Как называется участок поверхности компакт диска при попадании на который луч рассеивается
- Участник: Ворошнин Данил Александрович
- Руководитель: Базыльникова Марина Александровна
Заключение
Окружающий нас мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. В своем проекте мы попытались ответить на вопрос - как можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. В целом поставленная цель об изучении такого явления как дисперсия света в итоге достигнута. Для того чтобы глубже понять такое свойство света как дисперсия, была изучена дополнительная литература по световым явлениям, были проведены эксперименты по наблюдению явления, была изготовлена установка для вращения цветового круга Ньютона с некоторой скоростью.
В результате проведенных опытов и экспериментов нами были сделаны следующие выводы:
- Дисперсия – явление разложения белого света в спектр.
- Белый цвет имеет сложную структуру, состоящий из нескольких цветов.
- При падении света на границу раздела двух прозрачных сред световые лучи различной цветности преломляются по разному (наиболее сильно-фиолетовые лучи, менее других- красные).
- Призма не изменяет цвет, а лишь разлагает его на составные части.
Таким образом, посредством теоретического изучения данной темы и ее практического подтверждения и была достигнута основная цель проекта.
Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель так и для считывания ранее записанных данных.
На смену магнитофонам пришли компакт-диски (CD). Главное преимущество CD: высокое качество звучания (нет треска т.к отсутствует механический контакт между диском и считывающим устройством.
Появился CD в 1982 г. Его размеры не изменились и по сей день:
- внешний диаметр –120 мм, диаметр внутреннего отверстия – 15 мм, толщина –1,2 мм
Объем –650 Мбайт (сейчас чаще используются диски емкостью 700 Мбайт).
Стандартный компакт-диск состоит из 3-х слоев:
1) Информационный слой. Основа выполнена из прозрачного пластика. На одной из поверхностей методом прессования нанесена непрерывная спиральная дорожка, которая начинается от центра (информационный слой). Расстояние между витками дорожки равно 1,6 мкм (стандарт).
2) Отражающий слой представляет собой тонкое напыление однородного металла или сплава (золото, серебро и их сплавы).
3) Защитный слой представляет собой тонкий слой специального лака, который защищает отражающий слой от воздействия окруж. среды.
Запись информации на CD представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом.
Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска (т.е «чистая» поверхность) дает сигнал «нуль» (отраженный полностью), а сигнал от штриха («прожженное» место) – «единицу» (луч проходит сквозь отражающий слой и рассеивается). По сравнению с винчестерами CD надежнее в транспортировке, а при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных на поликарбонатном слое. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча. Так как диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются площадками. Чтобы вам было легче представить отношение размеров диска и пита: если компакт-диск был бы величиной со стадион, пит был бы размером примерно с песчинку.
Способ изготовления компакт-дисков это прессование с матрицы. При этом оригинал формируется специальным высокочастотным станком на стеклянном диске, покрытом слоем материала, который становится растворимым после воздействия лазерного луча. При обработке «облученной» матрицы растворителем получают образ будущего компакт-диска, который (методом гальванопластики) переносится на никелевый оригинал («негатив»). Этот «негатив» используют в качестве матрицы при массовом изготовлении дисков (штамповке)
Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется пластиковая подложка с рельефом, сверху методом напыления наносится отражающий слой, который сверху покрывается защитным лаком.
«Устройство дисковода CD-ROM»
Дисковод для компакт-дисков состоит из следующих компонентов:
2) плата электроники
3) шпиндельный двигатель
4) оптическая считывающая система
5) система загрузки диска
Корпус предназначен для защиты внутренних компонентов от воздействия внешних факторов и для удобства установки дисковода внутрь системного блока.
Плата электроники включает в себя все управляющие схемы дисковода, интерфейс для связи с ПК, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала
Шпиндельный двигатель придает диску вращение с постоянной или переменной скоростью. При поиске данных диск вращается с большей скоростью, чем при считывании. Поэтому очень важна скорость разгона и торможения двигателя.
На оси шпиндельного двигателя есть подставка, к которой прижимается диск после его загрузки в дисковод.. Поверхность подставки покрыта резиной или пластиком (чтобы диск не проскальзывал во время вращения). Во время работы диск прижимается к подставке шайбой , расположенной с противоположной стороны. На шайбе и подставке есть магниты, усиливающие степень прижатия диска.
