Интерференция света. 11-й класс

1. План урока

Тип урока: комбинированный урок - учебная лекция, закрепление нового материала.

Задачи урока:

• Образовательная: рассмотреть явления, подтверждающие волновые свойства света: независимость распространения световых пучков и интерференцию света.
• Воспитательная: воспитание интереса к явлениям природы, на примере биографии Т.Юнга показать возможности молодого целеустремлённого человека.
• Развивающая: развитие навыков объяснения причин наблюдаемых явлений, способности наблюдать и делать выводы.

Оборудование к уроку:

• Мультимедийный комплект оборудования кабинета физики (компьютер с усилителем звука, интерактивная доска с проектором, WEB-камера).
• Установка для демонстрации механических волн на воде.
• Резиновый шнур для демонстрации механических волн.
• Оборудование для получения мыльной плёнки.
• Комплект для демонстрации «Колец Ньютона».
• Комплект для демонстрации интерференции на двух щелях лазерного луча.
• Образцы для демонстрации просветлённой оптики.

Презентация

Этапы урока.

1. Организационный этап. (Слайды №1, 2)
2. Приветствие. Тема урока. Эпиграф к уроку. Для учащихся – место и роль урока в изучаемой теме, цели урока, задача: заполнение в ходе лекции структурного конспекта, закрепление материала - в виде ответов на вопросы учителя.
3. Изучение нового материала.
4. Закрепление изученного материала.
5. Домашнее задание.

2. Интерференция механических волн

До сих пор мы почти все время имели дело с одной волной, распространяющейся от источника. Однако очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то отдельные звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит?

(Слайд №3) Проще всего проследить за этим явлением, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, будто другой волны совсем не существует. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.

Рассмотрим распространение двух волн от укрепленных на колеблющейся пластине двух шариков, ударяющихся о поверхность воды. Эти шарики являются источниками двух сферических волн одинаковой частоты, распространяющихся во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Колебания поверхности воды являются суммой колебаний, вызванных каждой волной в отдельности.

Сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства, называется интерференцией волн (от лат. «inter» — взаимно и «ferio» — ударяю).

Устойчивая картина чередования максимумов и минимумов колебаний с одинаковой частотой называется интерференционной картиной.

(Слайд №4) Для получения интерференционной картины очень существенно, чтобы волны, идущие от разных источников, были согласованы между собой. Длины складывающихся волн должны быть одинаковыми, а сдвиг фаз между колебаниями обеих волн в каждой точке должен оставаться постоянным.

(Слайд №5) Если в какой-то точке сошлись гребни обеих волн (т.е. пришли волны в одинаковой фазе), то в этой точке наблюдается усиленный подъем воды. Через  t= T/2 гребни сменяются впадинами (поверхность воды сильно опустится).

В той точке пространства, где встречается гребень одной волны с впадиной другой, колебания взаимно ослабятся (волны приходят в противофазе).

(Слайд №6) Поэтому при наложении этих волн друг на друга на поверхности воды получается ряд областей, в которых колебания особенно сильны, а между ними расположены области с сильным ослаблением.

Каждый гребень волны будем чертить сплошной линией, впадину – пунктирной. Из рисунка видно, что в тех точках пространства, где пересекаются сплошные линии (встречаются два гребня), расположены максимумы результирующей волны, а в точках, где сплошная линия пересекается с пунктирной — минимумы.

(Слайд №7) Назовем разность расстояний от источников до какой-либо точки пространства (например, точки В), где эти волны встречаются с разностью хода двух интерферирующих волн Δd. Разность хода двух волн от источников О и О₁ в точке В равна 

Δd= d₂— d₁ = 4λ – 2λ = 2λ.

Разность хода двух волн в точке В' равна 

Δd = d₂—d₁= 3(1/2)λ – 2λ = 1(1/2)λ = (3/2)λ.

(Слайд №8) Максимумы интерференционной картины от двух колеблющихся в одинаковой фазе источников получаются в тех местах, где разность хода равна целому числу длин волн, а минимумы — в местах, где разность хода равна нечетному числу. Это условие можно записать следующим образом:

Δd = kλ = 2k(λ/2) — для максимума,

Δd = (k + 1/2)λ = (2k+1)(λ/2) — для минимума, где k = 0, 1, 2, 3, ...

3. Волновой характер света. Опыт Т.Юнга

Первые представления древних ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет нужды. Мы проследим вкратце за развитием научных представлений о том, что такое свет.

Два способа передачи воздействий

От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, он вызывает зрительное ощущение — мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику).

Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества).

Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, удачно попав в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к языку колокольчика и заставить колокольчик звучать, посылая по шнуру волны, раскачивающие его язык. В этом случае переноса вещества не происходит. По веревке распространяется волна, т. е. изменяется состояние (форма) веревки. Таким образом, действие от одного тела к другому может передаваться посредством волн.

Корпускулярная и волновая теории света

(Слайд №9) В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причем возникли они почти одновременно в XVII в. Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая — с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной (от латинского слова korpusculum — частица) теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). С данной точки зрения легко объяснить такие факты, как давление света (вращение «солнечной мельницы»), движение аппаратов с «солнечными парусами», изменение под действием лучей солнца формы хвоста кометы.

(Слайд №10) Исходя из волновой теории, трудно объяснить прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории.

(Слайд №11) Но на основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

(Слайд №12) Не могла корпускулярная теория объяснить и такие явления, как образование цветных плёнок в отражённых лучах или разложение белого цвета в спектр.

Открытие и исследование интерференции света как типично волнового явления связаны с именем замечательного английского ученого Т.Юнга.

(Слайд №13) Томас Юнг родился в 1773 г. В два года он уже научился читать, в 6 лет начал изучать латынь. В возрасте от 9 до 14 лет он изучил греческих и римских классиков и овладел французским, итальянским, древнееврейским, персидским и арабским языками. В этот же период, решив сделать микроскоп, он научился токарному делу и дифференциальному исчислению.

Девизом Юнга было: «Всякий человек может сделать то, что делают другие». И вся его жизнь стала подтверждением этому. Он успевает дважды в неделю брать уроки танцев, дважды — уроки музыки и рисования и четыре раза заниматься верховой ездой. Он был цирковым наездником и канатоходцем, прекрасным знатоком живописи и доктором медицины. Он сыграл важную роль в расшифровке египетских иероглифов и научился играть почти на всех музыкальных инструментах. В его сочинениях разбираются вопросы механики, оптики, физиологии зрения, акустики, теплоты, гидравлики, астрономии, химии, геофизики, медицины, зоологии, филологии, музыки, живописи, кораблестроения, теории прочности и т.д. Именно он первый ввел в науку термин «энергия».

В январе 1800 г. Юнг выступил с докладом, который ознаменовал начало атаки Томаса Юнга на сторонников корпускулярной теории света. Отметив, что «со времени публикации несравненных работ сэра Исаака Ньютона его учение об испускании частиц света... сделалось почти безраздельно принятым», Юнг заметил, что «в ньютоновской системе имеются затруднения, на которые обращалось мало внимания». Например, «каким образом происходит, что все световые лучи, возникают ли они от слабой электрической искры, от удара двух кремней, от ничтожнейшей степени ощутимого глазом накаливания, распространяются с одинаковой скоростью. Какое же основание может дать корпускулярная теория для того, чтобы все эти разнообразные источники света выбрасывали из себя светящиеся частицы с равной скоростью?» Не удовлетворяло Юнга и ньютоновское объяснение «цветов тонких пластинок».

В 1801 г. Юнг высказывает очень важное предположение, согласно которому «ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом в сетчатке» (так называемая «третья гипотеза» Юнга).

(Слайд №14) Вскоре он приходит к выводу, что световые волны могут усиливать и ослаблять друг друга, и в науке появляется новый термин — «интерференция».

