RU2077073C1

RU2077073C1 - Training device for optics

Info

Publication number: RU2077073C1
Application number: RU95102165A
Authority: RU
Inventors: Яков Ефимович Амстиславский
Original assignee: Яков Ефимович Амстиславский
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 1997-04-10
Also published as: RU95102165A

Abstract

FIELD: training process, physical laboratories. SUBSTANCE: fast diffraction pattern similar to diffraction pattern in parallel rays of singular round hole in opaque screen can be produced in training device by means of mass object of diffraction and used to study dynamics and measure length of light wave. Novelty of proposed training device lies in that it has measurement system for high-accuracy measurement of radii of rings of diffraction pattern which are observed during examination of small filament lamp through glass plate dusted with special substance. Sought-for value is measured with the aid of movable glowing marker-indicator which position is fixed on micrometric scale. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение представляет собой дешевый портативный дифракционный прибор с самодельной легко приготовляемой дифракционной структурой, предназначенный для получения дифракционной картины, аналогичной картине дифракции в параллельных лучах от круглого отверстия в непрозрачном экране, изучения количественных соотношений, характеризующих явление, и использования этой картины для измерения длины световой волны. The invention is a cheap portable diffraction device with a home-made easily prepared diffraction structure, intended to obtain a diffraction pattern similar to the diffraction pattern in parallel rays from a round hole in an opaque screen, to study the quantitative ratios characterizing the phenomenon, and to use this picture to measure the light wavelength.

Отметим сразу два обстоятельства. We note two circumstances at once.

1. Наблюдение дифракционной картины такого рода и изучение количественных соотношений, характеризующих явление, имеет важное значение в дидактическом плане, поскольку рассмотрение этого явления лежит в основе теории целого класса оптических приборов, в частности в основе теории телескопа. 1. The observation of such a diffraction pattern and the study of the quantitative relations characterizing the phenomenon is important in the didactic sense, since the consideration of this phenomenon underlies the theory of a whole class of optical devices, in particular, the theory of the telescope.

2. В силу ряда трудностей учебные приборы, позволяющие решать указанные задачи, не разработаны и в учетной практике отсутствуют. 2. Due to a number of difficulties, training devices that allow solving these problems are not developed and are absent in accounting practice.