Считывающая система состоит из: головки и перемещающего механизма.
Головка состоит из:
a) лазерного излучателя (светодиод)
b) система фокусировки (линза)
d) предварительный усилитель
Система загрузки - это выдвижной лоток, на который кладется компакт-диск. Есть еще специальный двигатель и механизм перемещения рамы в рабочее положение.
На передней панели дисковода есть кнопка EJECT для загрузки и выгрузки диска, индикатор обращения к диску и гнездо для подключения наушников.
Характеристики CD-ROM:
1) Скорость передачи данных (она связана со скоростью вращения)
Первые приводы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/сек.
Скорость передачи последующих поколений кратна этому числу. Например,60-скоростной привод CD-ROM считывает информацию со скоростью 9000 Кбайт/сек.
При дальнейшем повышении ( свыше 72-кратности)скорости считывания снижается уровень качества считывания.
2) Качество считывания – это вероятность получения искаженного бита при его считывании.
2) Среднее время доступа – это время(милисекунды, мс), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.
3) Объем буферной памяти - это объем кэш-памяти (м/с), установленной на плате накопителя. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в ПК с постоянной скоростью. Объем этой памяти отдельных моделей привода –512 Кбайт.
4) Средняя наработка на отказ - ср. время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.
Она равна от 50-125 тыс.часов (6-14,5 лет круглосуточной работы).
Форматы записи на CD :
CD-DA-цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Photo-CD предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения фотоинформации.
СD-I – содержит текстовую, графическую, аудио и видеоинформацию (относится к категории мультимедийных).
CD DV – обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин.
3DO – разработан для игровых приставок.
ISO – стандарт логической организации данных.
Накопители с однократной и многократной записью
1. CD-R обеспечивают однократную запись информации на диск и последующее многократное считывание.
Информация на CD-R может быть записан 2-мя способами:
- за один проход (когда файл с HDD записывается за один сеанс и добавление информации на него невозможно)
- многосеансовая запись ( позволяет производить запись отдельных треков (участков) и постепенно наращивать объем информации.
Читать диски CD-R может любой дисковод CD-ROM, а записывать только спец. дисковод CD- R.
2. Накопитель CD-RW (перезаписывающий) – позволяет осуществлять не только чтение, но и многократную запись.
Для однократной записи используются диски представляющие собой обычный компакт диск, отражающий слой которого выполнен из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой, выполненный из оргматериала, темнеющего при нагревании (эти участки рассеивают свет т.е не отражаются. Это- «единица»)
В перезаписываемых дисках CD-RW регистрирующий слой выполнен из оргсоединений , которые имеют свойство изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно под действием лазерного луча. Такое изменение фазового состояния вызывает изменение прозрачности слоя . В CD-RW регистрирующий слой выполняется из золота и серебра иногда из алюминия и его сплавов. Эти диски (CD-RW, CD-R) выдерживают до десятков тысяч перезаписи (т.к отражающий слой из золота и серебра менее подвержены окислению чем алюминий в CD-ROM).
Накопители CD-RW, CD-R выпускаются в двух вариантах:
- со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE и с высокоскоростным интерфейсом SCSI. Внешние дисководы CD-RW выпускаются с интерфейсами SCSI и USB.
Осн. производители накопителей: Panasonic, Sony, Yamaha, Teac.
« Накопители DVD»
Стандарт DVD –результат работы 10-ти компаний: Сони, Панасоник, Филипс, Хитачи …
Компакт-диски DVD предназначены для записи очень больших объемов данных. Для их чтения требуется спец. привод DVD- ROM, обладающий меньшей считывающей головкой. Внешне DVD похож на CD (120мм –диаметр), но обладает улучшенными параметрами рабочей поверхности дисков: уменьшены размеры штрихов записи (питов), и расстояние между дорожками записи – с 1,6 до 0,74 мкм.
DVD – диски (конструктивно) выполняются:
- односторонними и двухсторонними;
- однослойными и многослойными
Двухсторонний DVD -диск состоит из 2-х дисков толщиной по 0,6 мм, плотно соединенных друг с другом.
На одной стороне может быть записано до 4,7 Гбайт , а на обеих- 9,4 Гбайт (объем обычного CD – 700 Мбайт).