Интерференцию света удалось наблюдать с помощью установки, предложенной Т.Юнгом. Он был одним из первых, кто понял, что от двух независимых источников света интерференционная картина не получится. Поэтому он пропустил в темную комнату солнечный свет через узкое отверстие S (рис), затем с помощью двух отверстий S1 и S2 разделил этот пучок на два. Эти два пучка, накладываясь друг на друга, образовали в центре экрана белую полосу, а по краям — радужные. Таким образом, в опыте Юнга интерференционная картина получилась путем деления фронта волны, исходящей из одного источника, при ее прохождении через два близко расположенных отверстия, что обеспечило когерентность волн.

4. Примеры интерференции света

(Слайд №15) Чтобы получить интерференционную картину света, нужно лучи, выходящие из одного источника, с помощью каких-либо приспособлений направить по разным путям, а потом заставить их встретиться в некоторой точке. В этом случае выполняется условие когерентности: волны будут иметь одинаковую частоту и постоянный сдвиг фаз. Существует много способов раздваивать один и тот же луч. Познакомимся с некоторыми из них.

(Слайд №16)

Френель заставил свет от источника отражаться от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180°. Путь этих лучей показан на рисунке (рис. 19.4, а). Прямые лучи от источника до экрана не доходят, так как их задерживает экран ВВ´. Волны, идущие после отражения от зеркал, — два пучка когерентных волн, как бы исходящих от   источников SbS2. Интерференция будет происходить в тех областях пространства, где эти пучки перекрываются.

(Слайд №17)

4.2.  Билинза Бийе.

Если собирающую линзу разрезать пополам и две половинки раздвинуть по вертикали, то каждая половина линзы дает изображение источника S. (Построение изображений проводится для каждой половинки линзы по обычным законам геометрической оптики.) В результате будет два изображения S1 и S2, которые являются источниками когерентных волн. В той области, где волны от источников Si и S2 накладываются друг на друга, можно наблюдать устойчивую картину чередования максимумов и минимумов.

(Слайд №18)

4.3. Зеркало Ллойда.

(Слайд №19)

4.4. Бипризма Френеля.

(Слайд №20) 4.6. Кольца Ньютона.

Поставим плоско-выпуклую линзу большого радиуса (порядка 1 м)  на плоскую стеклянную пластинку и перпендикулярно этой системе направим пучок параллельных лучей. Лучи, отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки, образовавшейся между линзой и стеклянной плоскостью, будут интерферировать между собой. В отраженном свете видны чередующиеся темные и светлые кольца. Воздушная прослойка представляет собой много клиньев, у которых верхняя грань — часть сферической поверхности.

(Слайд №21) Следует напомнить, что отражённая от среды более упругой волна (в оптике – от среды оптически более плотной, т.е. с большим показателем преломления) имеет смещение λ /2, что можно наблюдать при отражении волны в резиновом шнуре при жёстком закреплении второго конца шнура. От среды менее упругой (с меньшим показателем преломления для света) – отражение волны происходит без смещения.

(Слайд №22) Толщина воздушного клина h, радиус линзы R и радиус светового кольца r связаны теоремой Пифагора, из которой условие минимума, например, с учётом сдвига отраженной от нижнего стекла волны на λ / 2 позволяет получить формулу радиуса темных колец , (для светлых колец максимума ) где k = 0, 1, 2, … – порядок кольца от центра, в центре k = 0. Эти формулы дают возможность после необходимых измерений вычислить длину волны отражённого монохроматичного света.

(Слайд №23) Аналогичен механизм образования интерференционной картины в воздушном клине между двумя стеклянными пластинами в отражённых лучах света.

(Слайд №24) 4.5. Интерференция на плёнках.

Интерференция в тонких пленках обусловлена сложением световых волн, которые возникают при отражении от передней и задней поверхностей пленки.

(Слайд №25) При этом у волн разной частоты (и, следовательно, разного цвета), входящих в состав падающего белого света, максимумы наблюдаются в разных местах пленки (из-за ее разной толщины), что и придает пленке радужную окраску.

(Слайды №26–31) С помощью своей теории интерференции Юнг впервые сумел объяснить и такое хорошо известное всем явление, как разноцветная окраска тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, крылья стрекоз и т.д.).

(Слайд №32)

Продолжение статьи