 |
Лекция 63. Дисперсия света. Интерференция света
|
|
|
|
Цель занятия: на примере явления интерференции ознакомить студентов с волновыми свойствами света.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Дисперсия света. 2. Спектроскоп. 3. Окраска предметов. |
| Демонстрации | 1. Опыт с бипризмой Френеля. 2. Кольца Ньютона. 3. Видео-фрагменты фильма «Интерференция света». |
| Изучение нового материала | 1 Опыты Ньютона по разложению белого света в спектр. 2. Дисперсия света. 3. Спектроскоп. 4. Окраска предметов. 5. Волновые свойства света. 6. Условия максимума и минимума интерференционной картины. 7. Интерференция света в тонких пленках. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Опыты Ньютона по разложению белого света в спектр
в 1666 году Исаак Ньютон направил тонкий пучок солнечного света на стеклянную призму. За призмой наблюдалось разложение белого света в цветной спектр: семь основных цветов - красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый плавно переходили друг в друга. Малейшего отклонения от первоначального направления падения испытывают красные лучи, а наибольшего - фиолетовые.
Ньютон пришел к выводу, что белый свет имеет сложную структуру, то есть белый свет содержит электромагнитные волны разных частот.
Второй важный вывод Ньютона заключается в том, что свет различного цвета характеризуется разными показателями преломления в определенной среде. Это означает, что абсолютный показатель преломления nф для фиолетовых цветов больше, чем для красного nч. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersio - «рассеяние»).
2. Дисперсия света
Согласно волновой теории цвета света определяются частотой электромагнитной волны, которой является свет. Наименьшую частоту имеет красный цвет, самый - фиолетовый. Анализируя опыты Ньютона и опираясь на волновую теорию света, можно сделать вывод: показатель преломления света зависит от частоты световой волны.
|
|
|
Различным скоростям распространения волн соответствуют разные абсолютные показатели преломления среды (n = c/ 
).
Явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны, называют дисперсией света.
Учитывая то, что длина волны обратно пропорциональна частоте (λ = c/ ), можно утверждать, что абсолютный показатель преломления уменьшается в соответствии с увеличением длины световой волны.
Отсюда следует то, что в случае заданной частоты длина волны больше в той среде, где скорость волны больше.
Во время перехода из одной среды в другую скорость распространения световой волны изменяется, но частота v, а следовательно, и цвет света остаются неизменными. Поэтому, согласно формуле = λv, изменяется длина световой волны. Во время перехода в среду с большей оптической плотностью длина волны, как и ее скорость, уменьшается:
Опыты доказали, что цвет определяет именно частота световой волны, поэтому, например, длина волны красного света в воде меньше, чем в вакууме (или воздухе).
3. Спектроскоп
Совокупность частот световых волн, которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называют спектром излучения этого вещества.
Спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.
Спектральный состав света изучают с помощью спектральных аппаратов. Обычно спектральный аппарат состоит из трех основных частей: коллиматора, призмы и зрительной трубы (или линзы и экрана).
Коллиматор представляет собой узкую трубку, на одном конце которой расположена ширма с щелью 1, что находится в фокусе линзы 2.
|
|
|
Узкий параллельный пучок света направлено на призму 3. После преломления, то из призмы выходят пучки, каждый из которых отклоняется на некоторый угол. Если пучки фокусирует собирательная линза 4 на фотопластинке или экране, то такой прибор называется спектрографом. Если вместо линзы и экрана используют зрительную трубу, то прибор называют спектроскопом.
4. Окраска предметов
Поскольку белый свет является составным,то есть представляет собой совокупность различных цветов, окраски предметов может возникать по двум причинам:
1) Исключение какого-либо цвета (или цветов) из состава белого света в случае поглощения веществом световых волн с определенной длиной волны. В результате отраженный от вещества или преломленное ней свет приобретает окраску. Например, зеленый цвет листьев растений обусловлен тем, что хлорофилл, который входит в их состав, поглощает в основном красные лучи. Все остальные цвета спектра лист отражает, но белый свет после исключения из его состава красных цветов глаз воспринимает как зеленый.