При использовании 2-х слойной технологии емкость дисков увеличивается вдвое ( 17 Гбайт , длительность воспроизведения часов).
Преимущества DVD – дисков:
1) Компактность носителя ( по сравнению с видеокассетами);
2) Высокое качество изображения (чистое и четкое, интенсивный цвет, отсутствие шумов);
3) Высокое качество звука (на DVD используется многоканальный цифровой звук0
1. В чем отличие CD и DVD дисков?
2. Перечислите основные части CD дисковода?
3. Перечислите характеристики CD ROMа.
4. Из каких слоев состоит CD диск?
1. Е.И.Гребенюк «Технические средства информатизации» Москва «ACADEMIA» 2003г. Стр.762-771,
2. А.Трасковский «Устройство, модернизация и ремонт IBM PC», Санкт-Петербург «БХВ-Петербург» 2004 г. Стр.287-298
3. А.Пилгрим «Персональный компьютер (модернизация и ремонт)» BHV Санкт-Петербург, 2000г. Книга 2. Л6 Стр.399-416
4. К. Сандлер «Ремонт персонального компьютера» 7 издание Москва- СПетербург-Киев 2004
2.1.1. Зонная пластинка. Зонная пластинка представляет собой совокупность концентрических прозрачных и непрозрачных или зеркальных и незеркальных колец (зон), радиусы которых особым образом упорядочены[1] . Зонная пластинка сочетает в себе одновременно свойства собирающей и рассеивающей линз и имеет несколько фокусов, обладает большими значениями хроматической аберрации. Фокусные расстояния зонной пластинки рассчитываются по формуле fk = Rk 2 / kλ. Поскольку шаг спиральной дорожки компакт-диска постоянен, то геометрическая структура его зеркальной поверхности, строго говоря, не соответствует параметрам зонной пластинки, тем не менее, компакт диск можно представить как непрерывную последовательность зонных пластинок с монотонно изменяющимися параметрами. Но если на поверхности компакт-диска с помощью специальной маски оставить открытым кольцевой участок очень малой ширины, то эта открытая часть вполне удовлетворительно демонстрирует свойства зонной пластинки.
2.1.2. Фокусирующее действие компакт-диска.
Применительно к компакт-диску теория позволяет отождествить его с одновременно с вогнутым и выпуклым зеркалами, каждое из которых также имеет несколько фокусов. На рисунке 4 показано, как преобразуется параллельный пучок света, нормально падающий на диск. Отраженные лучи образуют с осью диска два действительных фокуса, которые можно наблюдать на малом экране диаметром около 3 см.
При перемещении экрана вдоль оптической оси установки, фокусы легко обнаруживаются, как места с максимальной концентрацией света. Наиболее ярким является самый дальний из них (первый фокус). Если на диск падает белый свет, то легко наблюдается хроматическая аберрация – зависимость фокусного расстояния от длины волны. В данном случае для красного цвета фокусы располагаются ближе к диску, чем для синего.
2.2. Экспериментальная часть .
Вместо масок, выделяющих кольцевой фрагмент компакт диска, можно использовать узконаправленный луч лазера. При нормальном падении на поверхность диска наблюдается нормально отраженный луч, по которому можно проверить, действительно ли луч падает на диск перпендикулярно поверхности. Четыре других луча, наблюдаемых в отражении, позволяют найти два действительных и два – мнимых фокуса.
Экспериментально фокусные расстояния компакт-дисков наблюдаются на установке, показанной на рисунке 5. На плоском основании перпендикулярно к нему жестко укреплен компакт-диск так, что его центр располагается над плоскостью основания на высоте, примерно равной 1 см. Лазер-брелок закреплен на рейсшине на такой же высоте и так направлен, что луч падает на диск перпендикулярно его поверхности.
При перемещении рейсшины с лазером вдоль грани основания пятно должно следовать строго вдоль диаметра диска, а отраженный прямой луч - возвращаться в выходное окошко лазера. Проверив нормальность падения луча на диск, отметим ход отраженных от него косых лучей. В местах их пересечения с геометрической осью диска располагаются действительные фокусы.
2.2.1. Методика и результаты измерений.
Наблюдения в монохроматическом свете.
