Урок63: " Інтерференція світла"

Урок 63 Інтерференція світла

Мета уроку:

Навчальна: На прикладі явища інтерференції ознайомити учнів із хвильовими властивостями світла; ознайомити учнів з деякими способами практичного застосування інтерференції.

Розвивальна. Розвивати пізнавальні навички учнів; вміння аналізувати навчальний матеріал, умову задачі, хід розв’язання задач; вміння стисло і грамотно висловлювати свої міркування та обґрунтовувати їхню правильність.

Виховна. Виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Чому мильні бульбашки райдужно забарвлені?

Чому райдужно забарвлена масляна плівка на поверхні води?

Чому таке забарвлення дає тільки дуже тонка плівка?

IІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Інтерференція світлових хвиль

Перед тим, як розпочати розгляд явища інтерференції світла, з’ясуємо спочатку, що це за явище.

Якщо дві хвилі зустрічаються в одному місці гребенями, то в цьому місці збурення води посилюється. Якщо ж, навпаки, гребінь однієї хвилі зустрічається із западиною іншої, то поверхня води не збурюватиметься. У кожній точці середовища коливання, спричинені двома хвилями, додаються. Результуюче зміщення будь-якої частинки середовища — це сума зміщень, які б створювала кожна з хвиль, поширюючись без іншої.

Додавання у просторі двох (або кількох) хвиль, коли відбувається постійний у часі розподіл амплітуд результуючих коливань у різних точках простору, називається інтерференцією.

Для світла, як і для будь-яких інших хвиль, є характерним явище інтерференції.

Інтерференція – явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігається стійке в часі посилення (або послаблення) результуючих коливань.

Оскільки світло має хвильові властивості, то повинне спостерігатися явище інтерференції світла. Але одержати інтерференційну картину (чергування максимумів і мінімумів освітленості) за допомогою двох незалежних джерел світла, наприклад двох електричних лампочок, неможливо.

Справа в тому, що стійка інтерференційна картина виникає тільки в тому випадку, коли складаються хвилі з однаковою довжиною хвилі і, як говорять, погоджені одна з одною за фазою — наприклад, такі, що перебувають увесь час в однаковій фазі або протифазі. Такі «погоджені» хвилі називають когерентними.

Хвилі, що йдуть від різних джерел світла, не бувають когерентними, тому що світло випускають атоми у вигляді порівняно коротких «порцій» хвиль, причому окремі порції не погоджені одна з одною. У результаті амплітуда коливань у будь-якій точці простору хаотично змінюється з часом. Ніякої стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освітленості не спостерігається.

При поширенні світлової хвилі в кожній точці простору, де поширюється хвиля, відбувається періодична зміна напруженості та магнітної індукції електромагнітного поля.

Якщо через деяку точку простору поширюються дві світлові хвилі, то напруженості полів векторно додаються (так само додаються і вектори магнітної індукції). Результуюча напруженість характеризуватиме світлову енергію, що надходить у дану точку: чим більша напруженість, тим більшою є енергія, що надходить.

У випадку коли напрямки напруженостей полів двох світлових хвиль, що приходять у дану точку, збігаються, результуюча напруженість збільшується і в точці спостерігається максимальне збільшення освітленості. І навпаки, коли напруженості полів напрямлені протилежно, результуюча напруженість зменшується («світло гаситиметься світлом»).

Під час інтерференції енергія не зникає – відбувається її перерозподіл у просторі.

Щоб у певних точках простору весь час могло відбуватися посилення або послаблення результуючих коливань, необхідне виконання двох умов, які називають умовами когерентності хвиль:

1) хвилі повинні мати однакову частоту (відповідно й довжину);

2) різниця початкових фаз хвиль має бути незмінною (хвилі, що накладаються, повинні мати незмінний у часі зсув фаз).

Когерентні хвилі – це хвилі, які відповідають умовам когерентності.

2. Умови інтерференційних максимуму та мінімуму

Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, які виходять із джерел і в однакових фазах, поширюються в однорідному середовищі та надходять у точку , розташовану на відстані від джерела і на відстані від джерела .

– геометрична різниця ходу хвиль.

К оли хвилі надходять у точку в однаковій фазі, то в точці увесь час спостерігаються коливання зі збільшеною амплітудою – інтерференційний максимум. Це відбудеться за умови, що на відрізку укладатиметься будь-яке ціле число довжин хвиль (парне число пів-хвиль).