2) Разделение цветов в пучке белого света из-за того, что волны разной длины волны преломляются или рассеиваются веществом по-разному, а также в результате интерференции или дифракции. Например:
• вследствие того, что волны разной длины волны преломляются по-разному, пучок белого света после преломления в призме разлагается в цветной спектр;
• при интерференции лучей, отраженных двумя поверхностями тонкой пленки, возникает радужное окраски (мыльные пузыри, крылья насекомых);
• поскольку волны разной длины волны по-разному рассеиваются на скоплениях молекул в воздухе, цвет неба становится голубым;
• радуга также объясняется разделением цветов во время преломления света капельками воды.
5. Волновые свойства света
Поскольку волны не взаимодействуют друг с другом, то каждая область пространства, куда приходят две или несколько волн, будет принимать участие в колебаниях, вызванных каждой волной в отдельности.
Для того чтобы найти результирующее смещение в определенной точке пространства, нужно найти смещение, обусловленное каждой волной, а затем добавить их.
|
|
|
Сложение в пространстве волн, при которых образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией (от латинских слов inter - «взаимно, между собой и ferio - «удар, поражаю»).
Ø Интерференцией волн называется явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабление в других в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.
Поскольку свет имеет электромагнитную природу, то в случае распространения световой волны в каждой точке пространства происходит периодическое изменение напряженности и магнитной индукции электромагнитного поля. Если через любую точку пространства распространяются две световые волны, то напряженности полей векторно суммируются. Результирующая напряженность будет характеризовать световую энергию, что приходит в определенную точку.
Чем больше напряженность, тем больше энергия, что поступает. Точно так же складываются и векторы магнитной индукции. В случае, когда направления напряженностей полей двух световых волн совпадают, результирующая напряженность увеличивается, и в этих точках наблюдается максимальное увеличение освещенности. И наоборот, когда напряженности поля направлены противоположно, результирующая напряженность уменьшается и свет гасится светом.
Необходимо обратить внимание на следующее: при интерференции энергия не исчезает - происходит ее перераспределение в пространстве.
Для того чтобы в определенных точках пространства все время могло происходить усиление или ослабление результирующих колебаний, необходимо, чтобы выполнялись два условия, которые называются условиями когерентности:
1) волны должны иметь одинаковую частоту;
2) неизменное смещение фаз в каждой точке пространства.
Волны, соответствующие условиям когерентности, называют когерентными.
Когерентные источники - это источники, которые имеют одинаковую частоту и неизменное смещение фаз во времени.
Для получения двух когерентных световых волн излучения можно от того же атома разделить путем отражения или преломления на два пучка. В школе обычно рассматривают два метода: 1) метод Френеля; 2) метод Ньютона.
|
|
|
С помощью метода Френеля изучают интерференционный опыт с зеркалами или бипризмой Френеля. В первом случае используют явление отражения, во втором - преломления.
Используя метод Ньютона, можно рассмотреть интерференцию в тонких пленках и с помощью колец Ньютона.
6. Условия максимума и минимума интерференционной картины
Рассмотрим две когерентные световые волны, которые поступают в произвольную точку M, расположенную на расстоянии d1 от источника S1 и на расстоянии d2 от источника S2. Расстояние Δd = d1 - d2 называется геометрической разностью хода волн.
Если волны исходят из источников S1 и S2 с одинаковыми фазами, а разность хода Ad = 0, то в точке M волны приходят тоже с одинаковыми фазами. В этом случае в точке M происходят электромагнитные колебания с увеличенной амплитудой, то есть наблюдается максимум освещенности. То же самое происходит при условии, что на отрезке Δd укладывается любое целое число длин волн (четное число полуволн).
Условие максимума: в определенной точке пространства происходит усиление результирующих световых колебаний, если геометрическая разность хода двух световых волн, поступающих в эту точку, равна целому числу длин волн (парном числу полуволн):
Если на отрезке Δd укладывается нечетное число полуволн, то колебания напряженностей полей этих волн происходят в противоположных фазах. В этом случае в точке M происходят электромагнитные колебания с уменьшающейся амплитудой, то есть наблюдается минимум освещенности.