Проверив правильность юстировки лазера, положите на основание лист белой бумаги (формат А4) короткой стороной вплотную к диску и закрепите его кнопками. Проведите на нем осевую линию – перпендикуляр, проходящий через центр диска. Перемещая рейсшину, направьте луч в точку, отстоящую от центра диска на расстояние R1 и отметьте точками направление косых лучей. В местах их пересечения с осью отметьте точки фокусов. Такие действия и измерения следует проделать не менее четырех раз – дважды с левой, и дважды с правой стороны диска. При этом точки падения лучей слева и справа по возможности следует выбирать симметрично. Результаты занесите в таблицу 2.
2.1.1. Зонная пластинка. Зонная пластинка представляет собой совокупность концентрических прозрачных и непрозрачных или зеркальных и незеркальных колец (зон), радиусы которых особым образом упорядочены[1]. Зонная пластинка сочетает в себе одновременно свойства собирающей и рассеивающей линз и имеет несколько фокусов, обладает большими значениями хроматической аберрации. Фокусные расстояния зонной пластинки рассчитываются по формуле fk =Rk 2 /kλ. Поскольку шаг спиральной дорожки компакт-диска постоянен, то геометрическая структура его зеркальной поверхности, строго говоря, не соответствует параметрам зонной пластинки, тем не менее, компакт диск можно представить как непрерывную последовательность зонных пластинок с монотонно изменяющимися параметрами. Но если на поверхности компакт-диска с помощью специальной маски оставить открытым кольцевой участок очень малой ширины, то эта открытая часть вполне удовлетворительно демонстрирует свойства зонной пластинки.
2.1.2. Фокусирующее действие компакт-диска.
Применительно к компакт-диску теория позволяет отождествить его с одновременно с вогнутым и выпуклым зеркалами, каждое из которых также имеет несколько фокусов. На рисунке 4 показано, как преобразуется параллельный пучок света, нормально падающий на диск. Отраженные лучи образуют с осью диска два действительных фокуса, которые можно наблюдать на малом экране диаметром около 3 см.
При перемещении экрана вдоль оптической оси установки, фокусы легко обнаруживаются, как места с максимальной концентрацией света. Наиболее ярким является самый дальний из них (первый фокус). Если на диск падает белый свет, то легко наблюдается хроматическая аберрация – зависимость фокусного расстояния от длины волны. В данном случае для красного цвета фокусы располагаются ближе к диску, чем для синего.
2.2. Экспериментальная часть.
Вместо масок, выделяющих кольцевой фрагмент компакт диска, можно использовать узконаправленный луч лазера. При нормальном падении на поверхность диска наблюдается нормально отраженный луч, по которому можно проверить, действительно ли луч падает на диск перпендикулярно поверхности. Четыре других луча, наблюдаемых в отражении, позволяют найти два действительных и два – мнимых фокуса.
Экспериментально фокусные расстояния компакт-дисков наблюдаются на установке, показанной на рисунке 5. На плоском основании перпендикулярно к нему жестко укреплен компакт-диск так, что его центр располагается над плоскостью основания на высоте, примерно равной 1 см. Лазер-брелок закреплен на рейсшине на такой же высоте и так направлен, что луч падает на диск перпендикулярно его поверхности.
При перемещении рейсшины с лазером вдоль грани основания пятно должно следовать строго вдоль диаметра диска, а отраженный прямой луч - возвращаться в выходное окошко лазера. Проверив нормальность падения луча на диск, отметим ход отраженных от него косых лучей. В местах их пересечения с геометрической осью диска располагаются действительные фокусы.
2.2.1. Методика и результаты измерений.
Наблюдения в монохроматическом свете.
Проверив правильность юстировки лазера, положите на основание лист белой бумаги (формат А4) короткой стороной вплотную к диску и закрепите его кнопками. Проведите на нем осевую линию – перпендикуляр, проходящий через центр диска. Перемещая рейсшину, направьте луч в точку, отстоящую от центра диска на расстояние R1 и отметьте точками направление косых лучей. В местах их пересечения с осью отметьте точки фокусов. Такие действия и измерения следует проделать не менее четырех раз – дважды с левой, и дважды с правой стороны диска. При этом точки падения лучей слева и справа по возможности следует выбирать симметрично. Результаты занесите в таблицу 2.
