Прибор для изучения явления интерференции света в тонкой пленке

Прибор предназначен, в первую очередь, для аудиторной фронтальной работы учащихся, он также 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 понятен учащимся, он должен обеспечивать контроль над изучаемым процессом, его воспроизводимость и возможность его фиксации в различных стационарных состояниях для поэтапного коллективного обсуждения. Важнейшей функций учебного прибора является предоставление наглядных и убедительных экспериментальных доказательств справедливости положений теории, описывающей наблюдаемое явление. В частности, прибор для изучения явления интерференции света в тонкой пленке должен обеспечивать возможность доказательства того, что появление интерференционной картины обусловлено наличием двух когерентных лучей, появляющихся в результате отражения света от двух поверхностей пленки, толщина которой сравнима с длиной когерентности видимого света. Так как отражение от внешней поверхности пленки представляется очевидным (благодаря этому отражению мы видим пленку), то особое значение имеет доказательство важной роли лучей, отраженных от внутренней поверхности пленки.
Простейшим и общеизвестным аналогом предлагаемого прибора можно считать соломинку 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 света 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 давления воздуха. При этом толщина стенок пузыря уменьшается и становится сравнимой с длиной когерентности видимого света, что приводит к появлению радужного узора на поверхности мыльного пузыря. Этот узор является самым известным примером интерференционной картины в тонкой пленке. Существующая теория интерференции объясняет причины возникновения интерференционной картины в тонкой пленке и устанавливает связь между цветом отдельных участков мыльной пленки с их толщиной.
Недостатками аналога являются нестационарность интерференционной картины и невозможность контроля над процессом ее изменения. Интерференционная картина в данном случае появляется как бы сама собой и «живет своей жизнью». Положение, форма и окраска отдельных радужных пятен интерференционной картины на мыльном пузыре непредсказуемым образом меняются со временем. Это является результатом изменения толщины пленки под действием 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 функциональные возможности прибора и его исследовательский потенциал - данный прибор выполняет преимущественно демонстрационную функцию.
Известен прибор (прототип) для изучения явления интерференции естественного света в тонкой пленке (патент RU 207310), представляющий собой трубку с поршнем, соединенным со штоком, обеспечивающим возможность контролируемого перемещения поршня внутри трубки от одного ее конца до другого, герметично закрытого пищевой пленкой, способной растягиваться под действием сжатого воздуха с образованием пузыря, толщина которого по мере растяжения становится сравнимой с длиной когерентности естественного света и на его поверхности появляется интерференционная картина.
Прибор-прототип 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, он удовлетворяет требованиям безопасности и имеет простую конструкцию, принцип действия которой понятен учащимся.
Прибор-прототип обеспечивает воспроизводимость результатов эксперимента разными учащимися, при выполнении одинаковых действий с прибором все учащиеся получают одинаковый результат - интерференционную картину одного типа с одинаковым чередованием параллельных разноцветных полос. Это особенно важно для фронтальной работы в классе, так как дает возможность коллективного обсуждения наблюдаемых явлений.
С помощью прибора-прототипа учащиеся получают экспериментальные доказательства важных теоретических выводов. В частности периодическое чередование цветов на поверхности пузыря от его основания к вершине доказывает периодичность условий максимума и минимума для оптической разности хода. Изменение цвета полос при раздувании пузыря подтверждает зависимость оптической разности хода от толщины пленки.
Таким образом, функциональные возможности прибора-прототипа по сравнению с аналогом значительно шире. Однако и с его помощью невозможно получить наглядное и убедительное экспериментальное доказательство того, что в образовании интерференционной картины важную роль играют лучи, отраженные от внутренней поверхности пленки.
Указанная техническая задача решается с помощью предлагаемой полезной модели - учебного прибора, представляющего собой трубку с поршнем, соединенным со штоком, обеспечивающим возможность контролируемого перемещения поршня внутри трубки от одного ее конца (нижнего при первоначальном вертикальном расположении трубки) до другого ее конца (верхнего), герметично закрытого пищевой пленкой, способной растягиваться под действием сжатого воздуха с образованием пузыря с интерференционной картиной на его поверхности, отличающегося тем, что часть воздушного пространства между поршнем, находящимся у нижнего конца трубки, и пленкой заполнена жидкостью, показатель преломления которой близок к показателю преломления пленки, а объем этой жидкости равен объему пузыря, образующегося из пищевой пленки при сжатии поршнем воздуха в верхней части трубки (между поверхностью жидкости и пленкой), и полностью заполняющегося жидкостью при перевороте прибора на 180°.
Действие прибора иллюстрируется рисунком, на котором приведены фотографии прибора в исходном положении, когда пузырь заполнен сжатым воздухом (слева), и в перевернутом на 180° положении, когда пузырь заполнен жидкостью (справа). В качестве жидкости использовался глицерин; показатель преломления глицерина (1,47) близок к показателю преломления полиэтилена, из которого изготовлена пленка (1,51).
При заполнении пузыря жидкостью с показателем преломления, близким к показателю преломления пленки, интенсивность лучей, отраженных от внутренней поверхности пленки (точнее, от границы раздела между пленкой и жидкостью), резко падает и интерференционная картина исчезает.
Отметим, что использование прозрачной трубки с делениями от пластикового медицинского шприца (как в приборе-прототипе) позволяет легко определить необходимый объем жидкости.
При обратном перевороте прибора на 180° жидкость вытекает из пузыря, пузырь заполняется воздухом и интенсивность луча, отраженного от внутренней поверхности пленки (точнее, от границы раздела между пленкой и воздухом), резко возрастает и интерференционная картина появляется вновь. Подобные метаморфозы можно наблюдать многократно, переворачивая прибор на 180° и возвращая его в первоначальное положение.
Учащиеся, приступающие к изучению волновой оптики, уже знакомы с законами геометрической оптики, они знают, что отражение на границе раздела двух сред не происходит, если показатели преломления сред одинаковы. Поэтому исчезновение и появление интерференционной картины при переворотах прибора они легко логически связывают с исчезновением и появлением лучей, отраженных от внутренней поверхности пленки.
Таким образом, с помощью предлагаемого прибора учащиеся получают наглядные и убедительные экспериментальные доказательства того, что в образовании интерференционной картины важную роль играют лучи, отраженные от внутренней поверхности пленки.