RU207310U1

RU207310U1 - A device for studying the phenomenon of light interference in a thin film

Info

Publication number: RU207310U1
Application number: RU2021117303U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Владимировна Куренева; Алексей Николаевич Темников
Original assignee: Татьяна Владимировна Куренева; Алексей Николаевич Темников
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Полезная модель предоставляет возможность контроля над процессами возникновения и изменения воспроизводимой стационарной интерференционной картины при отражении естественного света от прозрачной бесцветной пленки, при ее растяжении с помощью сжатого воздуха. Прибор представляет собой трубку с поршнем, соединенным со штоком, позволяющим контролируемо перемещать поршень внутри трубки от одного ее конца до другого, герметично закрытого эластичной пленкой, применяющейся для упаковки пищевых продуктов (пищевой пленкой). Прибор предназначен, в первую очередь, для фронтальной работы учащихся, так как возникающая интерференционная картина одинакова у всех учащихся, ее вид согласуется с предсказаниями теории интерференции, что дает возможность коллективного обсуждения наблюдаемого явления. Конструкция прибора проста и доступна для повторения учащимися (в качестве основы прибора может быть использован пластиковый медицинский шприц).The utility model provides the ability to control the processes of occurrence and change of a reproducible stationary interference pattern when natural light is reflected from a transparent colorless film, when it is stretched using compressed air. The device is a tube with a piston connected to a rod, allowing controlled movement of the piston inside the tube from one end to the other, hermetically sealed with an elastic film used for food packaging (cling film). The device is intended, first of all, for frontal work of students, since the resulting interference pattern is the same for all students, its form is consistent with the predictions of the theory of interference, which makes it possible to collectively discuss the observed phenomenon. The design of the device is simple and available for repetition by students (a plastic medical syringe can be used as the basis of the device).

Description

Прибор предназначен, в первую очередь, для аудиторной фронтальной работы учащихся, он может быть использован для лекционных демонстраций и в ходе самостоятельной исследовательской деятельности учащихся при изучении интерференции света в тонкой пленке.The device is intended primarily for classroom frontal work of students, it can be used for lecture demonstrations and in the course of independent research activities of students in the study of light interference in a thin film.

Учебный прибор должен удовлетворять комплексу требований. Он должен быть безопасным, иметь простую конструкцию, принцип действия которой должен быть понятен учащимся, он должен обеспечивать контроль над изучаемым процессом, его воспроизводимость и возможность фиксации его в различных стационарных состояниях для поэтапного коллективного обсуждения.The training device must meet a set of requirements. It must be safe, have a simple design, the principle of operation of which must be understandable to students, it must provide control over the process under study, its reproducibility and the ability to fix it in various stationary states for a step-by-step collective discussion.

Простейшим и общеизвестным аналогом и одновременно прототипом предлагаемого прибора можно считать соломинку для выдувания мыльных пузырей (Заметим, что словом «соломинка» называют не только полый стебель злакового растения, но и трубочку для питья различных напитков - в данном случае это не важно, так как обе они могут быть использованы для выдувания мыльных пузырей). С технической точки зрения соломинка представляет собой полую трубку. Отверстия на концах трубки можно назвать входным и выходным. Во входное отверстие подают сжатый воздух, как правило, выдыхаемый человеком. Выходное отверстие при этом герметично закрывают слоем мыльной воды (раствора мыла в воде), удерживаемой внутри соломинки капиллярными силами. Первоначальная толщина слоя мыльной воды превышает длину когерентности света, излучаемого как естественными, так и искусственными некогерентными источниками со сплошным спектром (солнце, электрическая лампа накаливания), поэтому слой мыльной воды является бесцветным (при отсутствии в мыле красителей). Мыльная вода, благодаря действию поверхностно-активных веществ, является эластичным материалом. Под давлением сжатого воздуха слой мыльной воды растягивается и превращается в мыльный пузырь, размер которого увеличивается по мере увеличения объема давления воздуха, толщина стенок пузыря уменьшается и становится сравнимой с длиной волны видимого света, что приводит к появлению радужного узора на поверхности мыльного пузыря. Этот узор является самым известным примером интерференционной картины в тонкой пленке. Существующая волновая теория интерференции объясняет особенности этой картины и устанавливает связь между цветом отдельных участков мыльной пленки с их толщиной.The simplest and well-known analogue and at the same time the prototype of the proposed device can be considered a straw for blowing soap bubbles (Note that the word "straw" refers not only to the hollow stem of a cereal plant, but also to a tube for drinking various drinks - in this case, this is not important, since both they can be used to blow soap bubbles). Technically, a straw is a hollow tube. The holes at the ends of the tube can be called inlet and outlet. The inlet is supplied with compressed air, usually exhaled by a person. In this case, the outlet is hermetically closed with a layer of soapy water (a solution of soap in water) held inside the straw by capillary forces. The initial thickness of the soapy water layer exceeds the coherence length of light emitted by both natural and artificial incoherent sources with a continuous spectrum (the sun, an electric incandescent lamp); therefore, the soapy water layer is colorless (in the absence of dyes in the soap). Soapy water, due to the action of surfactants, is an elastic material. Under the pressure of compressed air, the layer of soapy water expands and turns into a soap bubble, the size of which increases as the volume of air pressure increases, the thickness of the bubble walls decreases and becomes comparable to the wavelength of visible light, which leads to the appearance of a rainbow pattern on the surface of the soap bubble. This pattern is the most famous example of a thin film interference pattern. The existing wave theory of interference explains the features of this picture and establishes a relationship between the color of individual sections of the soap film with their thickness.

Недостатками аналога-прототипа являются нестационарность интерференционной картины, невозможность контроля над процессом ее изменения и ее невоспроизводимость. Положение, форма и окраска отдельных радужных пятен интерференционной картины на мыльном пузыре непредсказуемым образом меняются со временем. Это является результатом действия множества факторов - силы тяжести, силы поверхностного натяжения, конвективных потоков, испарения и др. В то же время у самого экспериментатора нет возможности целенаправленно влиять на вид интерференционной картины и ее окраску. Разный вид интерференционной картины у разных учащихся и ее подвижность затрудняет анализ явления интерференции при фронтальной работе всего класса. Отсутствие возможности контролировать вид интерференционной картины ограничивает исследовательский потенциал прибора. Необходимость использования жидкости (мыльного раствора) усложняет проведение эксперимента. Кроме того, мыльная пленка - непрочный материал, мыльный пузырь при прошествии некоторого времени неизбежно лопается.The disadvantages of the prototype analog are the nonstationarity of the interference pattern, the impossibility of controlling the process of its change and its irreproducibility. The position, shape and color of individual iridescent spots of the interference pattern on a soap bubble change unpredictably over time. This is the result of the action of many factors - gravity, surface tension, convective flows, evaporation, etc. At the same time, the experimenter himself does not have the ability to purposefully influence the type of interference pattern and its color. Different types of interference patterns in different students and its mobility make it difficult to analyze the phenomenon of interference during frontal work of the entire class. The inability to control the type of interference pattern limits the research potential of the device. The need to use a liquid (soap solution) complicates the experiment. In addition, soap film is a fragile material, a soap bubble inevitably bursts after some time.

Стационарную интерференционную картину можно наблюдать на поверхности тонкой полиэтиленовой пленки, используемой для упаковки пищевых продуктов (пищевой пленки), натянутой на твердый предмет, например, на кружку (https://elementy.ru/nauchno-populyamaya_biblioteka/433132/Interferentsiya_v_domashnikh_usloviyakh_Plyonki_i_antiplyonki). Если осветить такую пленку дешевой энергосберегающей лампой, то в отраженном свете можно увидеть интерференционную картину. Пищевая пленка обладает достаточной прочностью, что гарантирует стационарность интерференционной картины. Однако на разных образцах пленки и на разных участках одного образца пленки форма и окраска интерференционных картин разная, не зависящая от желания экспериментатора. Как и в случае с мыльным пузырем, у экспериментатора отсутствует возможность контроля над процессом появления интерференционной картины и ее направленного изменения. Не выполняется также и требование воспроизводимости результатов эксперимента. Кроме того, существенным недостатком в данном случае является необходимость использования специального источника света, спектр излучения которого состоит из нескольких цветных полос. При освещении светом солнца или лампы накаливания такая пленка дает просто белый блик, что объясняется сплошным спектром и малой длиной когерентности теплового излучения.A stationary interference pattern can be observed on the surface of a thin plastic film used for food packaging (cling film) stretched over a solid object, for example, a mug (https://elementy.ru/nauchno-populyamaya_biblioteka/433132/Interferentsiya_v_domashnikhlyonusloviyi_ If you illuminate such a film with a cheap energy-saving lamp, you can see an interference pattern in the reflected light. The cling film has sufficient strength, which guarantees the stationarity of the interference pattern. However, on different samples of the film and in different areas of the same sample of the film, the shape and color of the interference patterns are different, independent of the experimenter's desire. As in the case of the soap bubble, the experimenter does not have the ability to control the process of the appearance of the interference pattern and its directional change. The requirement of reproducibility of the experimental results is also not fulfilled. In addition, a significant drawback in this case is the need to use a special light source, the radiation spectrum of which consists of several colored stripes. When illuminated by the light of the sun or an incandescent lamp, such a film gives just a white flare, which is explained by the continuous spectrum and the short coherence length of thermal radiation.

Необходимость использования специального источника света усложняет проведение эксперимента и противоречит требованиям безопасности. Использование дешевых энергосберегающих ламп (люминесцентных или светодиодных ламп первого поколения) с прерывистым спектром излучения в детских учреждениях не рекомендуется специалистами в области офтальмологии, физиологии и охраны труда. Тем более, нежелательно использование таких источников излучения в ходе самостоятельной исследовательской деятельности учащихся.The need to use a special light source complicates the experiment and contradicts safety requirements. The use of cheap energy-saving lamps (first generation fluorescent or LED lamps) with an intermittent radiation spectrum in child care facilities is not recommended by specialists in the field of ophthalmology, physiology and labor protection. Moreover, it is undesirable to use such radiation sources in the course of students' independent research activities.

Для того чтобы наблюдать интерференционную картину в пищевой пленке при отражении от нее безопасного для учащихся естественного света (света солнца или рассеянного дневного света) необходимо уменьшить толщину пленки, чтобы она стала сравнимой с длиной волны видимого света.In order to observe the interference pattern in cling film when reflecting from it natural light that is safe for students (light from the sun or scattered daylight), it is necessary to reduce the thickness of the film so that it becomes comparable to the wavelength of visible light.

Это можно сделать, как и в случае с мыльным пузырем, растягивая пищевую пленку с помощью сжатого воздуха.This can be done, as with a soap bubble, by stretching the cling film with compressed air.

Для достижения необходимой степени растяжения пищевой пленки недостаточно избыточного давления воздуха, которое может создать человек, выдыхая воздух в трубку, однако, такое давление можно создать, сжимая воздух с помощью насоса. Для учебных целей наиболее рационально использовать простейший механический ручной насос, конструкция которого общеизвестна - это трубка с поршнем, соединенным со штоком, с помощью которого поршень можно перемещать внутри трубки.To achieve the required degree of stretching of the cling film, the excess air pressure that a person can create by exhaling air into the tube is not enough, however, such pressure can be created by compressing the air with a pump. For educational purposes, it is most rational to use the simplest mechanical hand pump, the design of which is well known - it is a tube with a piston connected to a rod, with which the piston can be moved inside the tube.

Таким образом, мы приходим к следующей конструкции прибора для изучения явления интерференции естественного света в тонкой пленке: трубка с поршнем, соединенным со штоком, обеспечивающим возможность контролируемого перемещения поршня внутри трубки от одного ее конца (входного) до другого (выходного), герметично закрытого эластичной пищевой пленкой. С помощью такого прибора экспериментатор получает возможность контролируемого изменения толщины пищевой пленки, а значит, и вида возникающей интерференционной картины.Thus, we come to the following design of the device for studying the phenomenon of interference of natural light in a thin film: a tube with a piston connected to a rod, which provides the possibility of controlled movement of the piston inside the tube from one end (inlet) to the other (outlet), hermetically sealed by elastic cling film. With the help of such a device, the experimenter gets the opportunity to controllably change the thickness of the cling film, and hence the type of the resulting interference pattern.

В качестве ручного насоса мы использовали пластиковый медицинский шприц - после его небольшой доработки. Этот выбор обусловлен широкой доступностью, высоким качеством и надежностью отработанной годами конструкции шприца, а также его низкой ценой.We used a plastic medical syringe as a hand pump - after a little modification. This choice is due to the wide availability, high quality and reliability of the syringe design worked out over the years, as well as its low price.

Пищевая пленка представляет собой листовой материал, поэтому в данном случае выходное отверстие шприца необходимо герметично закрыть плоской пленкой. Ситуация аналогична ситуации с соломинкой, выходной конец которой герметично закрыт слоем мыльной воды. Для закрепления плоской пленки часть шприца с конусом для насадки иглы удаляли, контролируя при этом отсутствие острых углов и заусенцев, способных прорезать пленку. Таким образом, шприц приобретает нужную форму трубки с диаметром выходного отверстия равным внутреннему диаметру шприца. При этом по краям выходного отверстия образуется ровная кольцевая площадка с внешним диаметром равным внешнему диаметру шприца. На эту площадку накладывали кусочек пищевой пленки, размер которого превышает внешний диаметр шприца, и концы пленки закрепляли на корпусе шприца, наматывая 15-20 витков швейной нити так, чтобы каждый последующий виток фиксировал предыдущие витки. Нить наматывали с натяжением, чтобы обеспечить необходимую герметичность соединения, при этом следили за тем, чтобы каждый последующий виток фиксировал предыдущие - в этом случае после намотки нити узелок можно не завязывать, что позволяло оперативно заменять кусочки пищевой пленки для повторения эксперимента.The cling film is a sheet material, therefore, in this case, the outlet of the syringe must be sealed with a flat film. The situation is similar to the situation with a straw, the outlet end of which is hermetically sealed with a layer of soapy water. To fix the flat film, a part of the syringe with a cone for the needle attachment was removed, while controlling the absence of sharp corners and burrs that could cut through the film. Thus, the syringe acquires the desired tube shape with an outlet diameter equal to the inner diameter of the syringe. In this case, a flat annular area with an outer diameter equal to the outer diameter of the syringe is formed along the edges of the outlet. A piece of cling film, the size of which exceeds the outer diameter of the syringe, was placed on this platform, and the ends of the film were fixed on the syringe body, winding 15-20 turns of sewing thread so that each subsequent turn fixed the previous turns. The thread was wound with tension to ensure the necessary tightness of the connection, while making sure that each subsequent turn fixed the previous ones - in this case, after winding the thread, the knot could not be tied, which made it possible to quickly replace pieces of cling film to repeat the experiment.

Для проверки работы прибора были осуществлены следующие действия:To check the operation of the device, the following steps were taken:

Выходное отверстие шприца закрывали пленкой, как описано выше, когда поршень находился около входного конца шприца, затем медленно передвигали поршень от входного конца шприца к его выходному концу. Давление сжатого воздуха в шприце росло, пищевая пленка растягивалась, и образовывался пузырь из пленки, диаметр которого увеличивался по мере движения поршня, при этом толщина стенок пузыря становилась сравнимой с длиной волны видимого света и на нем появлялась цветная интерференционная картина. Фиксируя взгляд на определенном участке пленки, можно было наблюдать, как по мере движения поршня цвет этого участка изменяется от красного до фиолетового, при остановке поршня интерференционная картина остается неизменной в течение длительного времени. Таким образом, экспериментатор получает возможность контролировать процесс возникновения и изменения интерференционной картин на поверхности пищевой пленки и фиксировать ее в различных стационарных состояниях по своему желанию.The outlet of the syringe was closed with a film, as described above, with the plunger near the inlet end of the syringe, then slowly moving the plunger from the inlet end of the syringe to its outlet end. The compressed air pressure in the syringe increased, the cling film stretched, and a film bubble was formed, the diameter of which increased as the piston moved, while the bubble wall thickness became comparable to the wavelength of visible light and a colored interference pattern appeared on it. Fixing the gaze on a certain area of the film, it was possible to observe how, as the piston moved, the color of this area changed from red to violet; when the piston stopped, the interference pattern remained unchanged for a long time. Thus, the experimenter gets the opportunity to control the process of the appearance and change of interference patterns on the surface of the cling film and fix it in various stationary states at will.

На приведенной фотографии, сделанной при естественном дневном освещении, хорошо видны параллельные чередующиеся цветные интерференционные полосы (Отметим, что нерастянутые концы пленки при таком освещении остаются бесцветными). Анализируя чередование цветов интерференционных полос, можно сделать заключение о зависимости цвета интерференционной полосы от толщины пленки, которая уменьшается от основания пузыря к его вершине, а также о справедливости известной теоретической формулы - условия максимума интерференции для оптической разности хода, выполнение которого зависит как от толщины пленки, так и от длины волны.In the above photograph, taken in natural daylight, parallel alternating colored interference fringes are clearly visible (Note that the unstretched ends of the film remain colorless under this lighting). Analyzing the alternation of the colors of the interference fringes, one can draw a conclusion about the dependence of the color of the interference fringe on the film thickness, which decreases from the base of the bubble to its top, as well as the validity of the well-known theoretical formula - the conditions for the maximum interference for the optical path difference, the fulfillment of which depends both on the film thickness , and on the wavelength.

Описываемый прибор обеспечивать воспроизводимость результатов эксперимента. При повторении описанных действий разными учащимися все они получают одинаковый результат - интерференционную картину одного типа с одинаковым чередованием параллельных интерференционных полос. Это особенно важно для фронтальной работы в классе, так как дает возможность коллективного обсуждения наблюдаемых явлений.The described device provides reproducibility of experimental results. When the described actions are repeated by different students, they all get the same result - an interference pattern of the same type with the same alternation of parallel interference fringes. This is especially important for frontal classroom work, as it provides an opportunity for collective discussion of the observed phenomena.

Таким образом, предлагаемая полезная модель, обеспечивает контроль над процессами возникновения и изменения интерференционной картины, дает возможность фиксации ее в различных стационарных состояниях и обеспечивает воспроизводимость наблюдаемых явлений при повторении эксперимента.Thus, the proposed useful model provides control over the processes of occurrence and change of the interference pattern, makes it possible to fix it in various stationary states and ensures the reproducibility of the observed phenomena when the experiment is repeated.

Отметим также, что полезная модель удовлетворяет требованиям безопасности и имеет простую конструкцию, принцип действия которой понятен учащимся.We also note that the utility model meets the safety requirements and has a simple design, the principle of which is clear to students.

Claims

A device for studying the phenomenon of light interference in a thin film, which is a tube with a piston connected to a rod, which provides the possibility of controlled movement of the piston inside the tube from one end to the other, hermetically sealed with an elastic material, characterized in that a film is used as an elastic material for food packaging (cling film).