Задание 2. (Уровень УИР) Проделайте дополнительные измерения, постройте график зависимости F(R) и оцените величину «сферической аберрации» - численную меру зависимости фокусных расстояний от радиуса кольцевой зоны диска. αсф = δF/δR.
Наблюдения в белом свете.
Установите лампу накаливания на расстоянии около 2 м от зеркальной поверхности диска так, чтобы нить накала находилась на продолжении оси экспериментальной установки. Вставьте в направляющие пазы основания шток с экраном и, перемещая его вдоль оси, проведите наблюдения. Устанавливая затем в осветителе светофильтры с известной длиной волны, измерьте соответствующие им фокусные расстояния.
Область первого фокуса. R = мм
λ= нм; F= мм αсф.6-1= мм/нм
λ= нм; F= мм αсф.6-1= мм/нм
Задание 3. (Уровень УИР). Постройте график зависимости фокусного расстояния от длины волны и рассчитайте для каждой пары соседних результатов значения хроматической аберрации. Определите количественную меру этой «хроматической аберрации» βхр = δF/δλ. в области первого и второго фокусов.
Углубить представления о явлении дифракции и поляризации света. Освоить технику и методику экспериментальных наблюдений и измерений.
Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны 400 – 750 нм (нанометров). Всем волнам, в том числе и световым, присущи специфически волновые явления: интерференция, дифракция и поляризация.
В результате наложения когерентных световых волн, т. е. волн, разность фаз которых в каждой точке пространства не зависит от времени, происходит ослабление или усиление интенсивности колебаний в различных точках области наложения волн. Это явление называется интерференцией волн (света).
Дифракцией света называется совокупность явлений, которые наблюдаются при прохождении света в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении света через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т. д.). В более узком смысле под дифракцией понимают явление отклонения света в область геометрической тени. Угол дифракции φ ≈ d/λ, поэтому для чёткого наблюдения этого явления необходимо, чтобы размеры препятствий d были сравнимы с длиной волны света λ.
Для поперечных волн, т. е. волн, колебания в которых происходят перпендикулярно направлению их распространения, наблюдается ряд явлений, имеющих общее название поляризации волн.
Часть I. Дифракция света и экспериментальная установка
На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Наилучшим качеством обладают отражательные дифракционные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки настолько малые, что отражая свет, они рассеивают его вследствие дифракции. Таким образом пучок света разбивается на множество когерентных лучей.
Если ширина прозрачных участков а, а ширина непрозрачных промежутков b, то величина d=a+b называется периодом решетки.
Если на решетку нормально (перпендикулярно) к ее поверхности падает свет с длиной волны l то, как следует из рисунка 1, лучи, рассеянные под углом j к первоначальному направлению от соответствующих мест каждой из щелей, обладают разностями хода dsinj (I и II лучи), 2dsinj (I и III лучи) и т. д.
Волны усиливают друг друга при интерференции, если эта разность хода равна целому числу волн. Углы, под которыми наблюдаются максимумы, находятся из соотношения
, k = 0, ±1, ±2, ±3… (1)
Максимумы наблюдаются по обе стороны от падающего луча, а центральный максимум (k=0) наблюдается в направлении падающего луча.
Зеркальная поверхность лазерного компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов. Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой.
Схема прибора (прибор №1), для наблюдения дифракции света на кусочке компакт-диска, играющего роль отражательной дифракционной решетки, представлена на рисунке 2. Здесь: 1 – источник света – лазер-брелок, укрепленной на поворачивающейся планке, 2 – отражательная дифракционная решетка – кусочек компакт-диска, 3 – зажим для крепления препарата, 4 - транспортир для измерения углов дифракции, 5 – транспортир для измерения угла падения луча света, 6 – зажим для крепления поляроида.
Задание 1. Компакт диск – дифракционная решетка. Перпендикулярное падение света
Цель. С помощью явления дифракции света определить число штрихов, т.е. число дорожек на 1 мм в CD и DVD-компакт-диске. (При выполнении этого задания используется прибор №1 – рисунок 2).
1. Укрепите в зажиме прибора препарат с кусочком CD- диска. Он должен быть расположен строго перпендикулярно к направлению луча лазера, установленного в нулевое положение.
