مختبر الفيزياء

تداخل الضوء بواسطة الشق المزدوج.

سؤال التجربة:

كيف يمكن استخدام نمط تداخل الشقّ المزدوج في قياس الطول الموجي للضوء الأحادي؟

التحليل:

1. اضبط المسافة بين الشقّين والشاشة، هل توجد مسافة معينة تسمح لك بجمع معظم البيانات بدقة كبيرة؟

ينتشر النمط أكثر مع زيادة البعد عن الشاشة. المسافة الفاصلة بين الأهداب الناتجة يمكن أن تجعل قياس x سهلًا ولكن في المقابل يقل التباين مع زيادة المسافة، فيصعب رؤية بعض الأهداب. إن الدقة هي مسألة تحديد المسافة التي تعطينا أهداباً حادة وواضحة ويتباعد بعضها عن بعض مسافات متساوية.

2. احسب الطول الموجي λ لمصدر الضوء مستخدماً m وقياسات كل من x و d و L.

$\begin{array}{r}\lambda =\frac{\mathrm{xd}}{\mathrm{mL}}=\frac{\left(5.5\times {10}^{-3}\mathrm{m}\right)\left(0.2\times {10}^{-4}\mathrm{m}\right)}{\left(1\right)\left(1.83\mathrm{m}\right)}\\ =601\mathrm{nm}\end{array}$

3. تحليل الخطأ. قارن بين الطول الموجي الذي حسبته والقيمة المقبولة، وذلك بحساب النسبة المئوية للخطأ.

عينة إجابات: النسبة المئوية للخطأ تساوي

$\mathrm{\%}\text{ error }=\frac{(670\mathrm{nm}-601\mathrm{nm})\left(100\mathrm{\%}\right)}{\left(670\mathrm{nm}\right)}=10\mathrm{\%}$

الاستنتاج والتطبيق:

1. استخلص. هل مكّنتك الخطوات التي نفذتها من استخدام نمط التداخل للشقّ المزدوج، في حساب الطول الموجي للضوء؟ وضّح إجابتك.

نعم.

2. قدّر. ما النتائج التي ستحصل عليها إذا استخدمت لوحة تكون فيها المسافة الفاصلة d بين الشقّين أقل، مقارنة بالحالة الأولى، وأجريت التجربة مرة أخرى وبالطريقة نفسها تماماً؟

إنقاص قيمة d يزيد من قيمة .

3. استنتج. ما التغيرات التي تطرأ على ملاحظاتك إذا استخدمت ضوءاً أخضر، وكانت لوحة الشقّ المزدوج هي نفسها التي استخدمتها سابقاً، والمسافة بين الشقّين والشاشة هي نفسها كذلك؟

للضوء الأخضر طول موجي أقصر منه للضوء الأحمر؛ لذا ستكون x أصغر مقارنة بالضوء الأحمر.

التوسع في البحث:

1. استخدام التوضيح العلمي. صف لماذا يخفت نمط التداخل للشقّ المزدوج، ثم يسطع، ثم يخفت، كلما ازداد البعد عن مركز النمط.

هذا هو حيود الشق الأحادي الذي يتراكب مع أهداب تداخل الشق المزدوج. إنه ينتج من استعمال الشقوق التي يزيد عرضها على 1μm.

2. تحليل الخطأ. صف بعض الأمور التي يمكنك تنفيذها في المستقبل لتقليل الخطأ المنهجي في تجربتك.

عينة إجابات: زد L لزيادة x، واستعمل الغرفة المعتمة لتكون الأنماط أكثر وضوحاً.

3. قوّم. افحص أداة القياس التي استخدمتها، وحدّد أيّ الأدوات قلّلَت من دقة حساباتك؟ وأيّها حقّقت لك دقة أكبر؟

عينة إجابة: الدقة الأقل ناتجة عن استعمال المسطرة المترية لقياس x والصعوبة في إيجاد مركز الهدب المضيء. إن الطول الموجي المعلوم لضوء الليزر يعطي دقة أكبر مما نحتاج إليه.

4. تقنيات المختبر. كيف يمكنك أن تعدّل في إعدادات التجربة لكي تستخدم ضوءاً أبيض من مصباح كهربائي عادي لتوليد نمط تداخل الشقّ المزدوج؟

ضع شقاً أحادياً ذا عرض ضيق بين المصباح الكهربائي والشق المزدوج.

الفيزياء في الحياة:

1. إذا سقط ضوء أبيض على شقوق باب شبكي يمنع دخول الحشرات، فلماذا لا يُرى نمط تداخل في ظل الباب على الجدار؟

يكون الضوء النافذ من الباب الشبكي غير مترابط، لكونه يصدر عن عدة مصادر، حتى لو كان الضوء مترابطاً، فإن المسافة الفاصلة بين الشقوق كبيرة بصورة كافية، حيث تكون المسافة بين الأهداب المضيئة الناتجة صغيرة جداً، فلا يمكن رؤيتها أو تمييزها. ولهذين السببين فإنه لا يظهر أي نمط على الجدار.

2. إذا كان جميع الضوء الذي ينير العالم مترابطاً، فهل ستبدو الأشياء مختلفة؟ وضح ذلك.

ستبدو الأشياء أقل تحديداً ورفيعة (أقرب إلى رسم خط ناعم وفاتح اللون)، أما الضوء غير المترابط فهو الذي يأتي من الاتجاهات جميعها.