CC BY
34
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Социальные науки, 2017, № 3 (47), с. 143-147
УДК 535.4
ЛЕКЦИОННЫЕ ОПЫТЫ ПО ДЕМОНСТРАЦИИ ДИФРАКЦИИ СВЕТА В СИСТЕМЕ УНИВЕРСИТЕТСКОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
© 2017 г. П.В. Казарин, Ю.В. Полуштайцев, Н.Ф. Услугин
Казарин Петр Васильевич, к.пед.н.; старший преподаватель кафедры общей физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
kazarin@rf. ипп. ги
Полуштайцев Юрий Викторович, к.ф.-м.н.; н.с. лаборатории нелинейной оптики полимеризующихся сред Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН, Н. Новгород
jurik_sib@mail.ru
Услугин Николай Федорович, к.ф.-м.н.; доц.; руководитель центра физических демонстраций кафедры общей физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
uslugin@rf.unn.ru
Статья поступила вредалцию 05.06.2017 Статья приоята л публилации 31.07.2017
Описано применение в учебном процессе по общей физике в классическом университете универсальной установки по наблюдению дифракции света. Показан разработанный авторами методический подход объединения демонстрационных опытов в тематически связанные цепочки, что позволяет, с одной стороны, сэкономить время, необходимое для показа лекционных опытов, а с другой - способствовать формированию у студентов правильного восприятия изучаемого материала. В частности, при изучении дифракции света в курсе общей физики, в одном лекционном эксперименте осуществляется плавный переход от дифракции Френеля к дифракции Фраунгофера, подчеркивая тем самым общность всех дифракционных явлений. Технические возможности установки предоставляют лектору возможность наблюдения не только визуальной картины дифракции, но и графиков соответствующих распределений интенсивности света. Это существенно повышает методическую эффективность лекционных демонстраций, поскольку обеспечивает визуальное подкрепление дальнейших сложных аналитических расчетов.
Ключевые слова: лекционные демонстрации по физике, преподавание физики в вузе, дифракция света.
Введение
Не вызывает сомнения и неоднократно подчеркивалось разными авторами, что демонстрационные опыты на лекциях по физике способствуют лучшему усвоению материала [1, 2]. Наглядно продемонстрировать теоретические построения, создать проблемную ситуацию, сконцентрировать внимание на наиболее важных аспектах - вот далеко не полный перечень возможных задач, решаемых с помощью лекционных экспериментов. Однако вследствие постоянного дефицита лекционного времени многие преподаватели вынуждены уменьшать количество показываемых студентам опытов, что, конечно, является крайне нежелательным. В этих условиях может оказаться целесообразным использование не отдельных опытов, а тематически связанных друг с другом «цепочек» опытов [3]. При этом могут понадобиться установки, которые позволяют демонстрировать различные физические эффекты в заданной лектором последовательности и с минимальным количеством дополнительных настроек.
Постановка проблемы
При изучении волновой оптики дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля рассматриваются, как правило, по отдельности, что обусловлено различиями в способах расчета возникающих дифракционных интегралов. Естественно, на лекциях неоднократно подчеркивается, что в основе расчетов тех и других дифракционных картин лежит один принцип - принцип Гюйгенса - Френеля, но затем идет последовательное и подробное рассмотрение частных случаев, т.е. дифракции в дальней зоне (область Фраунгофера) и дифракции в ближней зоне (область Френеля). Существует ряд эффектных, запоминающихся опытов, позволяющих наблюдать дифракцию в оптическом диапазоне (а также в радиодиапазоне (СВЧ) и в акустике) [2, 4]. При этом желание сделать дифракционные эффекты максимально заметными и легко объяснимыми приводит к тому, что в подавляющем числе случаев в этих опытах наблюдаются типичные картины либо дифракции Френеля, либо дифракции Фраунгофера. Фактически, такие опыты подчеркивают особенности этих случаев
144
П.В. Казарин, Ю.В. Полуштайцев, Н.Ф. Услугин
Рис. 1. Демонстрационная установ
и не указывают на их общность. Связующим звеном в цепочке лекционных опытов в данном случае может служить демонстрация, подобная [5]. В упомянутой установке наличие поперечного сканирования светового пучка фотоприемником позволяет регистрировать распределение интенсивности света, прошедшего узкую щель, а выбор оптической схемы и подбор геометрических размеров делают возможным наблюдение как дифракции Френеля, так и дифракции Фраунгофера, а также различных промежуточных состояний (дифракция на щели при разных расстояниях от препятствия до плоскости наблюдения). Однако сама дифракционная картина при этом студентам не видна.
