Введение основных понятий в оптику

Страница 5

Дается следующее определение: явление интерференции состоит в наложении световых пучков, в результате которого образуется устойчивая картина чередующихся светлых и темных полос.

На основе знаний, полученных учащимися из раздела о механических колебаниях и волнах, разъясняется, почему колебания в одних местах усиливаются, а в других ослабляются.

Разъясняется, что:

· В каждой точке пространства, где волны сходятся, имеет место сложение колебаний;

· Разность фаз Dj двух колебаний в каждой точке со временем не изменяется;

· В разных точках пространства сдвиг фаз неодинаков. Поэтому в одних точках колебания друг друга усиливают, а в других ослабляют;

· При интерференции выполняется закон сохранения энергии.

Первый вывод состоит в том, что явление интерференции можно объяснить только на основе волновой теории. Значит, свет имеет волновую природу.

Далее определяются условия, необходимые для образования интерференции, - когерентность. Приводится пример с колебаниями двух механических вибраторов, насажанных на одну стальную пластинку, и подчеркивается, что они совершают колебания с одинаковой частотой, в одинаковых фазах и в одной плоскости.

Дается определение когерентности: когерентными называются волны одинаковой частоты, с постоянной во времени разностью фаз.

Указывается, что когерентные источники образуют когерентные волны.

Остается выяснить, как создать такие волны. Обращается внимание на то, что свет от двух электрических лампочек не интерферирует. Значит, это независимые друг от друга источники света и световые волны, излучаемые ими, некогерентны.

Для получения когерентных волн надо излучение от одного источника света каким-либо способом раздвоить и затем свести в одно место. Один из способов состоит в применении бипризмы. В ней свет, предположим, от точечного источника S преломляется двумя призмами в разных направлениях и собирается в одном месте на экране (рис 11.). Два преломленных пучка света являются расходящимися и будто бы выходят из мнимых источников света S1 и S2. Они когерентны, так как являются изображениями одного и того же источника S.

Можно воспользоваться аналогией. Пусть перед зеркалом колеблется пружинный маятник. Очевидно, что колебания изображения в зеркале будут идти в такт с колебаниями самого маятника. Если в каком-нибудь положении, когда шарик двигался вниз, остановить его и заставить двигаться в противоположном направлении, то изображение в зеркале будет двигаться тоже вверх. Аналогичное явление имеет место в когерентных источниках света. Источник состоит из множества излучающих атомов. Колебаниям электрона в каждом из них соответствуют точно такие же колебания в когерентном источнике.

Объясняется, в каких местах интерференционной картины будут максимумы и минимумы света (рис.9.). Записывается разность хода двух лучей и условия усиления и ослабления света. При

образуется светлая полоса. При

темная полоса; здесь n=0, 1, 2, 3…

Если разность хода равна , то волны приходят в одинаковых фазах, если же , то в противоположных фазах. Наконец следует подчеркнуть, что областью интерференции будет всё пространство, в котором волны накладываются друг на друга. Поэтому экран можно поставить в любое место этой области, пересекая продольную ось всей установки.

Остается показать, как определяется длина световой волны. На одной и той же установке, т.е. при неизменных расстояниях от экрана до источника света и между мнимыми его изображениями, величина промежутка b между соседними темными (или светлыми) полосами интерференции зависит лишь от цвета лучей, т.е. от длины волны l. Значит, l b.

Таким образом, второй важный вывод из опытов по интерференции должен состоять в том, что это явление позволяет измерить длину световой волны.

Из-за недостатка учебного времени можно не выводить формулу для вычисления длины волны. Важно разъяснить лишь метод измерения l. Напоминается порядок расположения цветов в призматическом спектре и указывается, что длина волны убывает в нем от красного участка к фиолетовому.

Пользуясь этими сведениями, можно дать понятие об однородном свете как о свете с одной частотой колебаний и неизменной амплитудой.

Следует указать, что по длине волны или частоте можно определить цветность светового пучка, но по цвету пучка нельзя судить о длине волны. Кроме того, по цвету трудно отличить в спектре два его участка, длины волн которых разнятся между собой на несколько миллимикрон. Даже самая узкая область спектра состоит из излучения различных частот.

Затем можно поставить опыт по интерференции с бипризмой Френеля в белом свете. Обращается внимание на характер интерференционной картины: центральная полоса всегда белая; по обе стороны от неё – темные полосы; затем цветные полосы максимумов света, разделенные темными промежутками; последовательность расположения цветных полос – от фиолетового к красному, причем первая ближе к центральной белой полосе.

Объясняется, почему центральная светлая полоса белая, а другие максимумы цветные. В центр экрана (см.рис.11) от точек S1 и S2 колебания приходят в одинаковой фазе. Поэтому все колебания равных частот усиливают друг друга, а от смешения всех спектральных цветов получается белая полоса.

В точку А приходят колебания с разностью хода S2A-S1A=S2N, которая для фиолетового света может оказаться равной четному числу полуволн, а для других длин волн – нет. В другой точке экрана это условие может удовлетворяться для красного света. Поэтому в А наблюдается фиолетовая полоса, а в другом месте – красная.

Желательно рассмотреть ещё один частный случай интерференции – цвета тонких пленок – и провести следующие самостоятельные наблюдения учащихся на уроке.

Дифракция света

Принцип Гюйгенса-Френеля рассматривается до изучения дифракции. Предлагается познакомить учащихся с этим принципом лишь в связи с объяснением дифракционных явлений; поэтому здесь он приобретает служебную роль. Изучение геометрической оптики, например явлений отражения и преломления света на основе принципа Гюйгенса программа по физике для средней школы не предусматривает.

Вначале рекомендуется поставить опыты с водяными волнами, демонстрирующие дифракцию на малых экранах, а затем на малых отверстиях. Опыты с плоскими волнами ставятся в таком порядке:

· Размеры экрана велики – за экраном наблюдается резкая область геометрической тени;

· Размеры экрана во много раз меньше – наблюдается дифракция волн.

· Размеры отверстия велики – наблюдается резкая область тени;

· Размеры отверстия малы – наблюдается загибание волн в область геометрической тени;

Обращается внимание, что позади экрана в центре дифракционной картины образуется светлая точка, окруженная системой темных и светлых колец и заходящая в область геометрической тени. В случае отверстия центр дифракционных колец может быть светлым или темным в зависимости от расстояния до отверстия. При перемещении к нему центр экрана последовательно становится светлым и темным.

Желательно подчеркнуть, что дифракция получается и от больших экранов, но в этом случае она образуется далеко за ними и интенсивность света на больших расстояниях бывает недостаточной. Остается объяснить, как образуется явление дифракции в области геометрической тени и там, где, казалось, можно было бы ожидать равномерную освещенность.

Этот случай легко разъяснить с качественной стороны, пользуясь принципом Гюйгенса-Френеля.

На волновой ванне с помощью параллельных вибраторов, насажанных на одну стальную пластинку, получается несколько систем круговых волн. В проекции на экране видно, как образуется волновая поверхность, огибающая все круговые волны одинаковых радиусов. Явление желательно рассмотреть при помощи стробоскопа.