Ćwiczenie nr 1.

Cel ćwiczenia:

obserwacja zjawiska dyfrakcji.

Materiały i metody:

obserwowanie zjawiska dyfrakcji w prostym doświadczeniu spoglądania na światło przez wąską szczelinę wytworzoną między dwoma palcami.

Wyniki:

W wyniku przybliżania palcy do oka zauważono pionowe paski- prążki w szczelinie między palcami. Prążki znikają po oddaleniu palcy od oka, raz są ciemniejsze a raz jaśniejsze.

Dyskusja:

Zasada Huygensa mówi o tym, że każdy punkt, do którego dochodzi fala może stać się źródłem nowej fali kolistej.. W wyniku przechodzenia światła niespolaryzowanego przez dostatecznie małą szczelinę np. szczelinę między dwoma palcami światło to ulega zjawisku dyfrakcji, czyli zmianie kierunku rozchodzenia się fali po napotkaniu przeszkody o rozmiarach podobnych do długości fali. Szczelina między palcami może być więc traktowana jako układ wielu takich punktów, które tworzą nową falę. Obserwacja prążków raz ciemniejszych a raz jaśniejszych tłumaczy zjawisko interferencji, czyli nakładania się, wzmacniania i wygaszania fal. Zjawisko staje się niewidoczne po oddaleniu palcy od oka.

Ćwiczenie nr2.

Cel ćwiczenia:

Obserwacja zjawiska dyfrakcji na ptasim piórze.

Materiały i metody:

zdjęcia piór wykonane za pomocą mikroskopu podłączonego do monitoru.

Wyniki:
Pióro ptaka ma bardzo regularną budowę. Składa się z pojedynczej stosiny, dutki i dwóch chorągiewek: jednej zewnętrznej i jednej wewnętrznej. Każda z nich zbudowana jest tak samo z promieni , z których wyrastają na dwie strony promyki połączonych ze sobą za pomocą haczyków. Taka mikroskopowa budowa pióra sprawia, że jest to model naturalnej siatki dyfrakcyjnej.
Zabarwienie piór zależne jest od warstwy cząsteczek melaniny o mikroskopijnej grubości, która wyściela pryzmatyczne, wewnętrzne struktury tych piór, lipochromów oraz samej budowy. Światło polichromatyczne przechodząc przez regularną budowę pióra daje obraz dyfrakcyjny z widm tego światła. Efekt dyfrakcji i interferencji sprawia, że kolor piór o metalicznym połysku zmienia się w zależności od kąta padania światła i od pozycji patrzącego.
Z obserwacji zdjęć mikroskopu świetlnego podłączonego do monitora zauważono,że:
- w oświetleniu dia promienie lotki były widoczne jako czarne-nie przepuszczały światła, natomiast obszary miedzy promieniami były jasne- przepuszczały światło
- w oświetleniu epi – promienie lotki były jasne- odbijały światło, a obszary między promieniami były ciemne- pochłaniały światło.

Dyskusja:
Pióro dzięki swej regularnej budowie działa jako siatka dyfrakcyjna na padające na nie światło niespolaryzowane. W wyniku tej szczególnej własności pióra mienią się w zależności od kąta padania światła i od pozycji patrzącego.

Ćwiczenie nr 3.

Cel ćwiczenia:

Zaobserwowanie różnic w przechodzeniu światła białego przez dwa typy roztworów.

Materiały i metody:

Obserwacja światła białego po przejściu przez kuwetę z czarnym atramentem oraz z białą śmietanką.

Wyniki:

Po dodaniu do kuwety z wodą śmietanki zaobserwowano rozproszoną wiązkę światła białego w całej objętości roztworu;

Po dodaniu niewielkiej ilości czarnego atramentu do kuwety z wodą zaobserwowano wiązkę światła białego o kształcie zbliżonym do stożka; wiązka nie przechodzi przez cały roztwór; im więcej atramentu dodano do roztworu tym wiązka światła była krótsza.

Dyskusja:

Światło białe wchodząc do kuwety z roztworem białej śmietanki ulega całkowitemu rozproszeniu: każda biała cząsteczka w roztworze odbija światło białe, stąd obserwujemy wiązkę światła białego w kształcie stożka rozproszoną.

Światło białe wchodząc do kuwety z roztworem czarnego atramentu ulega całkowitemu pochłonięciu przez cząsteczki tego roztworu: każda czarna cząsteczka absorbuje światło białe, stąd im więcej dodano barwnika tym więcej światła białego zostało pochłonięte przez roztwór dając krótszą wiązkę światła.