2. Нажав на кнопку включателя лазера, проверьте точность установки препарата (дифракционной решетки) и лазера. Она считается нормальной, если падающий луч идет строго по оси поворотной планки, а отраженный луч возвращается в выходное окошко лазера. Проверить это можно с помощью листочка белой бумаги, помещенной немного выше окошка лазера. Если необходимо, слегка подрегулируйте положение лазера и препарата.
3. Включив лазер, измерьте углы дифракции для максимумов первого (k =1 ) j1 и второго (k =2) j2 порядка. Максимумы более высоких порядков в данном опыте не наблюдаются.
4. По полученным значениям углов дифракции определите период d дифракционной структуры компакт-диска и число дорожек n на 1 мм
(2)
Длина волны света, излучаемого лазером, занимает диапазон 620-680 нм. Для расчетов можно воспользоваться средним значением длины волны λ=650 нм=0,00065 мм.
5. По результатам двух измерений вычислите среднее значение числа дорожек на 1 мм на CD-диске.
6. Замените препарат с кусочком CD-диска на препарат с кусочком DVD-диска.
7. Повторите измерения и вычисления пунктов 2-4. Особенность данного опыта состоит в том, что даже максимум второго порядка вряд ли удаться наблюдать.
8. В выводе отметьте, насколько больше, по крайней мере, информации можно записать на DVD-диске, чем СD.
Задание 2. Компакт диск – дифракционная решетка. Наклонное падение света
При наклонном падении света на дифракционную решетку дифракционная картина «растягивается», так что период дифракционной решетки определяется из соотношения
(3)
Цель работы: Углубить представления о явлении дифракции волн (обоснования, виды проявления, условия наблюдения, модели и основы теоретических расчетов). Провести экспериментальные наблюдения и измерения на примере дифракции световых волн.
Оборудование. Транспортир, лазер-брелок, осветитель с лампой накаливания, фрагмент компакт-диска, экран (лист из белого картона).
1. Компакт диск - дифракционная решетка
1.1. Теоретическая часть.
Зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов.
Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой (рис.1). Она характеризуется постоянным шагом d, и условие максимумов в отраженном на ней свете определяется по известной формуле dsinφk=kl, где k – номер (порядок) максимума, l длина волны падающего света. Формула справедлива при нормальном падении луча на диск. В данном случае наблюдаются по два дифракционных максимума с каждой стороны от падающего луча.
1.2. Экспериментальная часть
1.2.1. Экспериментальная установка.
Стенд для проведения экспериментальных наблюдений (рисунок 3) состоит из транспортира 1, на котором жестко закреплены лазер-брелок 2 и фрагмент компакт диска 3. Зеркальные дорожки компакт-диска, имеющие форму дуг, на стенде ориентированы близко к вертикальному направлению. Фрагмент закреплен у нулевой точки транспортира. Брелок ориентирован так, что лазерный луч падает перпендикулярно плоскости фрагмента.
Дифрагированные лучи попадают на боковые стороны транспортира, их углы отклонения определяются по показаниям транспортира. Подготовка прибора включает проверку юстировки лазера. Она считается нормальной, если отраженный луч возвращается в его выходное окно. Проверить это можно по положению пятна на полоске белой бумаги, размещенной вблизи окошка.
Поскольку зеркальные дорожки имеют дугообразную форму, то дифрагированные лучи не лежат строго в плоскости транспортира и поэтому для их наблюдения также следует пользоваться белым экраном, помещая его вблизи шкалы и ориентируя перпендикулярно плоскости транспортира. Нажав на кнопку включателя лазера проверьте точность установки его корпуса и пронаблюдайте интерференционные максимумы слева и справа от оси прибора.
1.2.2. Методика и результаты измерений.
Включив лазер, измерьте углы дифракции для максимумов первого и второго порядка. Проделайте это сначала по левой (α1 и α2), а затем - по правой (α3 и α4) частям шкалы транспортира. Результаты занесите в таблицу. Вычислите средние значения углов φ1=(α1+α3)/2 и φ2=(α4+α2)/2 .
Длина волны света, излучаемого лазером (приведена на его корпусе), занимает диапазон 620-680 нм. Для расчетов можно воспользоваться средним значением длины волны λ=650 нм=0.65 мкм.
Задание 1. По полученным значениям углов дифракции определите период d дифракционной структуры зеркальной поверхности компакт-диска.
Оцените погрешность метода и запишите полученный результат с указанием интервала.