В центре физических демонстраций Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского для демонстрации явлений дифракции в оптическом диапазоне наряду с классическими опытами разработана и внедрена в учебный процесс компактная установка, позволяющая визуально наблюдать в большой лекционной аудитории наиболее известные (классические) дифракционные опыты. Технические и методические возможности новой демонстрационной установки позволяют, не меняя ничего на демонстрационном столе, наблюдать дифракцию Фраунгофера от узкой щели и на дифракционной решетке; дифракцию Френеля от круглого отверстия и (или) от непрозрачного диска (пятно Араго - Пуассона). Принципиальной особенностью установки является возможность исследовать изменения в дифракционной картине, происходящие при плавном изменении параметров, соответствующих переходу из области дифракции Фраунгофера в область дифракции Френеля (на примере дифракции от щели). Указанные опыты можно демонстрировать в произвольной последовательно-
I по наблюдению дифракции света
сти, при этом время перенастройки от одного опыта к другому минимально и практически не сказывается на темпе лекции.
Экспериментальная часть
Фотография демонстрационной установки приведена на рис. 1.
В качестве источника света в оптической схеме применяется полупроводниковый лазер, генерирующий свет на длине волны 532 нм (зеленая область видимого спектра). Препятствием, на котором дифрагирует свет, может служить либо непрозрачный диск на стеклянной подложке, либо непрозрачный экран с набором отверстий, либо стандартная оптическая щель, ширину которой можно плавно изменять от 0.01 до 0.4 мм. Препятствие устанавливают между двумя линзами. Первая линза (отрицательная) формирует расходящийся лазерный пучок, вторая (положительная, короткофокусная) строит увеличенное изображение дифракционной картины на экране в аудитории. Оптические силы линз, размеры препятствий и расстояния между отдельными элементами подобраны таким образом, чтобы переход от одной дифракционной картины к другой требовал минимальных изменений в оптической схеме.
Очевидно, что наблюдение дифракционной картины становится более информативным, если визуальная картина дополняется соответствующими графиками распределения интенсивности света. Особенно это важно при сравнении дифракционных картин, полученных при различных значениях волнового параметра. Современные матричные фотоприемники позволяют регистрировать распределения интенсивности света в наблюдаемых изображениях. Причем для лекционного эксперимента воз-
Рис. 2. Блок-схема программы для обработки изображений
можно использование и широко распространенных веб-камер [6, 7]. Необходимо только использовать специальные программы, позволяющие в режиме реального времени обрабатывать графическую информацию с камеры и отображать результаты на экране монитора или проектора в виде графиков. В нашем случае в пакете LabView (National Instruments) была написана программа, которая с задаваемым интервалом по времени (Interval) обрабатывает изображение с ПЗС-матрицы камеры, представленное в цифровом формате. Фрагмент упрощенного варианта программы приведён на рис. 2.
Регистрируемое камерой цветное изображение преобразуется в яркостное распределение (Grayscale), затем осуществляется суммирование значений массива по столбцам, нормировка, а результат выводится в виде графика (Graph), представляющего собой распределение интенсивности света, усреднённое по вертикали (поперёк дифракционной картины при вертикальной ориентации щели). В программе предусмотрена возможность задания границ анализируемой области изображения (граница области отображается непосредственно на мониторе на изображении в окне ImgS).
Веб-камера располагается на штативе перед экраном на таком расстоянии (см. рис. 1), чтобы получающиеся изображения дифракционной картины занимали большую часть кадра.
Результаты и обсуждение
Один из возможных вариантов использования установки на лекции заключается в следующем. Сначала демонстрируются классические опыты: дифракция на круглом отверстии и на непрозрачном диске (пятно Араго -Пуассона); затем дифракция на щели. Наиболее
полезно для обучающихся наблюдать, как при уменьшении ширины щели происходит плавный переход от «почти геометрической тени» к типичной картине дифракции Френеля, а затем и к дифракции Фраунгофера (рис. 3).
На рис. 3 приведены скриншоты с экрана монитора, показывающие несколько последовательно полученных распределений интенсивности света. Верхний полукадр скриншота показывает само дифракционное изображение, зарегистрированное веб-камерой. График расположен в нижнем полукадре. Наличие графика распределения интенсивности света позволяет акцентировать внимание студентов на деталях, которые при обычном визуальном наблюдении дифракции остаются «за кадром».
