ДИФРАКЦІЙНІ ГРАТКИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

BuragaБурага Сергій Миколайович,
вчитель фізики комунального закладу «Навчально-виховне  об’єднання
«Загальноосвітня школа І-Ш ступенів № 17 – центр  естетичного виховання «Калинка»
Кіровоградської  міської ради Кіровоградської області»

ДИФРАКЦІЙНІ ГРАТКИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Урок фізики в 11 класі

Мета: продовжити формувати знання  про дифракцію світла; ознайомити учнів з основними характеристиками дифракційних граток,  принципом утворення  дифракційної картини  від них, видами та застосуванням граток.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Обладнання: дифракційні гратки, диски, комп’ютер, проектор, екран, лазерна указка,  лінійка, таблиця, ППЗ Квазар-мікро «Фізика 11», світлофільтр, освітлювальний ліхтар, збірники.

 Хід уроку

 І. Організація уроку

   Постановка теми, мети і завдання уроку. Прочитати на дошці вислів:  

 

1b

ІІ.  Актуалізація потрібного навчального і життєвого досвіду учня

а) На попередньому уроці ви вивчали явище інтерференції та дифракції, а потім  виконували лабораторну роботу. Тому давайте разом пригадаємо цей матеріал. Спочатку попрацюємо в парах, задаючи один одному запитання.

Робота в парах ( учні задають питання один одому)

Запитання:

1. Що таке інтерференція?

2. Які хвилі називають когерентними?

3. Способи отримання когерентних хвиль.

3. Яка умова повинна  виконуватися, при отримані темних смуг на

    інтерференційній картині?

4. Яка умова повинна  виконуватися, при отримані світлих смуг на  інтерференційній картині?

5. Застосування інтерференції.

6. Які основні кольори входять до природного світла?

7. Що таке дифракція?

8. Умови при яких виникає дифракція світла

9. Про що говорить принцип Гюйгенса – Френеля?

10. Де можна спостерігати дифракцію механічних хвиль?

11. Що ми спостерігаємо, коли дивимось через маленький отвір у картонці?

12. Яке світло називають монохроматичним?

13. Що ми спостерігаємо, коли дивимось через маленький екран на світло?

14. Як позначається довжина хвилі?

 б)Троє учнів працюють по картках ( індивідуальна робота)

Задача 1. У певну точку простору надходять когерентні промені з різницею ходу 2*10-6 м.

Визначити, підсилюється чи послаблюється і цій точці світло, якщо в неї надходять червоні промені з довжиною хвилі λ = 760нм.

Задача 2. У певну точку простору надходять когерентні промені з різницею ходу 2*10-6 м.

Визначити, підсилюється чи послаблюється і цій точці світло, якщо в неї надходять червоні промені з довжиною хвилі λ = 400нм.

Задача 3. У певну точку простору надходять когерентні промені з різницею ходу 1,5*10-6 м. Визначити, підсилюється чи послаблюється і цій точці світло, якщо в неї надходять червоні промені з довжиною хвилі λ =  600нм.

 в) Запитання до класу:

  1. Чому явище інтерференції та дифракції пов’язані одне з одним?
  2. ( дифракційна картина – це результат інтерференції вторинних хвиль)
  3. Чому ми можемо чути гудок автомобіля за рогом будинку, коли його зовсім не видно? ( механічні хвилі мають довжину більшу за перешкоду)
  4. Чи суперечить явище дифракції закону прямолінійного поширення світла?( ні не суперечить)
  5. Чи залежить колір від довжини хвилі? ( так залежить)
  6. Яке явище пояснює різнокольорові крила бабочки? ( інтерференція у тонких плівка)

ІІІ.  Мотивація навчальної діяльності

Показуємо учням слайд де показано дифракція від однієї перешкоди2bПитання: як можна покращити інтенсивність дифракційної картини?

( вислуховуємо відповіді учнів)

На це питання ми дамо відповідь в кінці уроку.

ІV.  Формування нових знань і способів дій

Показую дифракційну решітку ( на партах у учнів )  3b 4bЗапис у зошит:

    Дифракційна гратка – це система, яка складається з великої кількості прозорих та непрозорих проміжків ( наприклад: на 1 мм 100 проміжків )

Непрозорі щілини наносять лазерним променем на скло.