1.1. Открытие Исаака Ньютона
В 1665–1667 годах Исаак Ньютон – английский физик и математик занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, данное наблюдение его очень заинтересовало, и он решил разгадать природу возникновения цветных полос. В это время в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор. Главный опыт был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов (рис. 1).
Рисунок 1. Эксперимент И. Ньютона
1.4. Радуга
Дисперсией света объясняются многие явления природы, например Радуга. В результате преломления солнечных лучей в каплях воды во время дождя на небе появляется разноцветная дуга – радуга (рис. 6).
Рисунок 6. Природное явление радуга
Радуга — это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя.
Разноцветная дуга появляется оттого, что луч света преломляется в капельках воды, а затем, возвращаясь к наблюдателю под углом в 42 градуса, расщепляется на составные части от красного до фиолетового цвета (рис. 7).
Рисунок 7. Преломления света в капле дождя
Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный.
Яркость оттенков и ширина радуги зависят от размера капель дождя. Чем крупнее капли, тем уже и ярче радуга, тем в ней больше красного насыщенного цвета. Если идёт мелкий дождик, то радуга получается широкая, но с блёклыми оранжевыми и жёлтыми краями.
Чаще всего видим радугу в форме дуги, но дуга – это лишь часть радуги. Радуга имеет форму окружности, но мы наблюдаем лишь половину дуги, потому что её центр находится на одной прямой с нашими глазами и Солнцем (рис. 8).
Рисунок 8. Схема образования радуги относительно наблюдателя
Целиком радугу можно увидеть лишь на большой высоте, с борта самолёта или с высокой горы (рис. 9).
Рисунок 9. Радуга с борта самолета
Введение
Мы живем в мире разнообразных световых явлений – радуга, полярные сияния, голубое небо. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – насколько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например, чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении Солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.
Все эти явления связаны с понятием «свет». В обыденной речи «свет» мы используем в самых разных значениях: ученье – свет, а неученье – тьма, свет мой, солнышко, скажи … В физике термин «свет» имеет гораздо более определенное значение. Опытным путем было установлено, что свет нагревает тела, на которое падает. Следовательно, он передает этим телам энергию. Мы также знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, следовательно, Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения. Свет обладает множественными свойствами, одним таким свойством света является – дисперсия. Мы всегда сталкиваемся с этим явлением в жизни, но не всегда замечаем этого. Но если быть внимательным, то явление дисперсии всегда нас окружает. Одно из таких явлений это обычная радуга. На первый взгляд радуга это что-то простое, на самом деле при возникновении радуги происходят сложные физические процессы. Поэтому мы выбрали тему дисперсия света для того, чтобы глубже понять физические процессы и явления, происходящие в природе. Это очень интересная тема и мы постараемся в своем проекте представить все моменты, происходящие в истории развития науки о свете и показать опыты по демонстрации дисперсии света, а так же свою экспериментальную установку, разработанную специально для наблюдения дисперсии света, которая впоследствии может быть использована на уроках физики при изучении данной темы.
Цель проекта – изучение понятия «Дисперсия света» и изготовление экспериментальной установки «Цветовой диск Ньютона».
Задачи:
- Изучить историю открытия И. Ньютоном явления Дисперсия света.
- Рассмотреть спектральный состав света.
- Дать понятие о дисперсии света.
- Подготовить эксперименты по наблюдению дисперсии света.
- Рассмотреть природное явление радуга.
- Изготовить экспериментальную установку «Цветовой диск Ньютона».
1.3. Дисперсия света
Проходя через призму, луч солнечного света не только преломляется, но и разлагается на различные цвета.
Дисперсией называется явление разложения света на цвета при прохождении света через вещество.
Прежде чем разобраться в сути этого явления, необходимо рассмотреть преломлении световых волн. Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением.
Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света (рис. 4).
Рисунок 4. Преломление светового луча
Закон преломления света: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
При изменении угла падения α меняется и угол преломления β , но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления – физическая величина, равная отношению синуса угла падения луча к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в эту среду.
Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд.
Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что
Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого – меньше, чем для фиолетового.
Дисперсия света – зависимость показателя преломления и скорости света от частоты световой волны.
Абсолютный показатель преломления стекла n, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света. В опыте Ньютона при разложении в спектр пучка белого света, лучи фиолетового цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных, поэтому на экране можно наблюдать цветную полосу – спектр (рис. 5).