Ćwiczenie nr 4.

Cel ćwiczenia:

Obserwacja zjawiska fluorescencji danego roztworu.

Materiały i metody:

Obserwowanie zjawiska fluorescencji zakwaszonego roztworu eozyny (o kolorze pomarańczowo-czerwonym) przy pomocy wzbudzania tego roztworu światłem o różnych długościach fali. W tym celu zastosowano 4 programy oznaczone: f₁-światło białe, f₂- światło o długości fali ›540nm, f₃-światło o długości ›600nm, f₄- światło białe bez filtra. Dodatkowo zastosowano filtr granatowy, zielony i brązowy (żółty) przy programie f₄.

Wyniki:

Program (filtr)	Barwa światła wychodzącego z aparatu	Barwa roztworu zaobserwowana po wzbudzeniu	Długość wiązki wzbudzonej
F1	Białe	zielone	Ok. 2,5 cm
F2	zielone	żółte	Ok. 12 cm
F3	pomarańczowe	pomarańczowe
F4	białe	zielone	Ok. 3 cm
granatowy	niebieskie	zielone	Ok. 22 cm
zielony	zielone	żółte	Ok. 6 cm
Brązowy(żółty)	żółte	pomarańczowe	Ok. 10 cm

tab. 1 Tabela z wynikami ćwiczenia.

Dyskusja:

Fluorescencja jest przykładem emitowania energii świetlnej przez cząsteczkę, która wcześniej zaabsorbowała daną ilość energii. Zgodnie z prawem zachowania energii, energia emitowana będzie zawsze niższa bądź równa tej, którą dana cząsteczka pochłonęła. Poniższa tabela zawiera dane dotyczące poszczególnych barw światła widzialnego, ich długości fali oraz energię jaką niosą fotony i danej barwie:

1. źródło: http://fizyka.biz/351_optyka.html

Wyniki uzyskane w doświadczeniu są zgodne z prawem zachowania energii, ponieważ:

• światło białe jest złożone ze wszystkich barw, stąd jego energia jest wyższa niż światła o każdej innej barwie; pochłonięte przez roztwór zakwaszonej eozyny wzbudza światło zielone o niższej energii;

• światło zielone ma niższą energię niż światło żółte, stąd pochłonięte przez dany roztwór emituje światło żółte;

• światło pomarańczowe nie wywołuje zjawiska fluorescencji w zakwaszonym roztworze eozyny, ponieważ roztwór ten może nie absorbować światła pomarańczowego sam będąc o barwie pomarańczowej. Inną przyczyną może być zbyt niska energia fotonów dla barwy pomarańczowej by wzbudzić fluorescencję;

• światło niebieskie ma większą energię niż światło zielone, stąd zielona fluorescencja jest możliwa w przypadku tego roztworu;

• światło żółte ma wyższą energię niż światło pomarańczowe, więc możliwa jest obserwacja pomarańczowej fluorescencji; lecz w tym przypadku sam roztwór nie wzbudzony ma barwę pomarańczową, stąd nie wiadomo, czy faktycznie światło żółte zostało pochłonięte a następnie emitowane pomarańczowe, czy też tak jak w przypadku światła pomarańczowego ma ono zbyt niską energię, by wzbudzić roztwór zakwaszonej eozyny do fluorescencji.

Ćwiczenie nr 5

1. Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie długość fali światła monochromatycznego zielonego oraz czerwonego

Materiały i metody:

Wyznaczenia długości fali światła zielonego i czerwonego za pomocą laserów oraz siatki dyfrakcyjnej o znanej stałej z wykorzystaniem poniższych danych:

a-odległość na tablicy od środka obrazu do punktu na widmie pierwszego rzędu.

b- odległość między płaszczyzną na której otrzymano obraz a siatką dyfrakcyjną.

Obliczenia wykonano w programie Microsoft Excel z zastosowaniem poniższych wzorów:

dsinα=nλ λ= $\frac{d\sin\alpha}{n}$

$$\sin{\alpha = \frac{a}{c}}$$

a² + b² = c², czyli c=$\sqrt{a^{2} + b^{2}}$

d=cal/ilość rys, gdzie 1cal=2,54cm

Znana wielkość stałej siatki dyfrakcyjnej: d= 13400/cal

Wyniki:

światło:	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinα	ilość rys/cal	d [cm]	n	λ [cm]	λ [nm]
zielone	8	27,5	28,64	0,2793	13400	0,00019	1	5,29475E-05	529,4754
czerwone	10,3	27,5	29,37	0,3508	13400	0,00019	1	6,64855E-05	664,8549

Dyskusja:

Uzyskane wyniki długości fali światła monochromatycznego zielonego oraz czerwonego są zgodne z danymi w tabeli w ćwiczeniu 4. W związku z tym, stwierdzono, że za pomocą tej metody można wyznaczyć długość fali światła monochromatycznego mieszczącą się w przedziale dla danej barwy.

2. Cel ćwiczenia:

Oszacowanie wielkości erytrocytów z rozmazu krwi

Materiały i metody:

Oszacowanie wielkości erytrocytów na rozmazie krwi za pomocą lasera oraz siatki dyfrakcyjnej o znanej stałej siatki. Wartość długości fali światła zielonego oraz czerwonego wzięto z podpunktu b); rząd widma n przyjęto nieco inny; podany jest w tabeli z wynikami. Wszystkie obliczenia wykonano w programie Microsoft Excel 2007 korzystając z wzoru: d*sinθ=n*λ

1. Za pomocą światła zielonego:

a [m]	b [m]	c [m]	sin θ	n	λ [m]	λ [nm]	d
0,3	0,02	0,300666	0,066519	1,22	5,29475E-07	529,4754	9,71091E-06
0,3	0,045	0,303356	0,14834	2,33	5,29475E-07	529,4754	8,31653E-06
0,3	0,07	0,308058	0,22723	3,23	5,29475E-07	529,4754	7,52633E-06
						średnia:	8,51792E-06

1. Za pomocą światła czerwonego:

a [m]	b [m]	c [m]	sin θ	n	λ [m]	λ [nm]	d
0,3	0,023	0,30088	0,076442	1,22	6,64855E-07	664,8549	1,06109E-05
0,3	0,055	0,305	0,180328	2,33	6,64855E-07	664,8549	8,59053E-06
0,3	0,086	0,312083	0,275567	3,23	6,64855E-07	664,8549	7,79294E-06
						średnia:	8,99813E-06

Dyskusja:

W wyniku przeprowadzonego doświadczenia otrzymano wyniki 8,518 μm oraz 8,998 μm, co po uśrednieniu daje wynik 8,758 μm. Wg danych z literatury średnia wielkość erytrocytu wynosi 6-9 μm, zatem uzyskane wyniki mieszczą się w tym zakresie.

3. Cel ćwiczenia:

Oszacowanie stałej dyfrakcyjnej.

Materiały i metody:

Oszacowanie stałej siatki dyfrakcyjnej przy pomocy światła monochromatycznego zielonego z lasera.

Wyniki:

odległość siatki dyfrakcyjnej od tablicy= 2,16m

odległość między punktami na tablicy= 2,1cm

a [m]	b [m]	c [m]	n	λ [nm]	sinθ	d [nm]
2,16	0,021	2,160102	1	529,4754	0,009722	54462,90064

Dyskusja:

Po wykonaniu doświadczenia i po odpowiednich obliczeniach uzyskano wartość stałej siatki dyfrakcyjnej równą 54462,9 nm.

Ćwiczenie nr 6

Cel ćwiczenia:

Obliczenie względnego współczynnika załamania światła n dla pryzmatu.

Materiały i metody:

Obserwacja kąta odbitego oraz kąta załamanego po przejściu przez pryzmat światła spolaryzowanego o znanej długości fali.

Wyniki:

Światło zielone

Kąt padający	Kąt odbity	Kąt załamany
30^0	30^0	65^0
45^0	45^0	74^0
60^0	60^0	90^0

Światło czerwone

Kąt padający	Kąt odbity	Kąt załamany
30^0	30^0	68^0
45^0	45^0	78^0
60^0	60^0	95^0

Obliczono współczynnik załamania światła w pryzmacie w programie Microsoft Excel z zastosowaniem wzorów:

$$\frac{\sin{\alpha 1}}{\sin\alpha 2} = \frac{n2}{n1}$$

gdzie: n2 jest współczynnikiem załamania światła w pryzmacie dla światła zielonego i czerwonego

n1 jest współczynnikiem załamania światła w powietrzu i wynosi 1

α1 jest kątem promienia padającego na powierzchnię pryzmatu

α2 jest kątem promienia załamanego w pryzmacie odpowiednio dla światła zielonego i czerwonego

α1	α2 (zielone)	α2 (czerwone)	n1	n2 (zielone)	n2 (czerwone)
30	65	67	1	1,81261557	1,841009707
45	74	78	1	1,35942933	1,129467561
60	90	95	1	1,15470054	1,150306554
			średnia:	1,44224848	1,373594607

Dyskusja:

W wyniku przeprowadzonego doświadczenia otrzymano wartość względnego współczynnika załamania światła dla pryzmatu równy 1,44 i 1,37 odpowiednio dla światła zielonego i czerwonego. Po uśrednieniu otrzymano wynik 1,405.

