2.201 Interferens med vannbølger

Transkript

1 RST 1 2 Lys og bølger Interferens med vannbølger I denne øvingen skal du observere hva som skjer når bølger møter hindringer undersøke hva formen på hindringen har å si for endringer i bølge mønsteret Eksperiment Bruk skolens bølgekar og en linjal til å lage bølge fronter. Hva skjer når en bølgefront treffer ei «øy»? Har det noe å si hvor bred øya er? Hva skjer når en bølgefront treffer en kant? La bølgefrontene slippe ut mellom først en og så to åpninger slik at du kan studere hva som skjer med bølgene på den andre siden av åpningen(e). Varier avstanden mellom åpningene. Observer og beskriv. Tips La åpningene du skal undersøke på slutten av øvelsen, være om lag like store som eller litt mindre enn bølgelengden til vannbølgene du lager.

2 RST 1 2 Lys og bølger Interferens med lydbølger I denne øvingen skal du observere interferensmønster for lydbølger undersøke hvordan interferensmønsteret endrer seg når lydbølgene endrer bølgelengde og bølgekildene endrer avstand Eksperiment Send identiske lydbølger fra to høyttalere mot en mikrofon. I mikrofonen blir lydbølgene gjort om til elektriske signaler, og disse signalene kan vi igjen observere på et oscilloskop (eller på en dataskjerm ved hjelp av en datalogger). Figuren viser hvordan vi kan utnytte dette. Finn punkter i rommet med lydmaksimum (konstruktiv interferens) og med lydminimum (destruktiv interferens) ved hjelp av utstyret. Hold for ett øre og bruk det andre som «mikrofon». Kan du høre forskjell i lydstyrke når du fører hodet fra side til side? Endre avstanden mellom høyttalerne og finn ut hva det får å si for avstanden mellom maksimumene i rommet. Endre frekvensen og finn ut hva det får å si for avstanden mellom lydmaksimumene i rommet. Tips Som lydkilde til høyttalerne er en tonegenerator med sinussignal velegnet. Start med en lydbølgefrekvens i området Hz og en høyttaleravstand på om lag en meter.

3 RST 1 2 Lys og bølger Enkle svingninger elastisk pendel I denne øvingen skal du bruke datalogger undersøke svingebevegelsene til en elastisk pendel: utslag, amplitude, svingetid og frekvens Forhåndsoppgave a) Gjør deg kjent med egenskapene til en elastisk pendel: Lag en elastisk pendel av et lodd (fars lysestake eller lillesøsters sko) og en pakke strikk. Prøv deg fram med tyngden på loddet og antall strikk til du har en pendel med svingetid nærmest mulig 2 Hz. Hvor nær klarer du å komme? b) Denne øvingen er den første i studieboka der du skal bruke datalogger. Dersom det er mulig, setter læreren opp utstyret på forhånd slik at du kan gjøre deg kjent med det. Sett opp sensorer og prøv hvordan du skal definere sensorer, sette opp dataformat, behandle datatabeller og grafer, osv. (Det kan være praktisk å teste dataloggeren med en enkel sensor først, f.eks. en temperatursensor der du har enkle kontrollerbare resultater.) Framgangsmåte Sett sammen utstyret slik figuren viser. Gjør dataloggeren og bevegelsessensoren klar til bruk. For noen bevegelsessensorer kan det være lurt å henge en stor kork under loddet/loddene. Da blir signalene fra sensoren bedre reflektert. Velg lodd og fjær slik at svingningene blir ganske rolige. En frekvens på om lag 1 Hz kan være passe. Hvis målefrekvensen for datautstyret kan reguleres, er per sekund et godt valg. Utfør øvingen forsiktig slik at loddet ikke faller ned på bevegelsessensoren. Utstyr stativutstyr stoppeklokke målestav datalogger bevegelsessensor lodd, 50 g (eventuelt tilpasset fjæra) fjær, f.eks. 3 N/m Datalogger Bevegelsessensor