Условие максимума: в определенной точке пространства происходит ослабление результирующих световых колебаний, если геометрическая разность хода двух световых волн, поступающих в эту точку, равна нечетному числу полуволн:
7. Интерференция света в тонких пленках
Рассмотрим отражение света в тонких пленках. Поскольку свет отражается по очереди от двух поверхностей, отраженный свет является результатом наложения двух световых волн.
Разность хода между этими отраженными волнами зависит от толщины пленки и угла падения; следовательно, они могут усиливать или ослаблять друг друга. Поэтому в случае освещения такой пленки монохроматическим светом в отраженном свете на поверхности пленки можно наблюдать темные и светлые полосы. Если на пленку (крылышко бабочки, поверхность мыльной пленки) падает белый свет, то интерференционные полосы получаются окрашенными.
Интерес представляют и наблюдения интерференции с помощью колец Ньютона. Для этого на плоскую поверхность стеклянной отполированной пластины помещают плоско-выпуклую линзу.
|
|
|
Роль пленки в этом случае выполняет воздушный зазор между стеклянной поверхностью линзы и пластиной. Если освещать линзу монохроматическим светом, то наблюдается чередование светлых и темных колец. Если же линзу освещать белым светом, то кольца оказываются спектрально окрашенными.
Решение задач
1. Световая волна длиной волны 600 нм распространяется в воздухе. Какова длина волны в воде?
Решения. Длины волн λ1 и λ2 световых волн в воздухе и в воде связаны со скоростями 1 и 2 распространение этих волн в воздухе следующими соотношениями: λ1 = 1/v и λ2 = 2/v, где v - частота света не изменяется при переходе света из одной среды в другую. Из предыдущих уравнений получаем:
Скорости распространения света в воздухе и в воде связаны с абсолютными показателями преломления этих сред соотношением: 
Отсюда 
Окончательно:
Подставляя числовые значения, получаем 4,51 · 10-7 м.
2. Какова длина волны желтого света паров натрия в стекле с показателем преломления 1,56? Длина волны этого света в воздухе равна 589 нм.
3. В некоторую точку пространства приходят когерентные лучи с оптической разностью хода 2 мкм. Определите, усилится или ослабнет свет в этой точке, если в нее приходят фиолетовые лучи длиной волны 400 нм.
4. В некоторую точку пространства приходят когерентные лучи с оптической разностью хода 2 мкм. Определите, усилится или ослабнет свет в этой точке, если в нее приходят красные лучи длиной волны 700 нм.
Контрольные вопросы
Первый уровень
1. Как можно наблюдать явление дисперсии света?
2. Почему Ньютон сделал из своего опыта вывод, что белый свет является составным?
3. Чем объясняется разложение белого света на цветные пучки?
4. Наблюдается ли дисперсия света при прохождении через вакуум?
Второй уровень
1. На стеклянную призму направляют луч красного или зеленого света. Будет наблюдаться разложение света на какие-то цветные лучи?
2. Почему при прохождении через треугольную стеклянную призму широкого пучка белого света радужное окраска появляется только у краев пучка?
3. На тетради написано красным карандашом «отлично» и зеленым - «хорошо». Есть два стекла - зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть слово «отлично»?
4. Одним из недостатков первых телескопов Галилея было радужное окрашивание краев изображений. Объясните это явление.
5. Почему нельзя наблюдать явление интерференции от двух независимых источников света?
6. Как можно получить когерентные световые волны?
7. Что такое интерференционный максимум? минимум?
8. Чем объясняется радужное окраска тонких нефтяных пленок?
9. Или будет наблюдаться на поверхности воды интерференционная картина, если бросить в воду одновременно два камня?
10. Или будет наблюдаться интерференционная картина, если бросить в воду горсть песка?
11. Почему интерференцию световых волн можно наблюдать только для волн, выпущенных тем самым источником света?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 43; Учебник-2: § 22 (п. 1).
2. Сборник задач.:
Уровень1 № 14.1; 14.2; 14.3; 14.4.
Уровень2 № 14.21; 14.22; 14.23; 14.25.
Уровень3 № 14.29, 14.31; 14.32; 14.35.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
