- De leerlingen onderzoeken hoe licht zich gedraagt en gaan door middel van een proefopstelling proberen ook bij licht een interferentiepatroon te maken.
Subthema
Botsingen van golven en deeltjes
Doelen
- Leerlingen ervaren dat licht bestaat uit golven en dat dit zichtbaar te maken is.
- Leerlingen ervaren hoe onderzoekers op basis van waarnemingen ontdekkingen doen.
Duur
45 minuten
Werkvorm
In groepjes van 2-3
Benodigdheden
- Ruimte die zo goed mogelijk verduisterd kan worden
Per groepje:
- Stappenplan voor activiteit
- Laserpointer
- Papier of de achterkant van een snelhechter (werkt wat beter)
- Wit papier
- Aardappelschilmesje of stanleymes
- Schaar
- Plakband of tape
- Gladde snijplank of een stapel papier om op te snijden
- Twee boeken
- Mok
- Liniaal
- Optioneel: (oude) cd
Voorbereiding
We raden leraren aan deze activiteit zelf te testen voordat deze in de klas wordt uitgevoerd. De uitvoering luistert nauw, dus het is belangrijk dat de leraar vanuit ervaring kan begeleiden. Zorg ervoor dat de ruimte zo donker mogelijk is, zonder dat het zo donker is dat de opdracht niet
meer kan worden uitgevoerd.
Activiteit
Leg de leerlingen uit dat licht zich vaak gedraagt als een reeks golven. Als een golf op een scherpe rand terecht komt, zal deze breken – net zoals een golf op zee die een stuk kade raakt. Maar hoe kunnen we zelf zien dat licht inderdaad uit golven bestaat? De leerlingen gaan laserpointers gebruiken om dit te kunnen zien.
Maak duidelijk dat leerlingen niet met de laserpointer in ogen mogen schijnen. Ook met reflecties op sieraden en andere glanzende objecten moeten leerlingen oppassen. Pas op met reflecties als de laserbundel op een cd schijnt.
Deel het stappenplan uit aan de leerlingen en laat hen het uitvoeren. In het stappenplan staat ook een foto van een voorbeeldopstelling.
De opstelling luistert erg nauw. Het is dan ook belangrijk om als leraar de groepjes te helpen voor het juiste resultaat, zodat ze het interferentiepatroon ook echt te zien krijgen. Als het niet lukt, kan het helpen om een afbeelding van het gewenste patroon te laten zien. Dan weten leerlingen waar ze naar op zoek gaan. Hoe dunner de gemaakte spleet, hoe makkelijker een interferentiepatroon zichtbaar is. Dat komt omdat de intensiteit van het ongehinderde deel van het licht dan niet zo dominant is.
Als het niet alle groepjes lukt, zorg er dan voor dat ze bij elkaar kunnen kijken hoe het eruit ziet.
Afronding
Vraag de leerlingen te vertellen wat ze hebben gezien. Als het goed is, hebben ze ontdekt dat de lichtstreep altijd loodrecht op de richting van de spleet staat; als de spleet horizontaal is, is de lichtstreep verticaal en andersom. Laat de leerlingen (nogmaals) zien welk patroon je in het ideale geval zou zien. Dit patroon van wisselende lichtsterkte noemen we een interferentiepatroon. Leg uit dat omdat de leerlingen met hun proefopstelling hebben aangetoond dat licht uiteenvalt in een interferentiepatroon, ze kunnen concluderen dat ook licht zich als golven gedraagt. In deze proef komt een monochrome kleur licht binnen (licht van één golflengte/kleur). Als de lichtgolven op een scherpe rand (zoals een kleine spleet) terecht komen, zullen de golven breken. Hierdoor ontstaat een reeks nieuwe golven.
In de figuur hieronder breken golven A en B aan de randen, resulterend in nieuwe golven met pieken (zwart) en dalen (groen). Op de plekken waar de pieken van zowel A als B elkaar op hetzelfde moment raken en waar de dalen van A en B elkaar op hetzelfde moment raken (blauwe punten) tellen de golven maximaal op. Op de punten waar de pieken van A de dalen van B raken en vice versa, doven de golven uit (rode punten). Deze twee processen gecombineerd is de reden dat we een interferentiepatroon zien in deze proef. De lichtgolven die niet breken aan de rand zijn in dit plaatje niet getekend: deze zullen ongehinderd voortbewegen. Deze zorgen voor de intense lichtspot in het centrum van het interferentiepatroon.
Let op: De spleet is in deze figuur veel groter getekend dan het interferentiepatroon, om het interferentieproces te verduidelijken. In werkelijkheid is de spleet veel kleiner dan het interferentiepatroon.
Verbinding met het thema
De leerlingen ontdekken dat licht bestaat uit golven en dat onder de juiste omstandigheden dit golfgedrag zichtbaar te maken is. Bovendien hebben ze kennis gemaakt met interferentiepatronen. In de experimenten op de Radboud Universiteit tonen onderzoekers aan dat onder bepaalde omstandigheden botsende deeltjes (moleculen) zich ook als golven gedragen, als botsende golven. Als gevolg hiervan zien de onderzoekers dat de richting waarin de deeltjes bewegen na de botsing ook een interferentiepatroon is, net zoals in deze proef het geval is. Na de botsing vliegen in sommige richtingen veel deeltjes, naar andere richtingen (bijna) geen. De observatie in deze proef staat aan de basis van de zogeheten kwantummechanica.
Tips
- Hoe meer loodrecht de laserbundel op het karton schijnt, hoe beter het interferentiepatroon zichtbaar is. In plaats van de laserpointer te fixeren, kun je hem ook met de hand vasthouden. Dit maakt het iets gemakkelijker het patroon te vinden, maar moeilijker om het aandachtig te bekijken, omdat de hand niet stabiel genoeg is.
- Meerdere sneetjes maken in het papier kan helpen het interferentiepatroon te vinden. Niet elk sneetje is altijd even mooi of bruikbaar; door het snijden buigt het papier aan de snijranden waardoor het geen ’perfecte’ spleet is. Bovendien helpt het om het papier licht te buigen in de richting van de spleet, zodat het licht mooiere snijranden tegenkomt.
- De proef kan zo uitgebreid gemaakt worden als de leerlingen (of leraar) zelf willen. Ze kunnen de
volgende onderzoeksvragen stellen:
- Zorgt het schijnen van een laserpointer op een kleine spleet in het stuk papier voor een interferentiepatroon na de spleet?
- Hangt het interferentiepatroon - hoe ver de pieken van elkaar af staan - af van de grootte van de spleet?
- Verwacht je dat andere vormen van inkepingen, zoals een klein rond gaatje, ook voor een interferentiepatroon kunnen zorgen?
- Hangt het interferentiepatroon af van de kleur van de laserpointer? Hoeveel pieken kun je zien?
- Hangt het interferentiepatroon af van de afstand van de laserpointer tot het papier?
- Wat gebeurt er als je in plaats van op papier met de laserpointer op een cd schijnt? Hoe verklaar je dit patroon? Verklaring: de achterkant van een cd bevat groeven, die zeer klein zijn en dicht op elkaar zitten. Eigenlijk kun je dit vergelijken met allemaal kleine spleetjes. Als de grootte van een spleet kleiner is dan de golflengte van het licht zal de lichtgolf volledig breken. Gebeurt dit nu bij meerdere spleten dicht bij elkaar - zoals in een cd - dan kunnen deze
volledig gebroken golven met elkaar gaan interfereren en een interferentiepatroon maken.