 |
Лекция 64. Дифракция света. Дифракционная решетка. Поляризация света.
|
|
|
|
Цель занятия: ознакомить студентов с явлением дифракции света и условиями ее наблюдения.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Что называют интерференцией света? 2. Что такое интерференционный максимум? минимум? 3. Применение интерференции света. |
| Демонстрации | Видео-фрагменты фильма «Дифракция света». |
| Изучение нового материала | 1. Дифракция света. 2. Принцип Гюйгенса-Френеля. 3. Дифракционная решетка. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Дифракция света
Наличие четкой тени по освещенным объектом выдавалась весомым доказательством прямолинейного распространения света. Однако чем дальше находится от объекта его тень, тем более расплывчатыми становятся ее очертания.
Если на пути пучка света поставить небольшое непрозрачное тело, размеры которого сравнимы с длиной световой волны, то свет, огибая края этого тела, будет отклоняться от прямолинейного распространения.
Опыты итальянского ученого Гримальди в середине XVII в. свидетельствовали о том, что даже в однородной среде свет не всегда распространяется прямолинейно: вблизи краев препятствий оно загибается, отклоняясь от прямолинейного распространения.
Ø Дифракция света - явление огибания границ непрозрачных тел - краев отверстий, узких щелей и экранов, то есть нарушение прямолинейности света.
Дифракция почти не заметна, когда ширина проема намного превышает длину волны. Зато когда ширина проема намного меньше длины волны, дифракция наиболее заметна. По этой причине нельзя получить пучок света, толщина которого меньше длины волны.
2. Принцип Гюйгенса-Френеля
Количественную теорию дифракции Френель разработал, сформулировав принцип, который впоследствии получил название принципа Гюйгенса-Френеля.
|
|
|
Ø Каждая точка волновой поверхности является источником вторичной волны; вторичные источники света, которые расположены на одной волновой поверхности, являются когерентными; волновая поверхность в любой момент времени является результатом интерференции вторичных волн.
Принцип Гюйгенса-Френеля удобный для описания распространения как механических, так и электромагнитных волн.
Голландский физик Х. Гюйгенс нашел простой геометрический способ нахождения фронта волны в момент времени t + Δt, если известно его положение в момент t. Для этого необходимо построить «огинальну» поверхность для вторичных сферических волн (т.е. поверхность, касательную ко всем этих волн).
3. Дифракционная решетка
Ø Дифракционная решетка - спектральный прибор, используемый для разложения света в спектр и измерения длины волны.
Назовем периодом d дифракционной решетки суммарную ширину щели и непрозрачного промежутка: d = a + b.
Рассмотрим вторичные световые волны от точек A1 и A2, которые распространяются под углом ф к направлению первичной волны. Разность хода этих волн:
Следовательно, условие взаимного усиления двух вторичных волн имеет вид:
где k = 0, 1, 2,...
Если это условие выполняется, то соответствующие волны от точек A3, A4,... An тоже имеют одинаковые фазы с рассмотренными волнами. Таким образом, равенство dsinφ = kλ является условием максимума освещенности. Значение kопределяет порядок дифракционного максимума. Во всех направлениях, для которых угол φ не соответствует полученной формуле, световые волны практически не распространяются.
Положение максимумов света не зависит от количества щелей, а зависит только от длины волны. Чем меньше длина волны излучения, то меньшему значению угла соответствует положение максимума. Таким образом, видимое оптическое излучение растягивается в спектр так, что внутренним краем его есть фиолетовое, а внешним - красное оптическое излучение. Значение k = 0 соответствует максимуму за направлением φ = 0 для всех длин волн. Поэтому нулевой спектр представляет собой белое изображение щели.
|
|
|
Контрольные вопросы:
Первый уровень
1. При каких условиях дифракция волн проявляется особенно четко?
2. Почему с помощью микроскопа нельзя увидеть атом?
3. Как с помощью принципа Гюйгенса можно найти новое положение фронта волны?
4. Как можно определить положение фронта сферической волны?
Второй уровень
1. Почему штрихи на дифракционной решетке должны располагаться плотно друг возле друга?
2. В каких случаях справедливы законы геометрической оптики?
3. Что вы увидите, посмотрев на электрическую лампочку сквозь птичье перо?
4. Если, прижав глаз смотреть на нить лампочки накаливания, то нить кажется обрамленной светлыми бликами. Почему?
3. Решетки имеют 50 и 100 штрихов на 1 мм. Какая из них даст на экране более широкий спектр при прочих равных условиях?
Решение задач
1. На дифракционную решетку, имеющую N = 200 штрихов на миллиметр, нормально падает свет длиной волны λ = 500 нм. Определите:
а) наибольший порядок спектра;
б) угол, под которым наблюдают максимум второго порядка.
Решения. Формула дифракционной решетки имеет вид:
где 
Отсюда получаем:
Максимальном k соответствует sinφ = 1, следовательно, 
Определяем значения искомых величин:
2. Найдите наибольший порядок спектра для желтой линии натрия с длиной волны 589 нм, если период дифракционной решетки 2 мкм.
3. Дифракционная решетка, имеющая 100 штрихов на 1 мм, удалена от экрана на 1,8 м. На каком расстоянии от центральной щели находится первый максимум освещенности, если на решетку падает монохроматический свет длиной волны 410 нм?
4. Для измерения длины световой волны применяют дифракционную решетку, имеющую 1000 штрихов на 1 мм. Максимум первого порядка на экране полученный на расстоянии 24 см от центрального. Определите длину волны, если расстояние от дифракционной решетки до экрана 1 м.
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 45; Учебник-2: § 21 (п. 3).
2. Сборник задач.:
Уровень1 № 14.14; 14.15; 14.16.
|
|
|
Уровень2 № 14.39; 14.40; 14.41; 14.42.
Уровень3 № 14.52, 14.53; 14.54; 14.55.
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
|
|
|
