Интерференция и ее применение - Световые волны - Оптика

Цель: объяснить интерференцию и ее применение.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

- Что называется дисперсией света?

- Начертите схему получения с помощью призмы спектра белого света. Какие цвета и в какой последовательности мы наблюдаем в спектре?

- В каких пределах длин волн заключены длины волн видимого света?

- Какой свет называют монохроматическим?

- Почему белый свет, проходя сквозь призму, разлагается в цветной спектр?

- Для фиолетового или для красного света будет больше показатель преломления вещества призмы (стекла)?

- Какой свет будет распространяться в веществе с большей скоростью - красный или фиолетовый?

- Что произойдет при соединении всех световых лучей спектра?

III. Изучение нового материала

Очень часто в среде одновременно распространяются несколько различных волн. При беседе нескольких человек в комнате звуковые волны накладываются друг на друга.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией. (Демонстрация интерференции механических волн.)

Для того чтобы при наложении световых волн наблюдалась устойчивая интерференционная картина, необходимо, чтобы волны были когерентны, т. е. имели одинаковую длину волны и постоянную разность фаз.

Интерференцию света удалось наблюдать с помощью установки, предложенной Т. Юнгом. Он был одним из первых, кто понял, что из двух независимых источников света интерференционная картина не получится. Поэтому он пропустил в темную комнату солнечный свет через узкое отверстие, затем с помощью отверстия разделил этот пучок на два. Эти два пучка накладываясь друг на друга, образовали в центре экрана белую полосу, а по краям - радужную.

Таким образом, в опыте Юнга интерференционная картина получилась путем деления фронта волны, исходящей из одного источника, при ее прохождении через два близко расположенных отверстия. В своем опыте Юнг достаточно точно определил длину световой волны: для крайне фиолетовой части спектра он получил значение длины волны 0,42 мкм, для красного света - 0,7 мкм.

Почему возникают радужные пятна на асфальте или радужные мыльные пленки?

Белый свет падает на тонкую пленку. Частично свет (волна 1) отражается от верхней поверхности пленки, частично (волна 2), пройдя через пленку, отражается от нижней поверхности. Обе отраженные волны (1’ и 2’) отличаются разностью хода.

Естественно, что больший путь пройдет волна, отраженная от нижней поверхности пленки, хотя разность хода невелика.

Белый свет немонохроматичен, он содержит электромагнитные волны разной длины. Из-за того, что разность хода зависит от длины волны, максимальные интерференционные картины для разных длин волн получаются в разных точках приемника.

Аналогично возникают и кольца Ньютона.

Применение интерференции

Существуют специальные приборы - интерферометры, действие которых основано на явлении интерференции.

Назначение их может быть различным: точное измерение длины световых волн, измерение показателя преломления газов и др.

Проверка качества обработки поверхности до одной десятой длины волны, т. е. до 10^-8 м.

Несовершенство обработки определяют по искривлению интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности.

В частности, качество шлифовки линзы можно проверить, наблюдая кольца Ньютона. Кольца будут в форме правильных окружностей только в том случае, если поверхность линзы строго сферическая. Любое отступление от сферичности, больше чем на 0,1λ, будет заметно сказываться на форме колец.

Любопытно, что итальянский физик Э. Торричелли (1608-1647) умел шлифовать линзы с погрешностью до 10^-6 см. Его линзы хранятся в музее. Видимо, Торричелли обнаружил интерференционные кольца задолго до Ньютона и догадался, что их помощью можно проверять качество шлифовки.

Просветленная оптика

Объективы современных фотоаппаратов или кинопроекторов, перископы и различные другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол - линз, призм. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверхностей в современных объективах превышает 10, а в перископах подводных лодок до 40. При падении света перпендикулярно поверхности от каждой поверхности отражается 5-9% всей энергии. Через прибор проходит часто всего 10-20 % поступающего в него света.

Для устранения этих неприятных последствий надо уменьшить долю отраженной энергии света. Даваемое прибором изображение делается при этом ярче - «просветляется». Отсюда и происходит термин «просветление оптики».

Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла наносят тонкую пленку с показателем преломления n_п с меньшим n_с.

Для того чтобы волны ослабили друг друга должно выполняться условие минимум.

В отраженном свете разность хода волн равна (происходит потеря 1/2λ).

Условие минимум в отраженном свете

где n_п - показатель преломления пленки; h - толщина пленки.

Отсюда

Минимальная толщина будет при

При равенстве амплитуд гашение будет полным. Толщину пленки, следовательно, подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра.

Тогда для зеленого цвета -

Лучи красного и фиолетового цвета ослабляются незначительно, поэтому объективы оптических приборов в отраженном свете имеют сиреневые оттенки.

IV. Закрепление изученного материала

- Что называют интерференцией света? При каких условиях ее наблюдают?

- Объясните интерференцию света в тонких пленках.

- Как записать условия образования интерференционных максимумов и минимумов для световых волн?

- Приведите примеры практического применения интерференции света.

Домашнее задание

п. 67; 68.

Дополнительный материал

Возрождение волновой теории света

Однако все же и в XVIII в. были ученые, которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

Ломоносов считал, что свет это распространяющееся колебательное движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающей поры весомых тел.

Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет - это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к пониманию явления интерференции.

Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том, что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.

В конце XVIII в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг (1773-1829). Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень просто можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. Он же впервые и ввел название «интерференция» (от латин. «inter» - взаимно и «ferio» - ударяю).

Весьма вероятно, что интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера, представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».

Юнг, используя явление интерференции, объяснил появление колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором - темное.

Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.

Юнг объяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили, проводил еще Гримальди, известен под названием опыта Юнга.

В данном опыте наблюдается не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале XIX в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался.

На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпускулярная теория света по- прежнему казалась непоколебимой.