Ćwiczenie nr 7

Cel ćwiczenia:

Budowa mikroskopu metodą prób i błędów

Materiały i metody:

soczewka skupiająca o zdolności skupiającej 5 dioptrii, soczewka skupiająca o zdolności skupiającej 10 dioptrii, źródło światła, przedmiot do powiększenia, ława optyczna

Wyniki:

Uzyskano obraz powiększony przedmiotu przy odległościach między:

Źródło światła a pierwsza soczewka skupiająca odwrócona: 9,5cm

pierwsza soczewka skupiająca odwrócona a druga soczewka skupiająca: 5,5cm

druga soczewka skupiająca a obraz: 13,5cm

obraz a soczewka dwuwypukła: 5,5cm

soczewka dwuwypukła a papier:19cm

soczewka dwuwypukła a ściana: 151cm

wielkość przedmiotu: 0,8cm

wielkość uzyskanego przedmiotu: 10,5cm

Rys. 1 Schemat zbudowanego mikroskopu

Wnioski:
Zbudowano mikroskop, który powiększył obraz około 13- krotnie: (10,5:0,8= 13,125)

Ćwiczenie nr 8

Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie długości fali przy pomocy siatki dyfrakcyjnej odbiciowej.

Materiały i metody:

Wyznaczenie długości fali światła przy użyciu płyty CD o stałej dyfrakcji 1,6mikrometra, lampy teatralnej i metra. Mierzono odległości od środka obrazu do początkowego kręgu zaobserwowanej barwy

Wyniki:

Zmierzono odległość poszczególnych kolorów od środka obrazu:

kolor	Pierwszy pomiar (dla prążków pierwszego rzędu po prawej stronie)	Drugi pomiar (dla prążków pierwszego rzędu po lewej stron)
Żółty	57	58
pomarańczowy	62	64
Czerwony	69	68
Fioletowy	37	38
Niebieski	40	43
zielony	47	49

Obliczono długość poszczególnych fal przy pomocy programu Microsoft Excel z zastosowaniem poniższych wzorów:

dsinα=nλ λ= $\frac{d\sin\alpha}{n}$

$$\sin{\alpha = \frac{a}{c}}$$

a² + b² = c², czyli c=$\sqrt{a^{2} + b^{2}}$

pomiar I
światło	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinθ	d [μm]	n	λ [μm]	λ [nm]
żółte	57	191	199,3239	0,285967	1,6	1	0,457547	457,5468
pomarańczowe	62	191	200,8109	0,308748	1,6	1	0,493997	493,9972
czerwone	69	191	203,0813	0,339765	1,6	1	0,543625	543,6247
fioletowe	37	191	194,5508	0,190182	1,6	1	0,304291	304,2908
niebieskie	40	191	195,1435	0,204977	1,6	1	0,327964	327,9637
zielone	47	191	196,6977	0,238945	1,6	1	0,382312	382,3125
pomiar II
światło	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinθ	d [μm]	n	λ [μm]	λ [nm]
żółte	58	191	199,6121	0,290564	1,6	1	0,464902	464,9016
pomarańczowe	64	191	201,4373	0,317717	1,6	1	0,508347	508,3467
czerwone	68	191	202,7437	0,335399	1,6	1	0,536638	536,6382
fioletowe	38	191	194,7434	0,195129	1,6	1	0,312206	312,2057
niebieskie	43	191	195,7805	0,219634	1,6	1	0,351414	351,414
zielone	49	191	197,1852	0,248497	1,6	1	0,397596	397,5958

Obliczono wartości średnie długości fali λ dla poszczególnych barw:

światło	λ [nm]
żółte	461,22
pomarańczowe	501,17
czerwone	540,13
fioletowe	308,25
niebieskie	339,69
zielone	389,95

Dyskusja:

- wartości otrzymane różnią się od wartości oczekiwanych;
- różnice te mogły być spowodowane niedoskonałością oka ludzkiego, niedokładnością metra, złym określeniem środka obrazu oraz początków prążków danej barwy;
- mimo znaczących różnic w wartościach długości fali otrzymano najkrótszą długość fali dla barwy fioletowej oraz najdłuższą dla barwy czerwonej, co było zgodne z oczekiwaniami.