На рис. 3-1 - 3-4 приведен ряд дифракционных картин, полученных при последовательном уменьшении ширины щели. Мы можем теперь не ограничиваться только обсуждением характерного для дифракции Френеля чередования светлых и темных полос, но обратиться и к рассмотрению относительных величин интенсив-ностей света в максимумах и минимумах. Рисунок 3-5 представляет собой важную физическую и методическую задачу, поскольку при визуальном наблюдении его обычно истолковывают как дифракцию в области Фраунгофера, однако из графика распределения интенсивности света видно, что боковые максимумы примерно в два раза выше, чем должны быть при дифракции Фраунгофера. Типичные картины дифракции Фраунгофера от щели приведены на рис. 3-6, 3-7. Можно обратить внимание аудитории на то, что в этом случае при уменьшении ширины щели размер дифракционного пятна увеличивается, а отношение величин главного максимума и боковых остается неизменным. В конце показа можно продемонстрировать ре-
146
П.В. Казарин, Ю.В. Полуштайцев, Н. Ф. Услугин
3-5 3-6 3-7 3-8
Рис. 3. Изображения распределений интенсивности света в дифракционных картинах
зультат прохождения света через дифракционную решетку (рис. 3-8).
Последовательность опытов, естественно, можно менять в зависимости от требований лектора. При необходимости можно легко вернуться к ключевым моментам, что позволяет, в частности, организовать собственную деятельность студентов на основе результатов эксперимента.
Заключение
Компактная демонстрационная установка позволяет с минимальной перенастройкой оптической схемы показывать на лекции единую последовательность опытов по дифракции света на различных объектах и при различных значениях волнового параметра. Сопровождение визуального наблюдения построением графиков распределения интенсивности света дает возможность демонстрировать студентам как основные количественные соотношения в дифракционной картине, так и плавный переход от дифракции Френеля к дифракции Фраунгофера.
Список литературы
1. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Физмат-лит, 2008. 656 с.
2. Лекционные демонстрации по физике / Под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1972. 640 с.
3. Гребенев И.В., Казарин П.В. Раскрытие научного содержания изучаемого материала на основе лекционного физического эксперимента // Международный сборник научных статей. Физика в школе и вузе: Актуальные проблемы обучения физике в средней и высшей школе. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. С. 15-18.
4. Перкальскис Б.Ш. Волновые явления и демонстрации по курсу физики. Томск: ТГУ, 1984. 280 с.
5. Егоров Г.С., Менсов С.Н. Перестраиваемая демонстрационная установка по дифракции света // Сборник научно-методических статей по физике. М.: Высшая школа, 1979. Вып. 7. С. 72-74.
6. Ханнанов Н.К., Хоменко С.В., Сазонов М.М., Поваляев О.А. Использование вэб-камеры для повышения наглядности демонстрационного эксперимента по физике // Физическое образование в вузах. 2011. Т. 17. № 1. С. 59-67.
7. Майер В.В., Данилов О.Е. Исследование волновых полей методом компьютерного сканирования // Учебная физика. 2005. № 1. С. 153.
LECTURE DEMONSTRATION EXPERIMENTS ON DIFFRACTION OF LIGHT IN THE SYSTEM OF UNIVERSITY PHYSICAL EDUCATION
P. V. Kazarin1, Yu. V. Polushtaytsev2, N.F. Uslugin1
'Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, 2Razuvaev Institute of Organometallic Chemistry of RAS
This paper describes the application of a universal setup developed by the authors for observing diffraction of light in the general physics course at the classical university. We show the methodological approach proposed by the authors that integrates demonstration experiments into thematically connected chains. The approach, on the one hand, allows the teachers to save the time required to demonstrate lecture experiments, and on the other hand, helps the students to develop a correct perception of the course material. In particular, when studying the diffraction of light in the course of general physics, Fresnel diffraction smoothly transits to Fraunhofer diffraction in the same lecture experiment, thereby emphasizing the general nature of all diffraction phenomena. The functionality of the setup allows the lecturer to observe not only the visual diffraction patterns, but also the respective light intensity distribution diagrams, thus significantly increasing the methodological effectiveness of lecture demonstrations and providing visual support for subsequent complex analytical calculations.
Keywords: lecture demonstrations in physics, teaching physics at universities, diffraction of light.
