Interferens og bølgelengde (laser og gitter)

HMSFramgangsmåteTeoriSensorspørsmål

Når laserlys går gjennom et gitter med tett rekke spalter, danner det et mønster av lyse flekker på skjermen. Avstanden mellom dem røper lysets bølgelengde – og er et direkte bevis på at lys oppfører seg som en bølge.

Hensikt

Bruke interferens i et optisk gitter til å bestemme bølgelengden til laserlys, og vise at lys er en bølgefenomen.

Hypotese

Tettere gitter (mindre spalteavstand d) gir større vinkel til de lyse flekkene. Av målt vinkel og kjent d kan bølgelengden λ bestemmes.

HMS og sikkerhet

Før du starter

• Se aldri rett inn i laserstrålen og rett den aldri mot andres øyne – laserlys kan skade netthinnen.
• Bruk lavest mulig effektklasse (klasse 1–2) og unngå reflekterende flater i strålegangen.
• Fest laseren så den ikke kan svinge og treffe noen.

Utstyr du trenger

• Laserpenn/laser med kjent eller ukjent bølgelengde
• Optisk gitter med kjent linjetall (f.eks. 300 eller 600 linjer/mm)
• Skjerm eller vegg
• Målebånd / linjal
• Stativ for laser og gitter
• Evt. dobbeltspalt for sammenligning

Framgangsmåte – steg for steg

Framgangsmåte: send laser gjennom gitter og mål avstanden til de lyse flekkene.

1. Fest laseren og rett den vinkelrett mot skjermen i kjent avstand L.
2. Sett gitteret like foran laseren, vinkelrett på strålen.
3. Observer rekka av lyse flekker (maksima) på skjermen.
4. Mål avstanden fra midtflekken (n = 0) til første ordens flekk (n = 1) på begge sider.
5. Mål avstanden L fra gitter til skjerm.
6. Regn ut vinkelen θ av tanθ = avstand/L.
7. Finn spalteavstanden d = 1/(linjer per meter).
8. Bruk d·sinθ = n·λ til å regne ut bølgelengden λ.

Observasjoner og resultater

Konstruktiv interferens: d·sinθ = n·λ gir de lyse flekkene.

Du ser en symmetrisk rekke lyse flekker: en sterk i midten (nullte orden) og svakere flekker på hver side (første, andre orden …). Du finner at:

• Tettere gitter (mindre d) sprer flekkene lenger fra hverandre.
• Mellom de lyse flekkene er det mørkt (destruktiv interferens).
• Flytter du skjermen lenger unna, blir avstanden mellom flekkene større.

Orden n	Betingelse	Resultat
0	d·sinθ = 0	Sterk midtflekk
1	d·sinθ = λ	Første lyse flekk
2	d·sinθ = 2λ	Andre lyse flekk

Med d = 1/300 mm og θ målt til første orden gir d·sinθ = λ en bølgelengde rundt 650 nm for en rød laser.

Teorien bak

Lys er en elektromagnetisk bølge. Når det går gjennom et gitter, virker hver spalte som en ny bølgekilde. Bølgene fra spaltene interfererer: de forsterker hverandre der de er i fase (konstruktiv) og slukker hverandre der de er i motfase (destruktiv).

Konstruktiv interferens (lys flekk) skjer når veiforskjellen mellom nabospalter er et helt antall bølgelengder:

d·sinθ = n·λ

der d er spalteavstanden (1 delt på antall linjer per meter), θ er vinkelen til maksimum av orden n, og λ er bølgelengden. Måler du θ og kjenner d, finner du λ.

Et gitter gir skarpere og lysere maksima enn en dobbeltspalt fordi mange spalter bidrar, men betingelsen d·sinθ = nλ er den samme. At mønsteret i det hele tatt finnes, er beviset for at lys bøyer av og interfererer – altså oppfører seg som en bølge.

Typiske problemstillinger sensor stiller

Hvilken betingelse gjelder for lyse flekker (maksima)?

Konstruktiv interferens: d·sinθ = n·λ, der veiforskjellen mellom nabospalter er et helt antall bølgelengder. n = 0, 1, 2 … er ordenen.

Hvordan finner du bølgelengden av forsøket?

Mål vinkelen θ til en flekk av kjent orden n, finn spalteavstanden d = 1/(linjer per meter), og løs λ = d·sinθ/n.

Hva er forskjellen på konstruktiv og destruktiv interferens?

Konstruktiv: bølgene er i fase, topp møter topp, og forsterker hverandre (lys flekk). Destruktiv: bølgene er i motfase, topp møter bunn, og slukker hverandre (mørkt).

Hvorfor sprer et tettere gitter flekkene mer?

Fordi d er mindre. I d·sinθ = nλ gir mindre d større sinθ for samme λ og n, altså større vinkel mellom flekkene.

Hvorfor er dette et bevis på at lys er en bølge?

Interferens og diffraksjon er bølgefenomener. At lys danner et mønster med lyse og mørke striper, kan bare forklares hvis lyset er en bølge som kan forsterke og slukke seg selv.

Hva er fordelen med et gitter framfor en dobbeltspalt?

Mange spalter gir skarpere, lysere og bedre atskilte maksima, så vinkelen kan måles mer nøyaktig – det gir en sikrere bølgelengde.

Hva skjer hvis du bruker hvitt lys i stedet for laser?

Hver bølgelengde (farge) bøyes ulikt (lengre λ gir større vinkel), så maksima spres ut i et spekter med fargene fra fiolett til rødt. Laser gir én skarp farge.

Hva betyr nullte orden (n = 0)?

Den sentrale flekken der θ = 0. Her er veiforskjellen null for alle bølgelengder, så alt lys forsterkes rett fram uansett farge.

Sensortips – slik imponerer du

Slik får du toppkarakter

• Skriv opp d·sinθ = n·λ og forklar hvert symbol før du regner.
• Si tydelig at interferens beviser bølgenaturen til lys.
• Pass på enheter: d og λ i meter, vinkelen i grader/radianer.
• Nevn at hvitt lys gir spekter, laser gir én farge – det viser forståelse.

Slik vurderer sensor

Det som gir karakter 6

• Du bruker d·sinθ = nλ riktig og finner λ med riktig enhet.
• Du forklarer konstruktiv/destruktiv interferens med fase og veiforskjell.
• Du argumenterer for at forsøket viser lysets bølgenatur.
• Du vurderer måleusikkerhet i θ og L.

Typiske elevfeil å unngå

Vanlige feil

• Forveksler spalteavstand d med avstanden til skjermen L.
• Bruker tanθ i stedet for sinθ i gitterlikningen (ok bare for små vinkler).
• Glemmer å dele på ordenen n når n > 1.
• Blander enheter (mm/nm/m) og får λ helt feil størrelse.

Feilkilder

• Gitteret står ikke helt vinkelrett på strålen.
• Unøyaktig måling av små avstander mellom flekkene.
• Usikkert linjetall på gitteret.
• Skjermen står ikke vinkelrett, så avstandene blir skjeve.

Variasjoner av forsøket

• Sammenlign gitter med ulikt linjetall og bekreft at d styrer spredningen.
• Mål bølgelengden til lasere med ulik farge (rød vs. grønn).
• Bruk en dobbeltspalt og sammenlign mønsteret med gitteret.
• Send hvitt lys gjennom gitteret og observer spekteret.

Sentrale begreper

• Interferens – når bølger legges sammen og forsterker eller slukker hverandre.
• Konstruktiv interferens – bølger i fase forsterker hverandre; gir lys flekk.
• Destruktiv interferens – bølger i motfase slukker hverandre; gir mørkt.
• Optisk gitter – tett rekke spalter; gitterlikningen er d·sinθ = nλ.
• Spalteavstand (d) – avstanden mellom nabospalter, d = 1/(linjer per meter).
• Bølgelengde (λ) – avstanden mellom to bølgetopper; bestemmer fargen på lys.

Kompetansemål forsøket dekker

• Gjøre rede for bølgefenomener som interferens og diffraksjon.
• Bruke gitterlikningen til å bestemme bølgelengde.
• Planlegge og gjennomføre forsøk med lys og vurdere usikkerhet.

Ofte stilte spørsmål

Hvorfor brukes laser og ikke en vanlig lyspære?

Laserlys er monokromatisk (én bølgelengde) og koherent (i fase), så det gir et skarpt og tydelig interferensmønster. En lyspære sender ut mange bølgelengder og uorganiserte faser.

Hva er forskjellen på et gitter og en dobbeltspalt?

Begge bygger på samme interferensbetingelse, men gitteret har tusenvis av spalter. Det gjør maksima mye skarpere og lysere, slik at målingen blir mer nøyaktig.

Kan jeg bruke tanθ i stedet for sinθ?

Bare når vinkelen er liten, for da er tanθ ≈ sinθ. For store vinkler (tett gitter) må du bruke sinθ for å få riktig bølgelengde.

Hva forteller bølgelengden om lyset?

Bølgelengden bestemmer fargen: rødt lys har lang bølgelengde (~650 nm), fiolett kort (~400 nm). Synlig lys ligger mellom ca. 400 og 700 nm.

Klar for muntlig-praktisk?

Øv på flere Fysikk 2-forsøk og eksamensoppgaver med fasit.

Gå til Fysikk 2

Relaterte sider

Fotoelektrisk effektStrømleder i magnetfeltRadioaktivitetFysikk 2Alle Fysikk 2-forsøkFysikk 1-forsøkEksamensoppgaver med fasit