Кожна дифракційна гратка характеризується періодом або сталою дифракційної гратки

Запис у зошит:

 Періодом або сталою дифракційної гратки називається величина, яка рівна сумі довжини однієї прозорої та непрозорої щілини.

Позначається  [d ]= 1м,  d= а + в

Дослід 1. За допомогою лазерної указки, лінійки , екрану, дифракційної гратка демонструємо утворення дифракційної картини.

Дослід 2. За допомогою синього світлофільтра та ліхтаря показуємо дифракційну картину.

 Пояснення:

    На поверхню дифракційної гратки падають монохроматичні промені. За принципомГюйгенса – Френеля, щілини відіграють роль вторинних хвиль. Вторинні хвилі, після заломлення об краї перешкоди, стають когерентними. Тому на екрані дають дифракційну картину( чергування світлих та темних смуг).5b 6bЯкі ж умови утворення цих смуг? (  мал.7)7bЯкщо виділити невеликий фрагмент з даної системи, то можна встановити з малюнка утворення уявного прямокутного трикутника. З нього

Δl=dsinφ ( 1)

D1b

     Таким чином, різниця ходу залежить від кута φ. З його зміною змінюється різниця ходу і відповідно результат накладання вторинних хвиль від дифракційної гратки.

 1. Якщо різниця ходу містить ціле число хвиль, то спостерігатиметься максимум.

З умови максимуму інтерференції:

                                        Δ1= kλ (2), підставляємо  (1), маємо

                                        dsinφ = kλ, де k- номер максимуму

2. Якщо різниця ходу містить неціле число півхвиль, то спостерігаємо мінімум. З умови мінімуму  інтерференції :

                                               Δ1= ( 2k+1) λ/2, підставляємо (1), маємо

                                               dsinφ =( 2k+1) λ/2, де k- номер максимуму

Оскільки положення максимумів та мінімумів залежить від довжини хвиль, дифракційна гратка розкладає біле світло у спектр. Промені з більшою довжиною відхилятимуться сильніше і навпаки. Спектр починається з фіолетового кольору і закінчується червоним.

Повторити дослід 1, 2 та показати дифракцію від білого світла

Але існує ще одна формула для знаходження максимуму. Для малих кутів, з геометрії,

 sinφ = tgφ = h / L,  тому формула має вигляд

 d* h / L = kλ,  де h – відстань від 0 до І мах

                           L – відстань від гратки до екрана.                                           

Дифракційні  гратки поділяються: 8b1.Прозорі дифракційні гратки ( шкільна гратка)

2.Відбиваючі дифракційні гратки (лазерні диски)

Застосування дифракційних граток:9b

 – визначення довжини хвилі;

 – розкладання природного світла в спектр;

 – дослідження спектрального складу  випромінювання;

 – в спектроскопах для визначення хімічного складу речовини;

 – в спектрографах

Давайте повернемось до нашого першого слайда і дамо відповідь.

Відповідь:  для отримання кращої картини необхідно використати дифракційну гратку, яка підсилить дифракційну картину 2b

Утворення дифракційної картини від декількох щілин10b

V. Осмислення здобутих знань.

Давайте розв’яжемо дослідницьку задачу

Задача. Визначення довжини хвилі лазерного випромінювання за допомогою дифракційної гратки

Схема досліду показана на малюнку:

D2b1bbb2bbbb

Для червоного кольору маємо довжину хвилі: 760-620 нм

 Задачі:

   Якісні:

  1. Чому штучні перламутрові ґудзики мають райдужне забарвлення?
  2. Чому дифракційна гратка – чудовий оптичний прилад?
  3. Чим відрізняються формули максимумів для інтерференції та дифракції?
  4.  №1170
  5. Пояснити, чому ми бачимо спектр на компакт-диску?( виготовляють з полікарбонату на який нанесено шар алюмінієвого сплаву та пластмас)

   Кількісні:

Збірник (Римкевич) № 1173, 1172,1171

VΙ. Підводимо підсумок уроку  (розповідь учнів)

VΙΙ. Підсумок уроку. (оцінки, висновки)

Домашнє завдання

а) основне: вивчити п.59, вправа 15;  лабораторна робота;

б) додаткове: написати повідомлення на тему: «Застосування дифракційної гратки в астрономічних дослідженнях»