Способ получения интерференционной картины
METHOD FOR OBTAINING AN INTERFERENCE PATTERN

Предлагаемый способ получения интерференционной картины может быть использован при проведении фронтальных экспериментов во время аудиторных занятий в учебных заведениях, а также в ходе самостоятельной экспериментальной деятельности учащихся при изучении явления интерференции света в тонких пленках.
Наиболее простым и общеизвестным способом получения интерференционной картины в тонкой пленке является надувание мыльных пузырей. Первоначально бесцветная прозрачная пленка мыльной воды, толщина которой превышает длину когерентности света, под напором потока воздуха растягивается, при этом толщина пленки уменьшается и становится сравнимой с длиной волны видимого света, что приводит к появлению радужной интерференционной картины на поверхности мыльного пузыря. Однако положение, форма и окраска радужных пятен непредсказуемым образом меняются со временем, что является результатом действия множества факторов - силы тяжести, силы поверхностного натяжения, конвективных потоков, испарения и др. Подвижность интерференционной картины затрудняет процесс наблюдения и анализа явления интерференции.
Другим вариантом этого способа является фиксация мыльной пленки на рамке путем погружения рамки в мыльный раствор и последующего ее извлечения. При вертикальной ориентации плоскости рамки образовавшаяся внутри рамки мыльная пленка начинает постепенно стекать под действием силы тяжести, ее толщина уменьшается и на поверхности пленки возникает интерференционная картина в виде горизонтальных цветных полос (полос равной толщины), перемещающихся сверху вниз (см., например, иллюстрации на сайте sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/thin-film-interference). Если плоскость рамки отклонить от вертикали, то движение полос замедляется и при определенном угле наклона рамки движение полос можно остановить, но лишь на некоторое время. Таким образом, и в данном случае интерференционную картину нельзя считать стационарной.
Стационарную интерференционную картину можно получить, если поместить на поверхность воды каплю скипидара или другой маслянистой жидкости (например, с помощью пипетки или прикоснувшись к поверхности кончиком кисти, смоченной этой жидкостью). Растекаясь по поверхности воды под действием сил поверхностного натяжения, маслянистая жидкость образует тонкую пленку, на которой появляется интерференционная картина. Если сосуд с водой остается неподвижным, то и интерференционная картина остается неизменной в течение длительного времени. Общеизвестным примером такой интерференционной картины являются радужные узоры на поверхности луж на остановках общественного транспорта.
В другой, более сложной, модификации описанного выше способа используется раствор целлулоида в смеси ацетона, амилацетата и эфира (Лекционные демонстрации по физике. Грабовский М.А., Млодзеевский А.Б., Телеснин Р.В., Шаскольская М.П., Яковлев И.А., под ред. В.И. Ивероновой, изд. 2-е переработанное, Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1972, стр. 553). Спустя некоторое время, после растекания раствора по поверхности воды, растворитель испаряется и на поверхности остается тонкая целлулоидная пленка, на которой возникает стационарная интерференционная картина, как правило, в виде радужных концентрических окружностей. С помощью проволочного кольца целлулоидная пленка может быть снята с поверхности воды и зафиксирована на этом кольце для дальнейшего исследования.
Общим недостатком описанных выше способов является необходимость использования жидкости (мыльного раствора, скипидара, раствора целлулоида и т.п.). Это усложняет проведение фронтальных экспериментов в учебной аудитории, так как при большом числе емкостей с жидкостью возрастает вероятность ее проливов. Кроме того, использование летучих и огнеопасных органических веществ в ходе самостоятельной экспериментальной деятельности учащихся строго запрещено правилами техники безопасности.
Известно несколько «сухих» (без использования жидкостей) способов получения стационарной интерференционной картины на основе явления интерференции в тонкой пленке. Классическим способом являются так называемые кольца Ньютона (см., например, информацию на сайте учебная техника.рф/wps/newtons_ring). Роль тонкой пленки в данном случае играет воздушная прослойка между плоскопараллельной стеклянной пластинкой и касающейся ее линзой с большим радиусом кривизны. Вблизи точки касания линзы и стеклянной пластинки толщина воздушной прослойки становится сравнимой с длиной когерентности света и возникает радужная интерференционная картина в форме колец. С помощью регулировочных винтов можно уменьшать или увеличивать расстояние между линзой и пластинкой и при этом наблюдать сжатие или расширение колец. Недостатком данного способа является необходимость использования специального оборудования, что затрудняет проведение фронтального эксперимента.
Одним из проявлений описанного выше механизма появления интерференционной картины является эффект, описанный в техническом бюллетене фирмы Pilkington - производителе листового стекла для внутреннего и внешнего остекления зданий (pilkington.com/-/media/pilkington/site-content/russia/architectural/tb02_interferenceinigus.pdf).
В этом случае интерференционная картина, наблюдается в окрестности точки касания двух стекол в стеклопакете при их прогибе за счет разности давлений снаружи и внутри стеклопакета. Недостатком данного способа является невозможность его осуществления в учебной аудитории или в домашних условиях так как эффект наблюдается при больших размерах стеклопакета, пониженных температурах и/или повышенном атмосферном давлении. Кроме того, интерференционная картина не удовлетворяет условию стационарности - после прекращения механического воздействия картина исчезает. Тем не менее, этот способ может быть выбран в качестве прототипа. Он может быть охарактеризован следующими, общими для многих из описанных выше известных способов, признаками:
- используется бесцветная прозрачная пленка (из мыльной воды, скипидара, целлулоида или воздуха);
- первоначальная толщина пленки больше длины когерентности света;
- пленка подвергается механическому воздействию (силы тяжести, силы поверхностного натяжения, силы давления), приводящему к уменьшению ее толщины.
Целью изобретения являлась разработка простого, доступного для повторения учащимися, способа получения стационарной интерференционной картины при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре без использования специального оборудования, дополнительных приспособлений, редких или опасных веществ, химических реактивов, растворителей и других жидкостей, включая воду, не требующего больших затрат времени и денежных средств, наличия у учащихся специальных навыков и отвечающего принципам обучения - доступности, наглядности, информативности, вариативности, активности учащегося и его безопасности. Для повышения образовательного потенциала способа требовалось, чтобы в ходе его реализации учащийся мог контролировать процесс получения интерференционной картины, используя возможности своих органов чувств и, более того, управлять этим процессом.
В ходе поисковых экспериментов выяснилось, что стационарную интерференционную картину можно получить, используя эластичную прозрачную пленку, применяемую для упаковки пищевых продуктов (пищевую пленку). Толщина такой пленки составляет ~10-20 мкм. Это больше, чем длина когерентности видимого света, излучаемого некогерентными источниками - солнцем или лампами накаливания, поэтому в исходном состоянии пленка бесцветна. Такую пленку можно растягивать руками в любом направлении на ~300÷500%, при этом на ее поверхности в отраженном свете появляется интерференционная картина. Используя отдельные пальцы обеих рук, можно дополнительно растягивать выбранные участки пленки - это позволяет получать радужный узор желаемого размера, формы и расцветки, при этом чередование цветов определяется изменениями толщины пленки. После того, как интерференционная картина появилась, она не исчезает при снятии механического напряжения - растянутые участки тонкой пленки остаются окрашенными. Пример интерференционной картины, полученной предлагаемым способом, приведен на фотографии.
Так как мышечные усилия и тактильные ощущения фиксируются учащимся, а появляющийся узор контролируется им визуально, то учащийся, сопоставляя информацию, получаемую им от своих органов чувств, с известными теоретическими сведениями может подняться на новый уровень понимания и самостоятельного объяснения наблюдаемого явления.
Подчеркнем, что для реализации способа не требуется дополнительных финансовых затрат. Пищевая пленка - недефицитный и недорогой материал, широко применяемый в домашнем хозяйстве. Для выполнения одного эксперимента достаточно отрезка такой пленки в форме квадрата со стороной 10-15 см. Однако при желании можно получить интерференционную картину значительно большего размера.
Следует подчеркнуть, что пищевая пленка, учитывая область ее применения (упаковка пищевых продуктов), является абсолютно безопасной для здоровья учащихся.