Рисунок 5. Преломление светового луча при прохождении через более оптически-плотную среду – стеклянную призму
I. Теоритическая часть
II. Практическая часть
2.1. Демонстрация экспериментов по наблюдению дисперсии света
Изучив историю открытия дисперсии света, и процесс образования спектра, мы решили опытным путем пронаблюдать дисперсию света. Для этого подготовили и провели видео эксперименты, которые можно использовать на уроках физики при изучении темы Дисперсия света.
Эксперимент №1. Получение радужного спектра на мыльных пленках
Для проведения эксперимента понадобится: ёмкость с мыльным раствором, проволочная рамка.
Ход эксперимента: наливаем мыльный раствор в ёмкость, опускаем рамку в раствор, образуется мыльная плёнка. На плёнке появляется радужные полосы.
Эксперимент №2. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении сквозь стеклянную призму
Для проведения эксперимента понадобится: призма, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги).
Ход эксперимента: устанавливаем призму на экспериментальном столике. С одной стороны столика устанавливаем экран. Свет направляем на призму и на экране наблюдаем радужные полосы.
Эксперимент № 3. Дисперсия света – разложение в радужный спектр пучка белого света при прохождении через воду
Для проведения эксперимента понадобится: зеркало, источник света (фонарик телефона), экран (лист белой бумаги), ёмкость с водой.
Ход эксперимента: в ёмкость наливаем воду и кладем на дно зеркало. Направляем на зеркало свет, чтобы отраженный свет попадал на экран.
1.2. Цветовой диск Ньютона
Ньютон провел обычный опыт со стеклянной призмой и заметил разложение света на спектр. Направив луч дневного света на призму, он увидел на экране различные цвета радуги. После увиденного он выделил из них семь основных цветов. Это были такие цвета как: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать где сидит фазан). Ньютон выбрал лишь семь цветов по той причине, что были наиболее яркие, он также говорил, что в музыке всего семь нот, но сочетание их, различные вариации позволяют получить совершенно различные мелодии. Проведя обратный опыт, т.е. полученный спектр он направил на грань другой призмы и в результате опыта Ньютон снова получил белый свет (рис.10).
Рисунок 10. Первая призма разлагает белый свет в спектр, вторая вновь собирает спектр в белый свет
На основе этих простых опытов Ньютону пришла в голову мысль о создании круга состоящего из семи секторов и закрашенных определенными цветами в результате вращения, которого произойдет их смешение и мы получим белую раскраску этого круга. В последствии этот круг стали называть Цветной диск Ньютона (рис. 11).
Рисунок 11. Цветной диск Ньютона
Попробуем повторить опыт Ньютона. Для этого создадим экспериментальную установку, которая состоит из компьютерного кулера и прикрепленного к нему цветового диска, также блока питания (рис. 12).
Рисунок 12. Экспериментальная установка по получению белого света из спектра
Кулер создает большой проток воздуха, и служит для того что бы привести во вращение цветной диск. Так как наша установка подключается в сеть с напряжением 220 В, а кулер рассчитан на 12 В, поэтому к кулеру подключили блок питания для понижения напряжения с 220 В на 12 В. Для безопасности установка изолирована в пластмассовом боксе.
В результате при включении установки в розетку сети питания цветной круг, закрепленный на кулере, начнет вращаться, и мы увидим желтовато-белую окраску круга (рис. 13).
Рисунок 13. Результат вращения цветового диск Ньютона
Окраска круга при вращении желтовато-белая по двум причинам:
- Скорость вращения круга очень низкая по сравнению со скоростью света;
- Круг окрашен с резкими цветовыми переходами, если сравнивать со спектром разложения белого света.
Таким образом, нам удалось повторить эксперименты Ньютона по разделению белого света на спектр и наоборот получение белого света из спектра.
1.2. Спектральный состав света
Полученную таким образом цветную полоску солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги – красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый (рис. 2).
Рисунок 2. Разложение белого пучка света на спектр
Спектр – (от латинского «spectrum» – видение) непрерывный ряд цветных полос, получается путем разложения луча белого света на составные части (рис. 3).
Рисунок 3. Спектр
Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра распадается на три главные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего – красные.
Читайте также: