План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона


Скачать 117.68 Kb.
НазваниеПлан лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона
Дата публикации28.03.2014
Размер117.68 Kb.
ТипЛекция
vb2.userdocs.ru > Физика > Лекция
Лекция 3

Интерференция и дифракция световых волн
План лекции:

  1. Электромагнитная природа света

  2. Интерференция света. Когерентность.

  3. Интерференция света в тонких пленках.

  4. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона.

  5. Применение интерференции света в технике.

  6. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр.


Вопрос 1. Электромагнитная природа света
К концу 19-го века наука уже накопила достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о взаимосвязи световых, электрических и магнитных явлений. Это позволило в 70-х годах 19 века Максвеллу создать электромагнитную теорию поля. Максвелл рассчитал скорость распространения ЭМВ в вакууме и среде:

(1)

где с ≈  м/с – скорость распространения ЭМВ в вакууме, ε и µ соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.

Свет – это электромагнитные волны определенного оптического диапазона ( Гц).

Оптическое излучение в пределах длин волн от 760 нм до 380 нм способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазу. Следовательно, оно является видимым. Оптическое излучение с длиной волны λ›760 нм называется инфракрасным, λ›380 нм – ультрафиолетовым.

Электромагнитная составляющая поля волны:
 (2)
 – амплитуда напряженности электромагнитного поля,

ω – циклическая частота,

λ – длина волны света,

r – расстояние до источника света.
Вопрос 2. Интерференция света. Когерентность.
Интерференция света
Интерференцией называют явление, возникающее при наложении двух (или нескольких) световых волн одинакового периода в однородной изотропной среде, в результате чего происходит перераспределение энергии волн в пространстве.

Томас Юнг в 1800 году сформулировал принцип суперпозиции (наложения) волн и объяснил интерференцию света. И сам термин “интерференция” был введен в науку тоже Юнгом.

Т.Юнг родился 17 июня 1773 года. В двухлетнем возрасте научился читать, в девять лет изучил латынь и греческий язык. К четырнадцати годам знал десять языков, в том числе, древнееврейский, персидский и арабский. Сумел расшифровать египетские иероглифы. В 1795 году получил степень доктора медицины. За два года до этого Т.Юнг опубликовал работу по физической оптике “Наблюдения над процессом зрения”, в которой разработал теорию аккомодации глаза. Его основным трудом является “Лекции по натуральной философии”, который вышел в 1807 году в двух томах.

Принцип суперпозиции позволил Т.Юнгу в 1802 году найти “простой и общий закон”, согласно которому “везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов”.

Этот принцип Т.Юнг подтвердил на опыте: солнечный свет, выходящий из небольшого отверстия в ставне окна, освещает экран, в котором кончиком булавки были сделаны два отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Свет, выходящий коническими пучками из обеих отверстий, перекрещивался в некоторой области светового поля за экраном, и на приемном экране появлялись светлые и темные полосы.

Когда закрывалось одно из отверстий, то полосы исчезали и на приемном экране были видны лишь дифракционные кольца от другого отверстия (Т.Юнг знал явление дифракции и в 1801 году объяснил ее в одной из своих работ).

Юнг измерил ширину полос и определил ту “некоторую длину”, которая фигурировала в его законе.

Это были первые в истории физике определения длины волны, которая для красного света оказалась равной 0.7 микрона и 0.42 микрона для крайнего фиолетового.

Интерференция света возникает при наложении когерентных волн.

^ Когерентные волны – это волны, у которых одинаковые частоты (разность фаз между колебаниями с течением времени не изменяется () и колебания происходят в одной плоскости.

Никакие два светящихся тела не могут быть когерентными источниками света. На самом деле, свет, исходящий от светящего тела (например, от нити электролампы), представляет собой совокупность множества ЭМВ, излучаемых отдельными частицами (атомами и молекулами) тела. Условия излучения этих частиц очень быстро и беспорядочно изменяются.

Для того, чтобы два светящихся тела являлись когерентными источниками света, длины волн, излучаемых всеми частицами первого тела, должны отличаться по фазе от длин волн, излучаемых всеми частицами второго тела, все время на одно и тоже значение.

Такое событие совершенно невероятно. Поэтому для получения когерентных источников свет “раздваивают” (рис.1а).


рис.1а
Если в разности хода лучей ∆l укладывается целое число длин волн

(четное число полуволн),

рис.1б
то есть  (3)

то в точке М будет максимум света (λ–длина волны; κ=0,1,2,…).

Если же в ∆l укладывается нечетное число полуволн (не целое число длин волн), то
 (4)
то в точке М – минимум света.

Максимумы света располагаются на расстоянии
 (5)

а минимумы:  (6)

Эти максимумы и минимумы имеют вид светлых и, соответственно, темных полос (рис.2), параллельных друг другу.
 (7)

(7) – расстояние между соседними максимумами или минимумами.



рис.2
Вопрос 3. Интерференция света в тонких пленках
Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляная пленка на воде, мыльные пузыри, оксидная пленка на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки (рис.3).


рис.3
На этом рисунке изображена тонкая плоскопараллельная прозрачная пленка, на которую падает плоская волна. В точке О волна частично отразится от верхней поверхности пленки(волна 1*), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С, преломившись в точке В, войдет в воздух параллельно волне 1*.

Волны 1 и 1* – когерентны.

Если на их пути поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и дадут интерференционную картину, которая определяется их оптической разностью хода
(8)
 обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела оптически более плотной среды.

Если , то потеря полуволны произойдет в точке О и член будет со знаком “+”; если , то потеря полуволны произойдет в точке С и он будет иметь знак “-”.
^ Вопрос 4. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона.
Если положить одну плоскопараллельную пластинку на другую, а под один из концов верхней пластинки подложить небольшой предмет таким образом, чтобы между пластинками образовался воздушный клин (рис.4), то в этом клине можно наблюдать интерференционные полосы.



рис.4
В этом случае разность хода лучей определяется по формулам:
(9)
d – толщина воздушного клинка

(9) - условие максимума.
(10)
(10) - условия минимума.
Если допустить, что лучи падают на воздушный клин нормально (sinα=0) показатель преломления воздуха (n=1), тогда:
(11)
На границе соприкосновения стеклянных пластин: d0 и ∆=  – поэтому наблюдается темная полоса (min).

Первая светлая полоса (κ=1)возникает при ∆=λ,

так как , поэтому . Отсюда получаем, что в этом месте толщина воздушного клина d = . Именно такой воздушный промежуток проходит параллельно грани соприкосновения, и световая полоса имеет вид прямой линии.

^ Вторая светлая полоса находится там, где толщина воздушного клина достигает значения d=λ,так как при этом ∆=2()= 2d +.

Эти полосы, каждой из которых соответствует своя вполне определенная толщина клина или параллельной пластинки, называют полосами равной толщины.

Полосы равной толщины могут быть прямыми линиями, концентрическими окружностями, и иметь любую другую форму в зависимости от расположения точек, соответствующих d=const. Угол клина должен быть очень малым, иначе полосы равной толщины ложатся друг на друга и их нельзя различить. Полосы равной толщины можно получить, если наложить плосковыпуклую линзу с большим радиусом кривизны ( R=10-100 м) на плоскопараллельную пластинку (рис.5). В этом случае полосы равной толщины имеют вид колец, которые называют кольца Ньютона (рис.6).


рис.5 и 6
Если на линзу падает монохроматический свет, то волны, отраженные от верхней и нижней границ этой воздушной прослойки, интерферируют между собой и их разность хода (∆) зависит от толщины воздушного клина. В отраженном свете при этом наблюдается следующая картина: в центре – черное пятно, окруженное чередующимися концентрическими светлыми и темными интерференционными кольцами убывающей ширины (рис.6). В проходящем свете картина обратная: все светлые кольца заменяются темными, а в центре – светлое пятно.

^ Вопрос 5. Применение интерференции в технике
Явление интерференции достаточно широко используется для создания различных измерительных и контролирующих устройств.
Интерферометры - приборы, служащие для точного измерения малых длин (в частности, длин световых волн) и углов, а также определения показателя преломления прозрачных сред.

В промышленности интерферометр широко применяется для контроля качества (гладкости) металлических и других шлифованных поверхностей. Качество обработки поверхности изделий определяется до См.

Просветление оптики.

Особое место в применении интерференции занимает просветленная оптика. При прохождении света через линзы или призмы от каждой из поверхностей световой поток частично отражается. Отполированная поверхность стекла отражает  4 падающего на него света. В сложных оптических системах, где много линз и призм, проходящий световой поток уменьшается значительно; кроме того, появляются блики. Установлено, что в перископах подводных лодок отражается 50 входящего в него света. В объективе фотоаппарата около 25, в микроскопе - 50 и т.д.

Для устранения этих дефектов оптических систем и применяется метод просветленной оптики. Сущность метода заключается в том, что оптические поверхности покрывают тонкими пленками, создающими интерференционные явления.

Обычно толщина просветляющей пленки  падающего света. Тогда отраженный свет имеет разность хода, равную , что соответствует условию максимума при интерференции.

Таким образом, достигается четкое изображение, уничтожаются блики.

Просветляющие покрытия наносятся на поверхности линз и призм путем химической обработки (травление в кислоте), путем нанесения пленок фторидов при испарении в вакууме или механически.

^ Вопрос 6. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
Дифракцией света называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - явление отклонения направления света от прямолинейного в однородной среде.

Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проходить через небольшие отверстия в экранах и т.д.
^ Принцип Гюйгенса – Френеля

Каждая точка, до которой доходит волна, является центром вторичных сферических волн – принцип Гюйгенса, объясняющий явление дифракции. Принцип Гюйгенса решает лишь задачу равномерного распределения волн нового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, и, соответственно, об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям.

Френель развил этот принцип дальше, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн.

Принцип Гюйгенса – Френеля: каждая точка фронта волны является источником вторичных сферических когерентных волн.
Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
Дифракционная решетка – спектральный прибор, служащий для разложения света в спектр и измерения длины волны.

Решетки бывают металлические и стеклянные. Наблюдения на металлических решетках проводятся только в отраженном свете, а на стеклянных - чаще в проходящем свете.

Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины а, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками b. Величина

d = a + b =  называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где N – число штрихов на единицу длины волны.

Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально к плоскости решетки (рис.7)

MN = a

NC = b

d = a + b = MC

рис.7




(12)

где κ = 0, 1, 2 …

По принципу Гюйгенса-Френеля каждая щель является источником вторичных волн, способных интерферировать друг с другом. Получившуюся дифракционную картину можно наблюдать в фокусной плоскости собирающей линзы. Формулу (12) называют формулой дифракционной решетки (κ – порядок главного максимума).

При наблюдении дифракции в немонохроматическом (белом) свете все главные максимумы, кроме нулевого центра, окрашены.

^ Дифракционный спектр – радужная плоскость, содержащая семь цветов – от фиолетового до красного.
Дифракционная решетка – спектральный прибор
Дифракционные решетки широко применяются в спектральном анализе в тех случаях, когда необходимо определение длины световой волны. Из формулы (12) видно, что для измерения длины волны λ необходимо измерить лишь дифракционный угол φ , так как d и κ известны, причем чем меньше d, тем ярче выражены главные максимума и можно точнее определить λ. Так как дифракционные решетки является спектральным прибором, они характеризуются разрешающей силой, т.е. способностью разделить близкие спектральные линии с длинной волны . Различать две спектральные линии можно в том случае, если они не сливаются в один максимум, более широкой, чем ширина каждой из линий .За меру разрешающей способности решетки принимают:
(13)
Это формула показывает, что разрешающая способность дифракционной решетки определяется числом штрихов на ней и порядком спектра. В современных дифракционных решетках число штрихов соответствует 2000 на 1 мм, а общее число штрихов достигает значения 
Литература:

  1. Р.И. Грабовский. Курс физики.- СПб.-М.-Краснодар: Изд-во “Лань”, 2006

  2. В.Ф. Дмитриева. Физика.- М.: Изд-во “Высшая школа”, 2001

  3. Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина. Физика.- Минск: Издательство “Дизайн ПРО”,2001

  4. П.С. Кудрявцев. Курс истории физики.- М.: Издательство “Просвещение”,1974.

Похожие:

План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconЛекция № Поглощение света. Рассеяние света. План лекции
Вопрос Поглощение света. Законы Бугера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconЛекция 5 Взаимодействие света с веществом. Явление дисперсии света План лекции
В одних случаях (дифракция, преломление, отражение) механизм такого взаимодействия несущественен для описания явления, в других –...
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconЗаконы преломления света
Полное (внутреннее) отражение света. Предельный угол полного отражения. Световоды
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconЛекция №4 Дифракция света План лекции
Явление дифракции механических волн проявляется в том, что волны огибают препятствия
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconAnnotation в другом переводе название звучит как «Валет из страны...

План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconЗакон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма
Оптика (от греч оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его...
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconКнига воина света» Пауло Коэльо Книга воина света «
Пауло Коэльо помогает каждому из нас обнаружить в себе своего собственного воина света. Короткие вдохновляющие притчи приглашают...
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconКонец Света «Страна Чудес без тормозов и Конец Света, Харуки Мураками»
Все тени умирают в Городе. Иначе от них останется нежить, которая уходит в Лес. Именно там живут люди, которые не смогли до конца...
План лекции: Электромагнитная природа света Интерференция света. Когерентность. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины. Кольца Ньютона iconСергей Сухинов Рыцари Света и Тьмы Серия: Изумрудный город 16 pdf от a888t, ocr tanja45
Наступает час последней битвы сил Света и Тьмы. Смертельная опасность угрожает Волшебной стране. Если колдун Пакир одержит победу,...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница