Прибор для изучения явления интерференции света в тонкой пленке

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Это можно сделать, как и в случае с мыльным пузырем, растягивая пищевую пленку с помощью сжатого воздуха.
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.
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.
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.
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.
Для проверки работы прибора были осуществлены следующие действия:
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.
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.
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.
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.
Отметим также, что полезная модель удовлетворяет требованиям безопасности и имеет простую конструкцию, принцип действия которой понятен учащимся.