1. наукове пояснення
2. необхідні матеріали
3. хід експерименту
4. Спостереження і результати

Розглянемо, як світло може одночасно бути і часткою, і хвилею на підставі невеликого наукового експерименту. Швидше за все, вам доводилося чути про те, що світло складається з частинок, що іменуються фотонами. Як може щось настільки на перший погляд «нематеріальне», як світло, складатися з частинок? Фізики описують світло, як частинку і хвилю. Світло постає одночасно в кожному з цих якостей. Волноподобное поведінку світла породжує масу цікавих ефектів. У тому числі і веселкові кольори, породжувані світлом на поверхні бульбашок. Щоб дослідити поведінку світла в якості хвилі, вам будуть потрібні: три стрижня для механічного олівця, лазерна указка і ... темна кімната. Адже найцікавіші речі завжди відбуваються тільки в темряві. Але для початку трохи роз'яснень .

наукове пояснення

Хвилі, як відомо, властиво поширюватися. Кінетична енергія проходить через речовину, не замінюючи собою молекули самого речовини. Вона проводить речовина через фази стиснення (зближуючи молекули один з одним) і розрідження (коли молекули один від одного віддаляються). Саме це відбувається в динаміці, вібрує від музики.

Коли хвилі вступають в контакт один з одним, на їх шляху виникає перешкода. Якщо хвилі знаходяться в одній фазі (стиснення або розрідження) одночасно, то відбувається посилення. Якщо ж хвилі знаходяться в різних фазах (одна намагається стиснути речовина, інша розрідити), то відбувається придушення хвилі. Саме так працюють навушники, через які не проникає зовнішній шум (шумоподавляющіе навушники): вони виробляють звукову хвилю, подібну до тієї, яка характерна для небажаного шуму, але в протилежній фазі. Цим забезпечується ефект придушення хвилі молекул повітря стороннього шуму. Коли її енергія досягає вашого вуха, зовнішній крик буде сприйматися вами подібно шепоту, а відгомін гуркоту могутнього мотора літака долине до вас слабким дзижчанням.

Іншою важливою властивістю хвиль є переломлення (дифракція). Коли хвилі стикаються на своєму шляху з перешкодою, вони оминають його, а потім вступають один з одним у взаємодію. У нижчеописаному експерименті ми поставимо на шляху світла перешкоди, забезпечивши проходи, які дадуть світловий хвилі можливість переломити. Різні точки заломлення хвиль демонструють приклади конструктивних і деструктивних перешкод. Ви зможете спостерігати дивне явище поглинання світлом самого себе.

необхідні матеріали

Три або більше грифелей для механічного олівця (підійдуть діаметром 0,5 або 0,7 міліметра), лазерна указка (червоне світло непоганий, але ефект від зеленого буде більш наочним), темна кімната.

хід експерименту

Затемните кімнату. Темрява повинна бути близька до абсолютної. Станьте на відстані приблизно 1 метр 20 сантиметрів від стіни. Додайте три грифеля між великим і вказівним пальцем лівої руки. Для тих, чия основна рука ліва, рекомендується розміщувати грифелі в правій руці. Додайте їх так, щоб відстані між ними були вкрай невеликі. Таким чином між грифелями утворюються два невеликих проходу, які і будуть каналами заломлення.

Увімкніть лазерну указку і направте її світло в сформовані грифелями канали та подивіться на відбитий від стіни світло. Що ви бачите? В ході експерименту міняйте положення грифелей і напрямок лазера, а також ширину каналів заломлення. Якщо ви робите все правильно, світловий малюнок на стіні буде змінюватися. Спробуйте використовувати більше грифелей, щоб створити більше дифракційних каналів. Як додаткові канали змінюють світлову проекцію на стіні?

Спостереження і результати

Світло лазера проявить себе в формі двох паралельних, але зчеплених між собою, хвиль. Світлові лінії будуть паралельні один одному, якщо фаза хвиль збігається. Світло від кишенькового ліхтарика цього ефекту не дасть: промені ніколи не будуть паралельні один одному. Хвилі лазерного світла заломлюються, проходячи через дифракційні канали, утворені олівцевими грифелями, породжуючи проекцію на стіні. При перекритті хвилями один одного вони вступають у взаємодію. У деяких випадках це перекриття буде конструктивним, в інших деструктивних. При конструктивній взаємодії світло на стіні буде яскравим. В інших випадках хвилі будуть пригнічувати один одного (деструктивне взаємодія). У цих випадках на світлової проекції з'являться темні проміжки.

Коли світло стане вести себе тільки як частка, ви зможете бачити на стіні тільки дві точки навпроти каналів заломлення. До сучасного поданням про природу світла людство йшло довго. Великий англійський учений Ісаак Ньютон визначав світло в якості потоку частинок. У 19 столітті вчені прийшли до висновку, що світло є хвилею. Але оскільки світло поводився подібно часткам, Альберт Ейнштейн висловив припущення про те, що світло насправді є часткою, іменованої фотоном. Фізик Макс Планк запанікував, вигукуючи: «теорія світла буде відкинута назад не на десятиліття, а на століття» в разі, якщо наукове співтовариство погодиться з теорією Ейнштейна. В кінцевому підсумку науковими колами було вироблено компромісне визначення: світло одночасно є і часткою (фотоном) і вільний.

Роздуми про хвильову природу світла кореспондуються з ймовірністю того, що фотон буде в певному місці в певний час. Це дозволяє більш ясно зрозуміти, як можна змусити фотони зайняти на стіні певні позиції, коли їх хвилі створюють один одному перешкоди. Менш інтуїтивно зрозумілий той факт, що фотони можуть одночасно проходити через два канали, продовжуючи виявляти поведінку, характерну для хвилі, наштовхує на перешкоди. І як окремі фотони здатні, пройшовши через два канали, прибути в одну і ту ж точку!

Цей нескладний фізичний експеримент, проведений зимовим вечором в колі сім'ї, дозволить отримати масу приємних емоцій . Наука буває не тільки корисною, а й вкрай цікавою. А людство продовжує неухильно рухатися шляхом науково-технічного прогресу, що задовольняє не тільки матеріальні потреби, а й потреба розумної істоти в нових знаннях.

За мотивами Education.com