Optiikka

Yksiraodiffraktio

Yksi rako levittää valon laajaksi keskimmäiseksi maksimiksi himmeämmillä sivuintervaloilla; ensimmäinen tumma kaista on kohdassa a·sinθ = λ.

Yksiraodiffraktio – interaktiivinen Optiikka-simulaatio. Yksi rako levittää valon laajaksi keskimmäiseksi maksimiksi himmeämmillä sivuintervaloilla; ensimmäinen tumma kaista on kohdassa a·sinθ = λ. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Yksiraodiffraktio

Yksi rako levittää valon laajaksi keskimmäiseksi maksimiksi himmeämmillä sivuintervaloilla; ensimmäinen tumma kaista on kohdassa a·sinθ = λ.

Yksittäinen aukko diffraktoi valon sinc-muotoiseksi kuvioksi. Ensimmäinen tumma kaista tapahtuu, kun a sin θ = λ, asettaen keskimmäisen intervalon kulmaleveyden. Kapeammat raot leventävät kuviota – optisen erotuskyvyn raja ja diffraktiohilojen perusta.

• a sin θ = mλ
• Laaja keskimmäinen maksimi

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

YKSI kapean raon läpi kulkeva valo levittäytyy myös kuvioksi näytöllä (diffraktio), kirkkalla keskikaistalla ja hämeämmillä sivukaistoilla. Levittääkö leveämpi rako tämän diffraktiokuvion enemmän vai vähemmän kuin kapeampi rako?

Punniteltavat ennusteet

• Vähemmän – leveämpi rako tuottaa kapeamman, tiiviimmin rajatun diffraktiokuvion.
• Leveämpi rako levittää kuviota enemmän.
• Raon leveys ei vaikuta diffraktiokuvion levittäytymiseen.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Raon leveys a (µm)

Mitä mittaat:

• Ensimmäisen minimin paikka y (mm)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa yksittäinen rako -esiasetus ja paina Nollaa. Valon aallonpituus on 550 nm; näyttö istuu 100 cm:n päässä raosta.
2. Ota käyttöön ensimmäisen minimin paikan lukema.
3. Aseta raon leveys jokaiselle suoritukselle ja kirjaa ensimmäisen tumman kaistan (minimin) paikka.

Hallitseva yhtälö

Yksiraon ensimmäinen diffraktiominimi — a·sinθ = mλ

a-levyinen yksittäinen rako tuottaa ensimmäisen tumman kaistansa (minimin) kulmassa/paikassa y = λL/a näytöllä etäisyydellä L – SAMA kaavamuoto kuin kaksoisraon kaistaväli, mutta määräytynyt raon omasta leveydestä kahden raon välisen erotuksen sijaan.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske y = λL/a arvoilla λ = 550 nm, L = 100 cm (muuntaen yksiköt saadaksesi y:n millimetreinä – tämä on ENSIMMÄISEN tumman kaistan paikka, m = 1). Vertaa taulukkoon.
• Vertaa tämän kaavan muotoa kaksoisrakokaistakaavaan, mutta huomaa, että se käyttää yksittäisen raon LEVEYTTÄ a kahden raon välisen erotuksen sijaan. Selitä, miksi kapeampi yksittäinen rako tuottaa LEVEÄMMÄN keskimmäisen diffraktiokuvion – vastoin intuitiota, mutta johdonmukaisesti saman 1/leveys-skaalauksen kanssa.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Tämä sama fysiikka (kapeammat aukot diffraktoivat valoa enemmän) asettaa perustavan rajan sille, kuinka terävästi mikä tahansa linssi tai kaukoputki voi tarkentaa tai ratkaista hienoja yksityiskohtia – diffraktioraja. Selitä, miksi suurempi kaukoputken aukko (kuten kaksoisraon leveämpi väli) antaa terävemmän erotuskyvyn, ei sumuisemman.
• Yksittäisen raon diffraktiokuviossa on yksi keskellä oleva kirkas kaista yhä hämeämmillä sivukaistoilla; kaksoisraon interferenssikuviossa on monta lähekkäin välitettyä yhtä kirkasta kaistaa, kaikki ratsastaen laajemman yksiraodiffraktiokuoren sisällä. Selitä, miksi todellinen kaksoisrakokoe (nollasta poikkeavan levyisillä raonilla) näyttää oikeasti MOLEMMAT vaikutukset yhdistettyinä.

• AP Physics 2 — Unit 14: Waves, Sound, and Physical Optics
• IB Physics — C.3 Wave phenomena
• General High School Physics — Light & optics
• NGSS High School Physics — Wave properties

1. Tervetuloa yksittäiseen rakoon
2. Valitse rako
3. Paina Toista
4. Laaja keskimmäinen maksimi
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Interferenssi ja diffraktio