Этот красивый свет демонстрирует картину дифракции лазерного луча, освещающего человеческий волос
Вы можете измерить толщину единственного волоса в домашних условиях. Вам потребуется только тёмная комната, лазерная указка, картон, клейкая лента и немного математики. И, конечно, чей-нибудь волос. Для тех, кто любит обучающие ролики – статья составлена по мотивам видео от Frosbite Theater.
1. Необходимо изготовить небольшую картонную рамку, на которую нужно поместить волос. Я вырезал из картона квадрат со стороной около 15 см, а потом вырезал в его середине небольшой прямоугольник со сторонами около 1х4 см.
2. Возьмите человеческий волос – со своей головы, или с головы добровольца. Убедитесь, что он достаточно длинный, чтобы его можно было приклеить лентой с обеих сторон внутреннего прямоугольника. В моём случае, длина волос должна была составлять не менее 5 см, чтобы я мог приклеить их с обоих концов.
3. Приклейте волос как можно прочнее с обеих сторон рамки, так, чтобы волос проходил посередине вырезанного окошка.
4. В тёмной комнате встаньте дальше, чем в метре, от пустой стены. Держите рамку с волосом перед собой и посветите лазерной указкой на стену, расположив указку сразу за волосом, так, чтобы свет падал на него.
5. Вы увидите, как свет рассеивается с обеих сторон волоса, когда вы на него светите.
Волос вызывает дифракцию света лазера. Дифракция – это изгибание пути световой волны, проходящей рядом с объектом – с человеческим волосом или через щель в бумаге. Свет может вести себя, как волна, и когда он встречает волос, то разбивается на рисунок из повторяющихся линий. Этот рисунок можно будет увидеть на стене. Его размер связан с размером объекта, вызвавшего рассеяние. А это значит, что измерив размер рассеяния, можно, применив немного математики, узнать толщину волоса.
6. Измерьте в сантиметрах расстояние от вашего волоса до стены, на которую светит указка.
7. Узнайте длину волны света, производимого указкой. Красная указка будет выдавать свет с длиной волны порядка 650 нм, а зелёный – порядка 532 нм. Обычно это указано на самой указке.
8. Измерьте рассеяние света на стене. Нужно померить расстояние от центральной точки до первой видимой тёмной полосы. Нужно либо закрепить указку и рамку с волосом, либо попросить кого-то их подержать во время измерений.
И теперь у вас есть все данные, необходимые для расчёта толщины волоса. Убедитесь, что все ваши измерения сделаны в одних и тех же единицах. У меня, к примеру, получились следующие цифры:
- Расстояние между моим волосом и стеной – 187 см.
- Длина волны лазера – 650 нм, или 0,000065 см.
- Среднее рассеяние света, полученное измерением семи волос: 2,2 см.
Затем я подставил эти значения в уравнение, взятое из видео:
В этом уравнении D – диаметр волоса, m = интервал рассеивания. Я проводил измерения до первой тёмной полосы, поэтому m = 1. λ — длина волны лазера, то есть 0,000065 см. sin θ — угол рассеивания. Его можно подсчитать, разделив измерение рассеяния на расстояние от волоса до стены. В моём случае это будет среднее рассеяние в 2,2 см, делённое на 187 см.
В числовом виде уравнение получилось таким:
И я получил D = 0,005831 см или 58 мкм. Толщина волос людей обычно находится в промежутке от 17 до 180 мкм, и наши волосы отлично уложились в него, хотя оказались немного тоньше среднего.
Попробуйте это дома и поделитесь результатами в комментариях.
Ключевые слова
Дифракция. Искривление волн при встрече с объектом. Рисунок, который выдают волны при дифракции, можно использовать для определения структуры маленьких объектов – например, толщины человеческого волоса.
Лазер. Устройство, создающее плотный луч когерентного света одного цвета. Лазеры используют для проделывания отверстий, резки, выравнивания, в качестве направляющих, а также в хирургии.
Физика. Научное изучение природы и свойств материи и энергии.
Длина волны. Расстояние между двумя пиками или провалами соседних волн в последовательности. В видимый свет, который, как и всё электромагнитное излучение, представляет собой волну, входят волны длиной от 380 нм (фиолетовый) до 740 нм (красный). Излучение с меньшими, чем у видимого света, длинами волн – это гамма-лучи, рентген и ультрафиолет. С большими длинами – инфракрасный свет, микроволны и радио.
