спектр). Сумму ширины прозрачной (отражающей)  и непрозрачной (рассеивающей) полосок принято называть периодом решетки – d(смотри слайд № 1).

В лучших современных машинах наносят до несколько тысяч штрихов на 1 мм (у нас решетка 1:100, т.е. на 1 мм длины нанесено 100 штрихов)

                                        -3

            1мм                 10   м               -5

d= ---------------   = ---------------- = 10  м

         100                   100

Посмотрите через решетку на лампочку. Наблюдаемая картина (смотри слайд № 2). 

         4. Рассмотрим экспериментальную теорию дифракционной решетки, используя принцип Гюйгенса-Френеля (смотри слайд № 3). 

Пусть на решетку падает плоская световая волна. По принципу Гюйгенса: каждая точка среды, до которой доходит волна, сама становится источником вторичных волн. Рассмотрим точки около края отверстий. От них распространяются сферические волны. Лучи (перпендикуляры к волновым поверхностям) идут от источников во всевозможных направлениях.

         Выберем одно – параллельное главной оптической оси линзы (оптической системы нашего глаза), в фокальной плоскости которой находится экран. Эти лучи соберутся в одной                                      -7

точке. Белый свет – сложный, Состоит из 7 цветов λ  = (4  -  7,6) * 10   м. Все они до линзы проходят одинаковое расстояние, поэтому разность хода  у всех равна нулю. И на экране будет 0 мак. белого цвета, т.к. все цвета, складываясь, дают белый цвет. Выберем другое направление лучей под углом φ. Т.к. центральный луч проходит вблизи оптического центра линзы, то он проходит практически не преломляясь, пересекает фокальную плоскость. Все другие лучи этого направления, после линзы, проходят через эту точку. Они имеют разность ходя  ∆ d=  dsinφ, если    ∆ d  = λ    , то это максимум. Самая малая длина волны у фиолетового цвета. Значит, при небольшом угле   φ   сначала максимум будет для фиолетового цвета, а затем для всех других цветов, закончится красным. Это максимум 1 порядка    к = 1. Перед ним – минимум, т.к.   d  =   ½ λ. Но лучи могут идти симметрично и в другом направлении под этими углами, поэтому, максимумов первого порядка – 2, расположенных симметрично относительно нулевого.

Если  φ  будет больше, то ∆ d  = 2   - условие максимума, т.е.  к = 2, т.е.

            dsinφ= kλ,  где к = 0, 1, 2, 3 – условие максимума

            dsinφ  = (2k+ 1) λ/2     - условие минимума

Спектр 1 порядка виден четко. На красный конец спектра 2 порядка  накладывается спектр 3 порядка. Ещё сильнее перекрываются спектры высших порядков.

        5. 

• С помощью решетки можно легко определить длину световой волны (Получаем спектр с помощью проекционного фонаря и решетки на экране).

φ- угол дифракции ( он мал) (смотри слайд № 4).                                                     

sin φ ~   tg φ                            tg φ = a/b                d*a/b = λ

                                                d sin φ = kλ                          -5

                                                  k = 1                        d = 10    м 

                                                    λф =                             λк =                  

Измерим расстояние а и b, определим  λ   и       , сравним с табличным. Аналогичные действия будут у Вас и на лабораторной работе.

           6.

• • Как Вы считаете: если половину решетки закрыть, будет ли наблюдаться дифракционный спектр?(Да) Посмотрим, в чем разница. (Менее яркий, т.к. количество пропускаемого решеткой света становиться меньше)

                                                                                                      -5

• А если заменить эту дифракционную решетку с d= 10   м на решетку с меньшим периодом. Измениться ли картина? Посмотрим, заменяя одну решетку другой. (Да, она стала шире и ярче, т.к.   dsinφ= kλ;    kλ= const, d–ум, то sinφ– ув. ).

• Сравним дифракционный и дисперсионный спектры. Различия? (дифракционных спектров несколько, начинается от фиолетового и заканчивается красным, дисперсионный – 1, начинается с красного и заканчивается фиолетовым).

• Какая картина будет наблюдаться, если рассматривать нить горящей лампочки через птичье перо? Почему? (Птичье перо аналогично дифракционной решетке)

• Задача № 1. Найти наибольший порядок спектра для желтой линии Nacдлиной волны 5890  А, если период дифракционной решетки 2 мкм.

7. Обобщение изученного на уроке материала по слайду № 5.     Домашнее здание: параграф «Дифракционная решётка» из учебника «Физика 11 класс» , подготовка к лабораторной работе «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки». Анализ результатов работы по слайдам № 6-9.