Умова інтерференційного максимуму:

В даній точці простору відбувається посилення результуючих світлових коливань, якщо різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять у цю точку, дорівнює цілому числу довжин хвиль (парному числу півхвиль).

– довжина хвилі; – ціле число.

Коли хвилі надходять у точку у протилежних фазах, вони гаситимуть одна одну у точці спостерігається інтерференційний мінімум. Це відбудеться за умови, що на відрізку укладатиметься непарне число півхвиль.

Умова інтерференційного мінімуму:

В даній точці простору відбувається послаблення результуючих світлових коливань, якщо різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять у цю точку, дорівнює непарному числу півхвиль.

– довжина хвилі; – ціле число.

3. Спостереження інтерференції світла

Спостерігати інтерференційну картину від двох незалежних джерел світла (за винятком лазерів) неможливо.

Для одержання когерентних хвиль один із засновників хвильової оптики Томас Юнг використав дві вузькі щілини , які були розташовані на відстані 1 мм одна від одної і на які потрапляло світло від одного джерела. Джерелом слугувала ще одна щілина – . Відповідно до принципу Гюйґенса кожна щілина після потрапляння світла ставала джерелом вторинних хвиль. Ці хвилі були когерентні, оскільки насправді надходили від одного джерела і мали певну різницю ходу (йшли до екрана, розташованого на відстані 3 м, різними шляхами). Якщо для якоїсь точки екрана різниця ходу дорівнювала парному числу півхвиль, то в цій точці спостерігався максимум освітленості, якщо непарному – мінімум освітленості. Тобто Юнг спостерігав на екрані інтерференційну картину: чергування світлих і темних смуг у випадку монохроматичного світла та чергування райдужних смуг у випадку білого світла.

4. Інтерференція на тонких плівках

– показник заломлення повітря, – показник заломлення плівки, – товщина плівки

Із проявами інтерференції світла ми часто зустрічаємось, спостерігаючи освітлення тонкої прозорої плівки. Світлова хвиля частково відбивається від зовнішньої поверхні плівки (хвиля 1), частково проходить через плівку і, відбившись від її внутрішньої поверхні, повертається в повітря (хвиля 2). Оскільки хвиля 2 проходить більшу відстань, ніж хвиля 1, між ними існує різниця ходу.

Обидві хвилі когерентні, адже створені одним джерелом, тому в результаті їх накладання спостерігається стійка інтерференційна картина. Якщо хвиля 2 відстає від хвилі 1 на парне число півхвиль, то спостерігається посилення світла (інтерференційний максимум), якщо на непарне – послаблення світла (інтерференційний мінімум). Саме інтерференцією світла зумовлений колір багатьох комах.

Біле світло поліхроматичне (складається з хвиль різної довжини), тому для посилення світлового випромінювання різного кольору потрібна різна товщина плівки: якщо плівка різної товщини освітлюється білим світлом, то вона виявляється райдужно забарвленою (райдужні мильні бульбашки, райдужна масляна плівка на поверхні води). Крім того, різниця ходу хвиль залежить від кута падіння світла на плівку (зі збільшенням кута падіння різниця ходу збільшується), тому тонкі плівки переливаються – змінюють колір, коли змінюється кут, під яким ми дивимося на плівку.

5. Застосування інтерференції

І нтерференцію на тонких плівках застосовують для просвітлення оптики. Цей метод був відкритий українським фізиком Олександром Теодоровичем Смакулою (1900-1983) у 1935 р.

В оптичних системах, які містять кілька лінз, унаслідок відбиття може втрачатися до 40 % енергії світла. Щоб знизити втрати, на поверхню лінз наносять тонку плівку, показник заломлення якої менший від показника заломлення матеріалу, з якого виготовлено лінзи. Товщину плівки добирають таким чином, щоб різниця ходу променів відбитих від зовнішньої та внутрішньої поверхонь плівки, дорівнювала півхвилі:

– довжина хвилі в плівці.

У такому разі у відбитому світлі виконується умова мінімуму (відбиті промені гаситимуться) і через лінзу проходитиме більше світла.

Інтерференція властива хвильовим процесам будь-якої природи. Можна, зокрема, спостерігати інтерференцію звуку. Велике значення інтерференції полягає в тому, що коли в процесі вивчення якогось явища буде виявлено інтерференцію, це означатиме, що маємо справу з хвильовим рухом.

З а допомогою інтерференції оцінюють якість шліфування поверхні виробу. Для цього між поверхнею зразка і дуже гладенькою еталонною пластиною створюють повітряний прошарок. У разі освітлення пластин монохроматичним світлом на тонкому повітряному клині між зразком і пластиною утворюється інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг. Якість шліфування визначають за формою смуг: наявність нерівності навіть порядку 10-8 м спричиняє викривлення інтерференційних смуг.

Першим цей метод застосував І. Ньютон. Використовуючи невелику еталонну лінзу, він домігся майже ідеального шліфування великих лінз і дзеркал. Роль плівки виконував повітряний прошарок між шліфувальною поверхнею й еталонною лінзою. Інтерференційна картина, яка виникала, мала вигляд райдужних концентричних кілець, що отримали назву кільця Ньютона. Якщо лінзу освітити монохроматичним світлом, інтерференційна картина матиме вигляд світлих і темних концентричних кілець.

У 1802 р. англійський фізик Т. Юнг поставив дослід, в якому спостерігав інтерференцію світла. Дослід проходив в добре затемненій кімнаті. Схему досліду наведено на мал. Світло від Сонця падало на ширму 1, в якій було зроблено отвір А у вигляді щілини. Світло від освітленої щілини падало на ширму 2, в якій зробили дві вузькі щілини В і С. Оскільки щілини В і С були розташовані симетрично щілині А, то світло від щілини А до них доходило одночасно, отже, і щілини В і С були когерентними джерелами світла, від них світло падало на екран 3. При цьому на екрані спостерігалася наступна картина: краї екрану були слабо освітлені, а в середині екрану, де пучки світла від щілин накладалися один на одного, спостерігалося чергування декількох світлих (веселкових) і темних смуг, що свідчило про інтерференцію світла.

Таким чином, завдяки досліду Юнга можна говорити про те, що світло має хвильові властивості.

Попередньо ми мали справу з однією хвилею, що поширюється від джерела. Але дуже часто в середовищі одночасно поширюється кілька різних хвиль. Що ж відбувається в місцях, де хвилі накладаються одна на одну? Якщо дві хвилі зустрічаються в одному місці гребенями, то в цьому місці збурення води посилюється. Якщо ж, навпаки, гребінь однієї хвилі зустрічається із западиною іншої, то поверхня води не збурюватиметься.

У кожній точці середовища коливання, спричинені двома хвилями, додаються. Результуюче зміщення будь-якої частинки середовища — це сума зміщень, які б створювала кожна з хвиль, поширюючись без іншої.

Щоб отримати стійку інтерференційну картину, джерела хвиль повинні мати однакову частоту, і фази їх коливань повинні збігатися або розрізнятися на деяку сталу (незалежну від часу) величину. Різниця фаз коливань обох джерел має лишатися незмінною. Джерела, які відповідають цим умовам, називаються когерентними. Когерентними називають і утворені ними хвилі. Тільки після додавання когерентних хвиль спостерігається стійка інтерференційна картина.

Якщо ж різниця фаз коливань джерел непостійна, то різниця фаз коливань, збуджуваних двома хвилями в будь-якій точці середовища, змінюватиметься. Тому й амплітуда результуючих коливань змінюється з часом. Внаслідок цього максимуми і мінімуми переміщуються в просторі, інтерференційна картина стає розмитою.

Поширюючись у просторі, хвилі переносять енергію. Що ж відбувається з цією енергією тоді, коли хвилі гасять одна одну? Може вона перетворюється в інші форми і в мінімумах інтерференційної картини виділяється теплота? Нічого подібного. Мінімум у даній точці інтерференційної картини означає, що енергія сюди не надходить зовсім. Внаслідок інтерференції енергія перерозподіляється у просторі. Вона розподіляється нерівномірно на усіх ділянках середовища, а концентрується в максимумах і тому зовсім не надходить у мінімуми.

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

1. Чому крильця бабки переливаються? Що можна сказати про товщину її крилець? Чому переливається внутрішня (перламутрова) частина мушлі?

Крильця бабки переливаються через явище інтерференції – світло падає під різними кутами, і зі спектру посилюються різні його складові. Можна сказати, що товщина її крилець порівняна з довжиною світла. Аналогічно, внутрішня частина мушлі переливається через явище інтерференції і зміну кута падіння світла.

Визначте товщину плівки на поверхні лінзи, якщо плівка розрахована на максимальне гасіння світлової хвилі довжиною 555 нм. Абсолютний показник заломлення плівки – 1,231.

Дано: