Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Інтерференція світла

Інтерференція світла

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

5. Хвильова й квантова оптика

УРОК 9/67

Тема. Інтерференція світла

Мета уроку: на прикладі явища інтерференції ознайомити учнів із хвильовими властивостями світла.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань	3 хв.	1. Дисперсія світла. 2. Спектроскоп. 3. Забарвлення предметів.
Демонстрації	5 хв.	1. Дослід з біпризмою Френеля. 2. Кільця Ньютона. 3. Відео-фрагменти фільму “Інтерференція світла”.
Вивчення нового матеріалу	27 хв.	1. Хвильові властивості світла. 2. Умови максимуму й мінімуму інтерференційної картини. 3. Інтерференція світла в тонких плівках.
Закріплення вивченого матеріалу	10 хв.	1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Хвильові властивості світла

Оскільки хвилі не взаємодіють одна з одною, то кожна область простору, куди приходять дві або кілька хвиль, братиме участь у коливаннях, спричинених кожною хвилею окремо.

Для

того щоб знайти результуюче зміщення у певній точці простору, потрібно знайти зміщення, зумовлене кожною хвилею, а потім додати їх.

Додавання в просторі хвиль, за яких утворюється постійний у часі розподіл амплітуд результуючих коливань, називається інтерференцією (від латинських слів inter – “взаємно, між собою” і ferio – “ударяю, вражаю”).

O Інтерференцією хвиль називається явище посилення коливань в одних точках простору й ослаблення в інших в результаті накладення двох або декількох хвиль, що приходять у ці точки.

Оскільки світло має електромагнітну природу, то в разі поширення світлової хвилі в кожній точці простору відбувається періодична зміна напруженості й магнітної індукції електромагнітного поля. Якщо через будь-яку точку простору поширюються дві світлові хвилі, то напруженості полів векторно додаються. Результуюча напруженість буде характеризувати світлову енергію, що приходить у певну точку.

Що більше напруженість, то більша енергія, що надходить. Точно так само складаються й вектори магнітної індукції. У випадку, коли напрямки напруженостей полів двох світлових хвиль збігаються, результуюча напруженість збільшується, і в цих точках спостерігається максимальне збільшення освітленості. І навпаки, коли напруженості полів напрямлені протилежно, результуюча напруженість зменшується й світло гаситься світлом.

Необхідно звернути увагу на таке: під час інтерференції енергія не зникає – відбувається її перерозподіл у просторі.

Для того щоб у певних точках простору увесь час могло відбуватися посилення або ослаблення результуючих коливань, необхідно, щоб виконувалися дві умови, які називаються умовами когерентності:

1) хвилі повинні мати однакову частоту;

2) незмінне зміщення фаз у кожній точці простору.

Хвилі, що відповідають умовам когерентності, називають когерентними.

Когерентні джерела – це джерела, що мають однакову частоту й незмінне зміщення фаз у часі.

Для одержання двох когерентних світлових хвиль можна випромінювання від того самого атома розділити шляхом відбиття або заломлення на два пучки. У школі зазвичай розглядають два методи: 1) метод Френеля; 2) метод Ньютона.

За допомогою методу Френеля вивчають інтерференційний дослід із дзеркалами або біпризмою Френеля. У першому випадку використовують явище відбиття, у другому – заломлення.

Використовуючи метод Ньютона, можна розглянути інтерференцію в тонких плівках і за допомогою кілець Ньютона.

2. Умови максимуму й мінімуму інтерференційної картини

Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, які надходять у довільну точку M, розташовану на відстані d1 від джерела S1 й на відстані d2 від джерела S2. Відстань? d = d1 – d2 називається геометричною різницею ходу хвиль.

Якщо хвилі виходять із джерел S1 і S2 з однаковими фазами, а різниця ходу Ad = 0, то в точку M хвилі приходять теж із однаковими фазами. У цьому випадку в точці M відбуваються електромагнітні коливання зі збільшеною амплітудою, тобто спостерігається максимум освітленості. Те саме відбувається за умови, що на відрізку? d укладається будь-яке ціле число довжин хвиль (парне число напівхвиль).

Умова максимуму: у певній точці простору відбувається посилення результуючих світлових коливань, якщо геометрична різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять у цю точку, дорівнює цілому числу довжин хвиль (парному числу напівхвиль):

Якщо на відрізку? d укладається непарне число напівхвиль, то коливання напруженостей полів цих хвиль відбуваються в протилежних фазах. У цьому випадку в точці M відбуваються електромагнітні коливання зі зменшуваною амплітудою, тобто спостерігається мінімум освітленості.

Умова максимуму: у певній точці простору відбувається ослаблення результуючих світлових коливань, якщо геометрична різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять у цю точку, дорівнює непарному числу напівхвиль:

3. Інтерференція світла в тонких плівках

Розглянемо відбиття світла в тонких плівках. Оскільки світло відбивається по черзі від двох поверхонь, відбите світло є результатом накладання двох світлових хвиль.

Різниця ходу між цими відбитими хвилями залежить від товщини плівки й кута падіння; отже, вони можуть посилювати або послабляти одна одну. Тому в разі освітлення такої плівки монохроматичним світлом у відбитому світлі на поверхні плівки можна спостерігати темні й світлі смуги. Якщо на плівку (крильце метелика, поверхня мильної плівки) падає біле світло, то інтерференційні смуги виходять забарвленими.

Інтерес являють і спостереження інтерференції за допомогою кілець Ньютона. Для цього на плоску поверхню скляної відполірованої пластини поміщають плоско-опуклу лінзу.

Роль плівки в цьому випадку виконує повітряний проміжок між скляною поверхнею лінзи й пластиною. Якщо освітлювати лінзу монохроматичним світлом, то спостерігається чергування світлих і темних кілець. Якщо ж лінзу освітлювати білим світлом, то кільця виявляються спектрально забарвленими.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Чому не можна спостерігати явище інтерференції від двох незалежних джерел світла?

2. Як можна одержати когерентні світлові хвилі?

3. Що таке інтерференційний максимум? мінімум?

4. Чим пояснюється райдужне забарвлення тонких нафтових плівок?

Другий рівень

1. Чи спостерігатиметься на поверхні води інтерференційна картина, якщо кинути у воду одночасно два камені?

2. Чи спостерігатиметься інтерференційна картина, якщо кинути у воду жменю піску?

3. Чому інтерференцію світлових хвиль можна спостерігати тільки для хвиль, випущених тим самим джерелом світла?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому товстий шар нафти не має райдужного забарвлення?

2. Чи можна спостерігати інтерференцію світла від двох поверхонь шибки?

3. Видуваючи мильну бульку й спостерігаючи за нею у відбитому світлі, можна помітити на її поверхні райдужні кольори. Поясніть це явище.

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У деяку точку простору приходять когерентні промені з оптичною різницею ходу 2 мкм. Визначте, посилиться чи ослабне світло в цій точці, якщо в неї приходять фіолетові промені довжиною хвилі 400 нм.

2. У деяку точку простору приходять когерентні промені з оптичною різницею ходу 2 мкм. Визначте, посилиться чи ослабне світло в цій точці, якщо в неї приходять червоні промені довжиною хвилі 700 нм.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Інтерференцією хвиль називається явище посилення коливань в одних точках простору й ослаблення в інших внаслідок накладання двох або декількох хвиль, що приходять у ці точки.

– Когерентні (зв’язані) хвилі – це хвилі, що мають однакову частоту й незмінне зміщення фаз у кожній точці простору. Когерентні джерела – це джерела, що мають однакову частоту й незмінне зміщення фаз у часі.

– Амплітуда коливань середовища в певній точці максимальна, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілому числу довжин хвиль:

– Амплітуда коливань середовища в даній точці мінімальна, якщо різниця ходу двох хвиль, що збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу напівхвиль: