Dvojštěrbinový pokus
Pokus číslo: 1658
Cíl pokusu
Pokus by měl žákům přiblížit pojem interference a seznámit je s historicky významným pokusem Thomase Younga z roku 1801.
Teorie
Podstata interference spočívá v tom, že vlnění přicházející do jednoho bodu z různých zdrojů se v tomto bodě navzájem skládají. Právě interference se využívá k demonstraci vlnové povahy zkoumaného fyzikálního jevu.
Aby byl interferenční jev pozorovatelný, musí se skládat koherentní světelná vlnění. Světelná vlnění jsou koherentní, jestliže mají stejnou frekvenci a jejich fázový rozdíl je v uvažovaném bodě prostoru konstantní. V místech interferenčních minim, kde se setkávají vlnění s opačnou fází, dochází k zeslabení intenzity světla. Naopak v místech interferenčních maxim, kde se setkávají vlnění se stejnou fází, je intenzita světla zesílena.
Pokud budeme svítit monofrekvenčním světlem na dvojici štěrbin, vznikne nám na stínítku interferenční obrazec s navzájem rovnoběžnými, pravidelně rozloženými (tzv. ekvidistantními) světlými a tmavými proužky. Vzdálenost dvou sousedních maxim (popř. minim) y je přímo úměrná vzdálenosti stínítka od štěrbin l a vlnové délce použitého monofrekvenčního světla λ, nepřímo úměrná vzdálenosti štěrbin d. Tedy
\[y=\lambda\frac{l}{d}.\tag{1}\]Pomůcky
Laserové ukazovátko, tři tuhy do mikrotužky s uváděným průměrem 0,5 mm, stínítko.
Postup
Mezi palec a ukazováček jedné ruky uchopíme tuhy tak, aby byly všechny rovnoběžné, těsně vedle sebe a jejich větší část byla viditelná.
Laserovým ukazovátkem posvítíme na tuhy proti stínítku.
Na stínítku sledujeme interferenční obrazec (viz fotografie níže).
Vzorový výsledek
Při pokusu byl použit laser s uváděnou vlnovou délkou λ = 532 nm. Vzdálenost stínítka od tuh byla nastavena na l = 1,5 m. Vzdálenost dvou sousedních minim byla změřena jako y = 1 mm. Vzdálenost štěrbin pak lze spočítat ze vztahu (1).
Po dosazení do upraveného vztahu (1) vyjde přibližná vzdálenost štěrbin
\[ d=\frac{l\lambda}{y}= \frac{1{,}5\,\cdot5{,}32\,\cdot10^{-7}}{10^{-3}}\,\mathrm{m} \doteq7{,}98\,\cdot10^{-4}\,\mathrm{m} \doteq0{,}8\,\mathrm{mm}. \]Vzhledem ke zvolenému průměru použitých tuh je tento výsledek v rámci chyb, kterých se při tomto měření můžeme dopustit, považován za reálný.
Technické poznámky
Jako stínítko můžeme použít stěnu učebny.
Aby byl interferenční obrazec déle pozorovatelný, je vhodné umístit laserové ukazovátko i tuhy do držáků.
Lze využít stojánky se svorkou, do jednoho uchytit laserové ukazovátko a do druhého izolepou omotané tuhy. Izolepu byla zvolena, aby se tuhy nezlámaly a hlavně držely po celou dobu pokusu u sebe.
Pro lepší viditelnost je dobré třídu zatemnit, není to však nutností.
Bezpečnostní upozornění: Dbejte zásad bezpečné práce se zdrojem laserového záření!
Metodické poznámky
Pokud si určíme vzdálenost štěrbin, dala by se vypočítat ze vztahu (1) vlnová délka použitého laseru či vzdálenost štěrbin od stínítka.
Žáci by si měli uvědomit, že dvě štěrbiny nahrazují zdroje koherentního světla.
S laserem a jednou tuhou můžeme ukázat, že na tenké překážce dochází k ohybovým jevům.
Odkazy na úlohy zabývající se dvojštěrbinovým pokusem
Experiment lze propojit s početními úlohami, které se zabývají stejnou problematikou – Youngovým (dvojštěrbinovým) pokusem. Na středoškolské úrovni jde o úlohu Poloha prvního maxima při interferenci dvou koherentních zdrojů, na vysokoškolské úrovni pak o úlohy Youngův pokus (se zanedbáním ohybových jevů na štěrbinách) a Ohyb na dvojité štěrbině (bez tohoto zanedbání).
Model interference dvou vlnění
Interferenci dvou koherentních vlnění vysílaných bodovým zdrojem lze modelovat například pomocí proužků moaré tak, jak to ukazuje experiment Proužky moaré: Interference kruhových vln.