К числу трудностей следует отнести громоздкость устройства, которое должно включать коллиматор с ярко освещенным малым (диаметром в несколько десятых долей мм) входным отверстием в качестве точечного источника света, удовлетворяющего условию когерентности, непрозрачный экран с малым отверстием в качестве объекта дифракции и зрительную трубу для наблюдения дифракционной картины. При этом диаметр d отверстия в объекте дифракции должен быть достаточно малым, например также составлять несколько десятых долей мм. Только при таких значениях d освещение в пределах отверстия имеет высокую степень взаимной когерентности, а размеры дифракционной картины оказываются достаточными для выполнения надежных измерений. Но в этом случае освещенность картины оказывается слишком малой. Увеличение диаметра d приводит к резкому увеличению освещенности картины, но при этом резко уменьшаются ее размеры, что ухудшает условия измерений. Теория дифракции в параллельных лучах от одиночного круглого отверстия в непрозрачном экране (см. например, книги: [1] Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М. Наука, 1973, 8.5.2; [2] Ландсберг Г.С. Оптика. М. Наука, 1976, 42; [3] Поль Р.В. Оптика и атомная физика. М. Наука, 1966, 44; [4] Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М. Наука, 1980, 28, 45; [5] Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. Электричество и магнетизм Волны Оптика. М. Наука, 1978, 120, 132; [6] Дитчберн Р. Физическая оптика. М. Наука, 6.41), приводит к выводу о невозможности получения дифракционной картины, которая была бы одновременно и протяженной и яркой, т. е. оказалась удобной для проведения наблюдений и выполнения измерений. Существенного улучшения условий наблюдения дифракционной картины такого рода можно, однако, добиться, заменив одиночное отверстие в непрозрачном экране массовым объектом, содержащем множество одинаковых очень малых и близких отверстий, хаотически распределенных по поверхности непрозрачного экрана (см. книгу [3] 61, с. 149-150). Но осуществление подобного объекта дифракции с достаточно малыми отверстиями требует разработки особой технологии и представляет собой сложную техническую задачу. Однако трудности такого рода можно обойти, базируясь на принципе Бабине (О принципе Бабине см. например, книги: [1] c. 351; [3] 60, c. 147-149; [4] 41, c. 280-281; [6] 6.46, c. 168). Для этого достаточно массовый объект дифракции в виде непрозрачного экрана с множеством хаотически распределенных на его поверхности малых и одинаковых отверстий заменить дополнительным объектом дифракции в виде прозрачного экрана с хаотически распределенными на его поверхности непрозрачными дисками или шариками одинакового диаметра. Осуществить такой объект дифракции можно посредством запыления прозрачной стеклянной пластинки порошком, состоящим из спор плауна. Эти споры имеют сферическую форму и отличаются высокой однородностью по диаметру. Такой порошок ликоподий вполне доступен, т. к. он находит применение в медицинских целях и продается в аптеке. Among the difficulties should be attributed to the bulkiness of the device, which should include a collimator with a brightly lit small (several tenths of a millimeter diameter) inlet as a point source of light satisfying the coherence condition, an opaque screen with a small aperture as an diffraction object, and an optical telescope for observation diffraction pattern. In this case, the diameter d of the hole in the diffraction object must be sufficiently small, for example, also amounting to several tenths of a millimeter. Only at such values of d, the illumination within the hole has a high degree of mutual coherence, and the dimensions of the diffraction pattern are sufficient to make reliable measurements. But in this case, the illumination of the picture is too small. An increase in the diameter d leads to a sharp increase in the illumination of the picture, but at the same time its dimensions sharply decrease, which worsens the measurement conditions. The theory of diffraction in parallel rays from a single round hole in an opaque screen (see, for example, the books: [1] Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. M. Nauka, 1973, 8.5.2; [2] Landsberg GS Optics M. Nauka, 1976, 42; [3] Paul RV Optics and atomic physics. M. Nauka, 1966, 44; [4] Sivukhin DV General course in physics. Optics. M. Nauka, 1980, 28, 45; [5] Savelyev IV Course in General Physics, vol. 2. Electricity and Magnetism Waves of Optics, M. Nauka, 1978, 120, 132; [6] Ditchburn R. Physical Optics. M. Nauka, 6.41 ), leads to the conclusion that it is impossible to obtain a diffraction pattern that would be the same It’s both timeless and long and bright, that is, it turned out to be convenient for making observations and taking measurements. However, a significant improvement in the observation conditions of this diffraction pattern can, however, be achieved by replacing a single hole in an opaque screen with a mass object containing many identical very small and close holes randomly distributed over the surface of an opaque screen (see book [3] 61, p. 149 -150). But the implementation of such a diffraction object with sufficiently small holes requires the development of a special technology and is a difficult technical task. However, difficulties of this kind can be circumvented based on the Babin principle (For the Babin principle, see, for example, the books: [1] p. 351; [3] 60, p. 147-149; [4] 41, p. 280-281; [6] 6.46, p. 168). For this, a sufficiently massive diffraction object in the form of an opaque screen with many small and identical holes randomly distributed on its surface is replaced with an additional diffraction object in the form of a transparent screen with opaque disks or balls of the same diameter randomly distributed on its surface. Such an object of diffraction can be realized by dusting a transparent glass plate with a powder consisting of spores of the muzzle. These spores have a spherical shape and are highly uniform in diameter. Such lycopodium powder is quite accessible, because it is used for medical purposes and is sold in a pharmacy.

Известно устройство для получения картины дифракции от круглого отверстия посредством массового объекта такого рода. Схема подобного устройства приведена в книге [3] на с. 150, рис. 164. Устройство состоит из осветителя в виде сильного источника света (угольной дуги) и конденсора с ирисовой диафрагмой, формирующих узкий направленный интенсивный световой пучок, массового объекта дифракции в виде прозрачной стеклянной пластинки, запыленной ликоподием, и экрана наблюдения, удаленного от запыленной пластинки на 5 м. Достоинство устройства состоит в том, что приготовление используемой в нем дифракционной структуры вполне доступно в условиях любого физического кабинета. Кроме того, в устройстве отсутствуют проектирующая оптика, что упрощает установку. Однако существенным недостатком устройства является громоздкость установки, связанная с необходимостью использования сильного источника света и проведения опыта на большом базисе в несколько метров. Отсутствие необходимой для измерительного прибора портативности и полное отсутствие в установке измерительного устройства делает невозможным использование ее как измерительный прибор для определения длины волны или другой физической величины. A device is known for obtaining a diffraction pattern from a circular hole by means of a mass object of this kind. A diagram of such a device is given in the book [3] on p. 150, fig. 164. The device consists of a illuminator in the form of a strong light source (carbon arc) and a condenser with an iris diaphragm, forming a narrow directional intense light beam, a massive diffraction object in the form of a transparent glass plate dusted with lycopodia, and an observation screen remote from the dusty plate by 5 m. The advantage of the device is that the preparation of the diffraction structure used in it is quite accessible in any physical room. In addition, the device lacks projection optics, which simplifies installation. However, a significant drawback of the device is the cumbersome installation associated with the need to use a strong light source and conduct the experiment on a large basis of several meters. The lack of portability necessary for the measuring device and the complete absence of the measuring device in the installation makes it impossible to use it as a measuring device to determine the wavelength or other physical quantity.

В предлагаемом учебном приборе по оптике эти недостатки полностью устранены. Прибор представляет собой простое по конструкции и портативное устройство, позволяющее наблюдать протяженную яркую и контрастную дифракционную картину и производить измерение длины световой волны (при заданном или измеренном диаметре зерен ликоподия) или определять диаметр шариков ликоподия (при известной длине световой волны) с удовлетворительной для учебного прибора точностью до третьей значащей цифры. In the proposed training instrument in optics, these shortcomings are completely eliminated. The device is a simple in design and portable device that allows you to observe an extended bright and contrasting diffraction pattern and measure the light wavelength (for a given or measured diameter of lycopodia grains) or to determine the diameter of lycopodia balls (for a known light wavelength) with a satisfactory value for the training device Accuracy to the third significant digit.

Рассмотрим теоретические и практические основы предлагаемого прибора. Используемый в приборе способ наблюдения дифракционной картины заключается в непосредственном рассматривании глазом наблюдателя малого источника света через полупрозрачную запыленную ликоподием стеклянную пластинку. Дифракционная картина наблюдается в плоскости источника света на фоне этого источника и имеет достаточно большие угловые размеры и достаточно большую освещенность. Используемая в качестве точечного источника света маленькая лампочка накаливания обеспечивает достаточно высокую степень пространственной когерентности освещающего пучка и возможность получения контрастной картины. С целью выполнения измерений в прибор введена измерительная система для определения радиусов дифракционных колец разных порядков и разработана методика, позволяющая на базе этих измерений определить длину световой волны используемого излучения. Consider the theoretical and practical foundations of the proposed device. The method for observing the diffraction pattern used in the device consists in directly observing the observer with the eye of a small light source through a translucent glass plate dusty with lycopodium. The diffraction pattern is observed in the plane of the light source against the background of this source and has a sufficiently large angular size and a sufficiently large illumination. A small incandescent bulb used as a point source of light provides a sufficiently high degree of spatial coherence of the illuminating beam and the possibility of obtaining a contrast picture. In order to perform measurements, a measuring system was introduced into the device to determine the radii of diffraction rings of different orders and a technique was developed that allows one to determine the light wavelength of the radiation used on the basis of these measurements.

На фиг. представлена конструкция предлагаемого учебного прибора по оптике; на фиг.2 детализируемая оптическая схема прибора. In FIG. the design of the proposed training device in optics is presented; figure 2 detailed optical diagram of the device.

Прибор состоит из источника света малых размеров 6, измерительного устройства, включающего подвижную микрометрическую шкалу 3 и скрепленную с ней метку-указатель 5, которые можно плавно перемещать относительно источника 6, воздействуя на головку 4 винта основного перемещения измерительной системы и отсчитывая положение метки-указателя 5 и ее перемещение по неподвижному нониусу 2 с точностью 0,1 мм, светофильтра 7, закрепленного в откидной оправе на подставке 8, дифракционной структуры в виде запыленной ликоподием стеклянной пластинки 15 в держателе 14. Базисное расстояние между дифракционной стpуктурой 15 и источником света 6 можно изменять посредством раздвижного штатива, состоящего из массивного основания 1, в которое ввинчен стержень-стойка 9. По стержню 9 может перемещаться трубка 10, к которой крепится откидной держатель 14 запыленной пластинки 15. К трубке 10 прикреплена проволочная стрелка-указатель 12, которая при выдвижении трубки 10 перемещается по миллиметровой шкале 13, закрепленной на основании 1 рядом со стержнем-стойкой 9. Начало отсчета шкалы 13 смещено так, что указатель 12 дает непосредственно величину базисного расстояния L между точечным источником света 6 и дифракционной структурой, нанесенной на нижнюю поверхность пластинки 15. The device consists of a small light source 6, a measuring device, including a movable micrometer scale 3 and a pointer mark 5 attached to it, which can be smoothly moved relative to the source 6, acting on the head 4 of the screw of the main movement of the measuring system and counting the position of the pointer mark 5 and its movement along the fixed vernier 2 with an accuracy of 0.1 mm, the filter 7 mounted in a hinged frame on the stand 8, diffraction structure in the form of a glass plate 15 dusted with lycopodium in cantilever 14. The base distance between the diffraction structure 15 and the light source 6 can be changed by means of a sliding tripod consisting of a massive base 1 into which the stand-rod 9 is screwed. A tube 10 can be moved along the rod 9, to which the hinged holder 14 of the dusty plate 15 is attached A wire arrow-pointer 12 is attached to the tube 10, which, when the tube 10 is pulled out, moves along a millimeter scale 13 fixed to the base 1 next to the stand-rod 9. The origin of the scale 13 is offset so that the pointer 1 2 gives directly the magnitude of the base distance L between the point light source 6 and the diffraction structure deposited on the lower surface of the plate 15.

Рассмотрим элементы учебного прибора по оптике более подробно. Стандартное основание штатива 1, гладкое на поверхности и ребристое изнутри, сделано из мягкого металла и имеет следующие размеры: 170 х 210 х 20 мм³. Источником света 6 служит лампочка от карманного фонарика на 3,5 В 0,26 А, которая посредством изолирующей прокладки встроена в отверстие диаметром 10 мм в центральной части основания 1 и углублена в это отверстие в такой степени, что нить лампочки возвышается на 10 мм, а верхняя часть колбочки на 13 мм относительно верхней поверхности основания 1. Лампочка 6 питается от плоской батарейки на 4,5 В, которая вместе с кнопочным выключателем закреплена на основании 1, при этом предусмотрена возможность коммутации питания на низковольтный источник переменного напряжения. Микрометрическое устройство для точного определения радиусов дифракционных колец представляет собой стандартный препаратоводитель СТ-12У4.2 (на фиг. 1 это нониус 2, подвижная шкала 3 и головка двигающего винта 4), обеспечивающий возможность плавного регулируемого и измеряемого перемещения метки-указателя 5 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для закрепления микрометрического устройства на основании 1 поступают следующим образом. Вдоль прямой, отстоящей от переднего края основания 1 на 50 мм (назовем направление, задаваемое этой прямой, осью Х), в правой ее части высверливают три отверстия: центральное диаметром 3,3 мм, которое далее нарезают под крепящий винт М4, два гладких диаметром 2,9 мм, расположенных симметрично относительно центрального и удаленных между собой на 35 мм; расстояние центрального отверстия от правого края основания 1 составляет 25 мм. При этом головки винтов, задающих перемещение измерительного устройства в двух взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей Х и Y, выходят за правый край основания 1 соответственно на 60 мм и 45 мм, что обеспечивает удобство манипулирования ими при выполнении измерений. Роль метки-указателя 5 играет обычная швейная игла, которую при помощи шайбочки закрепляют под левый винт шкалы 4 так, чтобы игла 5 располагалась в горизонтальной плоскости перпендикулярно к длине шкалы 4. Игла 5, обладая свойствами выпуклого цилиндрического зеркальца очень малого радиуса кривизны, формирует в непосредственной близости от своей поверхности изображение источника 6 в виде светящейся метки-указателя. Посредством головки 4 винта перемещения шкалы 3 эту метку можно плавно перемещать в поле зрения вдоль оси Х, последовательно совмещая ее с различными местами дифракционной картины, и измерять с точностью до 0,1 мм координаты этих мест по шкале 3. Таким образом, лампочка 6 выполняет две функции: она служит точечным источником света для формирования дифракционной картины и вместе с тем осветителем иглы 5 для формирования светящейся метки-указателя. Степень углубления цоколя лампочки 6 в центральное отверстие в основании 1 такова, что при перемещении шкалы 3 игла 5 проходит над колбочкой лампочки 6, едва касаясь ее поверхности. Это позволяет свободно перемещать метку-указатель 5 в широком диапазоне расстояний вдоль оси Х, переходя от одного края дифракционного кольца картины к противоположному его краю. Для увеличения контрастности картины ее наблюдают на темном фоне. С этой целью центральная часть поверхности основания 1 в виде круга радиусом 60 мм покрыта черной бумагой, а нижняя часть колбочки лампочки 6 заэкранирована кольцом из черной бумаги; диаметр этого колечка 10 мм, его высота 8 мм. Светофильтр 7, закрепленный в откидной оправе на подставке-держателе 8, представляет собой красное стекло размером 50 мм х 50 мм; центр области пропускания этого стекла соответствует длине волны 0,65 мкм. Запыленная пластинка 15, играющая роль дифракционной структуры, представляет собой четвертую часть отмытой от эмульсии фотопластинки 9 см х 12 см и имеет размеры 4,5 см х 6 см.Consider the elements of a training instrument in optics in more detail. The standard tripod base 1, smooth on the surface and ribbed inside, is made of soft metal and has the following dimensions: 170 x 210 x 20 mm ³ . The light source 6 is a lamp from a flashlight of 3.5 V 0.26 A, which is inserted into a hole with a diameter of 10 mm in the central part of the base 1 by means of an insulating strip and is deepened into this hole to such an extent that the thread of the lamp rises by 10 mm, and the upper part of the cone is 13 mm relative to the upper surface of the base 1. The lamp 6 is powered by a 4.5 V flat battery, which, together with a push-button switch, is fixed to the base 1, while it is possible to switch power to a low-voltage AC source nnogo voltage. The micrometric device for the exact determination of the radii of diffraction rings is a standard preparation ST-12U4.2 (in Fig. 1 it is a vernier 2, a movable scale 3, and a head of a moving screw 4), which enables smooth, adjustable and measurable movement of the mark 5 in two mutually perpendicular directions. To fix the micrometric device on the base 1 proceed as follows. Along a straight line, 50 mm from the front edge of the base 1 (let's call the direction given by this straight line, the X axis), three holes are drilled in its right part: a central diameter of 3.3 mm, which is then cut under the M4 fixing screw, two smooth with a diameter 2.9 mm, located symmetrically relative to the central and 35 mm apart; the distance of the Central hole from the right edge of the base 1 is 25 mm In this case, the screw heads that specify the movement of the measuring device in two mutually perpendicular directions along the X and Y axes extend beyond the right edge of the base 1 by 60 mm and 45 mm, respectively, which provides the convenience of manipulating them during measurements. The role of the index pointer 5 is played by a conventional sewing needle, which is secured with a washer under the left screw of the scale 4 so that the needle 5 is located in a horizontal plane perpendicular to the length of the scale 4. Needle 5, having the properties of a convex cylindrical mirror with a very small radius of curvature, forms immediate proximity to its surface, the image of the source 6 in the form of a luminous label-pointer. Using the head 4 of the scale 3 screw, this mark can be smoothly moved in the field of view along the X axis, sequentially combining it with different places of the diffraction pattern, and measure the coordinates of these places on the scale 3 with an accuracy of 0.1 mm. Thus, lamp 6 performs two functions: it serves as a point source of light for forming a diffraction pattern and, at the same time, illuminator of needle 5 for forming a luminous marker. The degree of deepening of the base of the bulb 6 into the central hole in the base 1 is such that when moving the scale 3, the needle 5 passes over the bulb cone 6, barely touching its surface. This allows you to freely move the pointer mark 5 in a wide range of distances along the X axis, moving from one edge of the diffraction ring of the picture to its opposite edge. To increase the contrast of the picture, it is observed on a dark background. To this end, the central part of the surface of the base 1 in the form of a circle with a radius of 60 mm is covered with black paper, and the lower part of the bulb cone 6 is shielded by a ring of black paper; the diameter of this ring is 10 mm; its height is 8 mm. The filter 7, mounted in a hinged frame on the stand-holder 8, is a red glass measuring 50 mm x 50 mm; the center of the transmission region of this glass corresponds to a wavelength of 0.65 μm. The dusty plate 15, which plays the role of a diffraction structure, represents the fourth part of a 9 cm x 12 cm photographic plate washed from the emulsion and measures 4.5 cm x 6 cm.

Для нанесения на стеклянную пластинку монослоя ликоподия поступают следующим образом. For applying to a glass plate a monolayer of lycopodia proceed as follows.

На чистую поверхность пластинки наносят капельку растительного или машинного масла (можно сливочного масла, маргарина или любого другого жира), размазывают эту капельку (или крошку) по поверхности пластинки и затем тщательно протирают поверхность чистой тряпочкой. Несмотря на такое протирание на поверхности пластинки остается тонкий жировой слой, играющий роль клейкой основы для удержания пылинок ликоподия. Затем на поверхность насыпают немного ликоподия и, незначительно наклоняя пластинку в разные стороны и постукивая ее по краю, добиваются рассыпания порошка равномерно по всей поверхности. По завершении этой процедуры пластинку ориентируют вертикально и осторожно ударяют несколько раз о край стола, добиваясь ссыпания излишков порошка. При этом на поверхности пластинки остается монослой ликоподия, играющий роль дифракционной структуры в виде плоской совокупности хаотически распределенных по поверхности прозрачной пластинке непрозрачных шариков практически одинакового размера. С целью сохранения препарата для многократного использования следует заэкранировать покрытие от соприкосновения с другими предметами. Для этого пластинку кладут на стол покрытием вверх, накладывают на нее узкую шириной в несколько мм рамку, вырезанную из ватмана, покрывают второй чистой стеклянной пластинкой тех же размеров и оклеивают препарат по краям полосками черной бумаги. Пластинку 15 закрепляют в откидной оправке держателя 14. Раздвижной штатив, позволяющий изменять базисное расстояние L от точечного источника света 6 до дифракционной структуры 15, включает железный стержень 9 (длина 200 мм, диаметр 12 мм, нарезка на конце М10 с шагом 1,5 мм). Для закрепления стержня 9 в основании 1 посредине между центром и дальним его краем просверливают отверстие соответствующего диаметра и нарезают его под винт М10 шагом 1,5 мм. По закрепленному в основании 1 стержню 9 может перемещаться алюминиевая трубка 10 длиной 220 мм (внутренний диаметр 13 мм, внешний 16 мм). Стопорный винт 11 с нарезкой М4 и удобной головкой с накатом позволяет фиксировать необходимое раздвижение штатива в диапазоне L ^oC 220-300 мм, оптимальном для проведения наблюдений и выполнения расчетов.A drop of vegetable or machine oil is applied to the clean surface of the plate (butter, margarine or any other fat can be used), this droplet (or crumbs) is smeared on the surface of the plate and then wiped thoroughly with a clean cloth. Despite this rubbing, a thin fat layer remains on the surface of the plate, playing the role of an adhesive base to hold the specks of lycopodia. Then a little lycopodia is poured onto the surface and, slightly tilting the plate in different directions and tapping it along the edge, they achieve powder scattering evenly over the entire surface. At the end of this procedure, the plate is oriented vertically and gently hit several times on the edge of the table, ensuring that excess powder is poured. Moreover, on the surface of the plate there remains a monolayer of lycopodium, playing the role of a diffraction structure in the form of a flat set of opaque balls randomly distributed over the surface of the transparent plate of almost the same size. In order to preserve the drug for repeated use, the coating should be shielded from contact with other objects. To do this, put the plate on the table with the coating facing up, impose on it a narrow width of a few mm, cut out from a Whatman paper, cover it with a second clean glass plate of the same size and glue the preparation on the edges with strips of black paper. The plate 15 is fixed in the hinged mandrel of the holder 14. A sliding tripod, which allows you to change the base distance L from the point light source 6 to the diffraction structure 15, includes an iron rod 9 (length 200 mm, diameter 12 mm, cutting at the end of M10 in increments of 1.5 mm ) To fix the rod 9 in the base 1 in the middle between the center and its far edge, a hole of the corresponding diameter is drilled and cut into a screw M10 with a pitch of 1.5 mm. An aluminum tube 10 with a length of 220 mm (internal diameter 13 mm, external 16 mm) can move along the rod 9 fixed in the base 1. The locking screw 11 with M4 thread and a convenient knurled head allows you to fix the necessary tripod extension in the range of L ^o C 220-300 mm, optimal for observations and calculations.

Перейдем к обсуждению методики измерений и выводу расчетной формулы. Чтобы увидеть дифракционную картину, надо смотреть сквозь запыленную пластинку 15 на малый источник света 6. Картина формируется вокруг источника 6 и представляет собой систему быстро убывающих по освещенности светлых колец, окружающих центральный светлый дифракционный круг (кружок Эйри). В центре кружка Эйри виден сам малый источник света 6. Светлые дифракционные кольца разделены темными кольцами. Угловое положение Φ_i темных колец, по которым удобнее вести измерения, выражается формулой
d•sinΦ_i= K_iλ.....(1)
где K_i нецелочисленные коэффициенты. Теория рассматриваемого случая дифракции (см. например, книга: [1] с. 365, табл. 8.2; [2] с. 183, табл. 9.1; [4] с. 300, табл. 5; [6] с. 166, табл. 6.2) приводит к выводу, что для трех первых темных колец коэффициенты К_i имеют следующие значения:
K₁ 1,220; K₂ 2,233; K₃ 3,238; (2)
Таким образом для измерения длины световой волны λ по формуле (1) необходимо значить две величины: диаметр d пылинок ликоподия (спор плауна) и угловой радиус v_i данного темного кольца. В наиболее простом варианте опыта величину d можно задать как константу, положив d 30 мкм. В более строгом варианте опыта эту величину можно предварительно измерить по дифракционной картине, формируемой пластинкой 15 в монохроматическом пучке с известной длиной волны, например, в проходящем лазерном пучке. В этом случае точно известна величина λ, а величину sinΦ_i можно измерить геометрическим способом. Можно, наконец, измерить d непосредственно под микроскопом или под микрофотографии запыленной поверхности, полученной предварительно. При известной величине d задача сводится к измерению посредством учебного прибора по оптике величины sinΦ_i. Вводя линейный радиус r_i i-го темного кольца, видимого в плоскости источника 6, и учитывая, что углы Φ_i малы, можем записать sinΦ_i= tgΦ_i= r_i/L.. Тогда из ф-лы (1) имеем r_id = K_iLλ.. Отсюда
λ = r_i•d/(K_i•L).....(3)
где K_i известно по соотношению (2),
r_i измеряют по микрометрической шкале 3 и нониусу 2,
L измеряют по миллиметровой шкале 13.We proceed to discuss the measurement methodology and the derivation of the calculation formula. To see the diffraction pattern, it is necessary to look through a dusty plate 15 at a small light source 6. The pattern is formed around the source 6 and is a system of light rings rapidly diminishing in illumination surrounding a central light diffraction circle (Airy circle). In the center of the Airy circle, the small light source itself is visible 6. Light diffraction rings are separated by dark rings. The angular position Φ _{i of the} dark rings, which are more convenient to measure, is expressed by the formula
d • sinΦ _i = K _i λ ..... (1)
where K _{i are} non-integer coefficients. The theory of the diffraction case under consideration (see, for example, the book: [1] p. 365, table 8.2; [2] p. 183, table 9.1; [4] p. 300, table 5; [6] p. 166 , table 6.2) leads to the conclusion that for the first three dark rings, the coefficients K _i have the following values:
K ₁ 1,220; K ₂ 2,233; K ₃ 3.238; (2)
Thus, to measure the light wavelength λ by the formula (1), it is necessary to mean two quantities: the diameter d of the specks of lycopodium (spore of the lap) and the angular radius v _{i of} this dark ring. In the simplest version of the experiment, the value of d can be set as a constant by setting d 30 μm. In a more rigorous version of the experiment, this value can be preliminarily measured by the diffraction pattern formed by the plate 15 in a monochromatic beam with a known wavelength, for example, in a transmitted laser beam. In this case, the quantity λ is precisely known, and the quantity sinΦ _i can be measured geometrically. Finally, one can measure d directly under a microscope or under micrographs of a dusty surface obtained previously. With a known value of d, the problem is reduced to measuring the quantity sinΦ _i by means of a training device in optics. Introducing the linear radius r _{i of the} i-th dark ring visible in the plane of source 6, and taking into account that the angles Φ _i are small, we can write sinΦ _i = tgΦ _i = r _i / L .. Then from formula (1) we have r _i d = K _i Lλ .. Hence
λ = r _i • d / (K _i • L) ..... (3)
where K _{i is} known from relation (2),
r _i measured on a micrometer scale 3 and Vernier 2,
L is measured on a millimeter scale 13.

Методика измерения линейных радиусов r_i при помощи учебного прибора по оптике такова.The methodology for measuring linear radii r _i using a training instrument in optics is as follows.

Совмещают метку-указатель 5 с одним краем данного i-го темного кольца и отмечают показание

по шкале 3 и нониусу 2. Затем при помощи головки двигающего винта 4 перемещают шкалу 3 до совмещения иглы 5 с противоположным краем i-го темного кольца и отмечают показание

. Тогда имеем

Подставляя полученное значение r_i в формулу (3), находят длину световой волны λ. Опыт повторяют при других значениях L.Combine label 5 with one edge of this i-th dark ring and mark the reading

on a scale of 3 and nonius 2. Then, using the head of the moving screw 4, move the scale 3 to align the needle 5 with the opposite edge of the i-th dark ring and note the reading

. Then we have

Substituting the obtained value of r _i in the formula (3), find the light wavelength λ. The experiment is repeated with other values of L.

Claims

An optics training device containing a light source, a diaphragm and a holder with a diffraction structure, characterized in that it is equipped with a tripod with a scale and a stand made with the possibility of changing the distance between the light source and the holder, and a measuring system installed in the plane of the source, including a micrometer scale and a dotted luminous label-pointer installed with the ability to move and fix along the scale, the diffraction structure is made in the form of a glass plate dusted with lycopodia, and the observation plane coincides with the source plane.