4 RST 1 2 Lys og bølger 6 Del 1 Sett i gang pendelen og la bevegelsessensoren registrere svingningene. Hvis du bruker datamaskin, skal du velge skalaene på y-aksen slik at grafen fyller en ganske stor del av skjermen. Velg skalaen på x-aksen (tidsaksen) slik at vi ser fem seks av toppene på grafen. Mens svingningene pågår, skal du samtidig gjøre målinger med stoppeklokke og målestav slik at du også kan bestemme frekvensen og amplituden uten bruk av datautstyret. Ta en utskrift av grafen eller tegn den av fra skjermen. Bruk grafen til å bestemme frekvensen og amplituden. Eventuelt kan du bestemme disse størrelsene ved hjelp av de mulighetene dataprogrammet gir. Sammenlikn resultatene med resultatene av de målingene du gjorde uten bruk av dataloggeren. Del 2 Bruk dataloggeren til å ta opp en ny måleserie der du registrerer svingningene i om lag 1 minutt. Skriv ut eller tegn av det skjermbildet du får. Bestem frekvensen nær begynnelsen og nær slutten av måleserien. Kommenter resultatene.

5 RST 1 2 Lys og bølger Lys gjennom spalter I denne øvingen skal du observere hva som skjer med lys når det går gjennom smale åpninger Forhåndsoppgave Tenk deg at du ser gjennom en dobbeltspalte mot en lyskilde. Vil en økning i spalteavstanden gi større eller mindre avstand mellom interferensmaksimumene som du ser? Bruk teorien for interferens til å begrunne svaret. Tips: Ta utgangspunkt i en av figurene nederst på side 25. Framgangsmåte Vi skal se på et stearinlys gjennom flere forskjellige utgaver av spalter. Lyset i rommet bør være dempet. Vi holder filmbiten like foran øyet og ser på et stearinlys ½ 1 meter fra oss. Fortell om det du ser og observerer i øvingene 1 6. Lag tegninger i hvert tilfelle. e d Utstyr stearinlys i holder (eventuelt glødelampe) filmbit med spalter til hver elev felles: gitter, 100 (eventuelt 300) streker per millimeter a b c Del 1 Begynn med spalte b. Når vi ser på stearinlyset gjennom spalten, ser vi lys som brer seg ut på tvers av spalten. Når vi beveger spalten opp og ned foran øyet, varierer den lysstripa vi ser. Finn ut om den bredeste lysstripa kommer fra den øverste eller fra den nederste delen av spalten. Det trengs litt øving for å se det. Hvilket lys fenomen eller bølgefenomen er dette? Del 2 Spalte a er like smal som den nederste delen av spalte b. Prøv den også. Du kan veksle mellom a og b. Er det noen forskjell mellom a og nederste del av b? Del 3 Vi går over til c. Der er det ikke en, men to spalter ved siden av hverandre, en dobbeltspalte. Hva ser du? Hvilket lys- eller bølgefenomen er dette?

6 RST 1 2 Lys og bølger 8 Del 4 Rett over dobbeltspalten finner vi en rute d. Der er det mange spalter ved siden av hverandre, altså et gitter. Spalteavstanden er den samme som i c. Sammenlikn bildene. Del 5 I e er det et annet gitter. Avstanden mellom spaltene er her mye mindre enn i d. Hvilken virkning har det? Hva er forskjellen på 0. ordens lys maksimum og de andre lysmaksimumene? Du ser mange fargede stearinlys. Hvor mange? Del 6 Lån et godt gitter med f.eks. 100 eller 300 spalter per mm. Da ser du lysmaksimumene enda tydeligere. Hvor mange stearinlys ser du nå?

7 RST 1 2 Lys og bølger Måling av bølgelengder for lys I denne øvingen skal du bestemme bølgelengden for laserlys, bølgelengden for natriumlys og bølgelengder i kvikksølvlys Forhåndsoppgave I denne forhåndsoppgaven skal du sette deg inn i nødvendig teori. 1. Figuren under viser lys som går gjennom en dobbeltspalte slik at vi får et interferensmønster på en skjerm. Forutsetningen for at det skal bli maksimal forsterkning i punktet P på skjermen, er at veiforskjellen S 2 P S 1 P er et helt antall bølgelengder (jf. side 26 i læreboka). P S 1 d θ θ S 2 Q L Forklar at vilkåret for å få maksimal forsterkning i P (se figur) kan da skrives slik: d sin θ n = n λ der n = 0, 1, 2, 3, står for ordenstallet til forsterkningen. Denne formelen blir kalt interferensformelen. På RSTnett finner du en utledning av dette som du kan bruke som grunnlag når du skal lage din egen forklaring av interferensformelen. 2. Forklar at vi får interferens mønster på begge sider av maksimum av nulte orden, og lag en tegning av det vi ser på en skjerm når monokromatisk lys sendes gjennom en dobbeltspalte. 3. Vi gjør et forsøk med rødt lys gjennom en dobbeltspalte. Avstanden mellom spaltene og skjermen er 2,05 m. Spalte avstanden er 0,0100 mm, og avstanden mellom de to maksimumene av 2. orden er 52,1 cm. Se figuren øverst på neste side.

8 RST 1 2 Lys og bølger θ 2 L = 2,05 m 0. 2y 2 = 52,1 cm 2. Forklar at vi kan finne retningsvinkelen av uttrykket tan θ 2 = y 2 L = 0,2605 m 2,05 m Vis så ved hjelp av interferensformelen at bølgelengden for det røde lyset er 630 nm. På RSTnett finner du en løsning på problemet dersom du vil sjekke framgangsmåten. Framgangsmåte Unngå å få laserlys inn i øynene. Det er like ille som å se rett på sola. Det gjelder også skolens laser. Del 1 Laserlys Laser Laserlyset er ensfarget, det har bare én bølgelengde. Denne bølgelengden skal vi nå bestemme. Apparatoppstillingen er enkel slik figuren viser. Vi sender lyset fra laseren vinkelrett mot gitteret, og der blir det delt opp i en rekke atskilte strålebunter, lysmaksimum. Resultatet ser vi på veggen 2 4 m bak gitteret. Hva ser vi? Tegn og beskriv. Tegn en skisse av apparater og lysbølger sett ovenfra. Gjør de målingene som er nødvendige for å finne bølgelengden ved hjelp av et valgt lysmaksimum, og sett opp resultatene i en oversiktlig tabell. (Gruppene i klassen velger forskjellige maksimum som grunnlag for bølgelengdeberegningen.) Sammenlikn det svaret gruppen din får, med andre grupper som har brukt samme maksimum som utgangspunkt. Utstyr gitter med 300 linjer/ mm eller tilsvarende gitterholder laser målestav eller målebånd natriumlampe metall- eller papphylse med spalte stativ og gitterholder kvikksølvlampe

9 RST 1 2 Lys og bølger 11 Bestem et felles resultat for bølgelengden til laserlyset ved å ta gjennomsnittet av resultatene fra de forskjellige gruppene. Skriv også opp de andres resultater i loggboka. Sammenlikn resultatet med den bølgelengden som er oppgitt for laseren. For en He-Ne-laser er bølgelengden 632,8 nm. Del 2 Natriumlys Vi skal bestemme bølgelengden for det gule Na-lyset. Vi setter Na-lampen på et bord og tenner den. Like bak lampen skal en av elevene holde meterstaven når målingene begynner. Lyset fra natriumgassen er ensfarget gult. Hvis lampen også gir andre farger, må det komme av «forurensningsgasser» i lampen. Vi plasserer gitteret, 300 1/mm, i et stativ 2 3 m fra lampen, som vist på figuren over. Det blir sikrere målinger hvis vi setter en hylse med en spalte i rundt lampen. Marker K-punktene på meterstaven. Det gjør dere ved etter tur å lete opp hvor 1. ordens og eventuelt 2. ordens lys ser ut til å komme fra på begge sider av 0.-ordenen. Den som ser gjennom gitteret, må dirigere en medelev til å gjøre disse markeringene på meterstaven. Beregn bølgelengden til natriumlyset. Diskuter først hvordan det kan gjøres, og hva som skal måles. (Skal vi f.eks. måle fra lampen eller fra meterstaven bak lampen til gitteret?) Sett opp resultatene i en tabell. Bestem en felles verdi for bølgelengden til natriumlyset ved å bruke gjennomsnittsverdien for alle elevgruppene. Finn avviket i prosent fra tabellverdien 589 nm. Prøv å vurdere feilkildene som disse målingene, og dermed resultatet, har. Lampe K 2 K 1 K 1 K 2 Gitter

10 RST 1 2 Lys og bølger 12 Del 3 Kvikksølvlys Bruk nøyaktig samme oppsett og målemetode som i del 2 med natriumlys. Obs! Nå skal kvikksølvlampen stå i hylsen, og den skal være snudd slik at vi ikke ser rett inn på kvikksølvlampen. Følg opplegget i del 2 og finn bølgelengden til tre av spektrallinjene (fargene) i kvikksølvspekteret. Finn gjennomsnittsverdiene av de forskjellige verdiene som gruppene kommer fram til. Sammenlikn med verdier du finner i fysikktabellen.