Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Дифракційна градка. Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної градки

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4. СПОСТЕРЕЖЕННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ ТА ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА. ДИФРАКЦІЙНА ГРАДКА. ВИМІРЮВАННЯ ДОВЖИНИ СВІТЛОВОЇ ХВИЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ ДИФРАКЦІЙНОЇ ГРАДКИ

ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ

Електромагнітні хвилі як змінне електромагнітне поле підлягають принципу суперпозиції,  який стосується  всіх без винятку полів, незалежно від їхньої природи. Поширюючись у просторі, вони не впливають одна на одну, але їхня дія на речовинні об'єкти проявляється як результат їхньої спільної дії на цей об'єкт. У цьому розумінні вживають термін «накладання хвиль». У перекладі латинською він звучить як «інтерференція». Проте в такому накладанні не завжди можна помітити ефекти, властиві лише хвильовим процесам.

Для електромагнітної хвилі діє принцип суперпозиції

Якщо на освітлений екран спрямувати пучок світла, то освітленість його просто збільшиться. Іншу картину можна спостерігати, якщо екран освітлювати двома пучками світла зі спільного джерела.

Такі пучки одержують різними методами. Розглянемо один із них. Візьмемо дві тонкі призми, які з'єднані між собою основами (біпризма) (мал. 4.47).

З одного боку від призм розмістимо точкове джерело світла S, аз другого — екран Е. Розбіжний пучок світла від точкового джерела падатиме на біпризму і заломлюватиметься в ній. Частина пучка, яка пройшла крізь ліву частину біпризми (мал. 4.47, а) заломлюватиметься праворуч до основи лівої призми. Друга частина пучка, яка пройшла крізь праву призму, заломлюватиметься ліворуч (мал. 4.47, б), до основи правої призми. Два пучки, які утворилися після проходження світла крізь біпризму, будуть так само розбіжними, як і первинний пучок. Вони матимуть однакову довжину хвилі (частоту), оскільки виходять з одного джерела. Якщо ж їх продовжити в протилежний бік від екрана, то кожен із них збіжиться в точці, в якій могло б бути джерело світла за відсутності біпризми. Одержані пучки, як і їхні уявні джерела, називають когерентними. Особливістю когерентних пучків є те, що в разі їх потрапляння на одну й ту саму ділянку екрана вони утворюють інтерференційну картину, в якій спостерігається сталий розподіл інтенсивностей освітленості частин екрана.

В інтерференційній картині спостерігається сталий розподіл інтенсивностей освітленості екрана

Щоб зрозуміти, чому на екрані утворюється інтерференційна картина, розглянемо описаний дослід детальніше. Кожен пучок після проходження крізь біпризму є окремою електромагнітною хвилею. Частини цих хвиль, які віддалені одна від одної на півхвилі , зобразимо на схемі суцільними і штриховими лініями (мал. 4.48).

Неважко помітити, що різні частини хвиль на екран потрапляють у різних фазах. Якщо в певну точку екрана надходять дві хвилі в одній фазі, то їхня дія підсилюється й освітленість екрана в цій точці збільшується.

Якщо ж хвилі надходять у певну точку у протифазах, то їхні дії компенсуються. Якщо амплітуди цих хвиль однакові, то ця точка екрана взагалі буде темною.

У разі інтерференції світла діє закон збереження енергії. Поява темних смут у раніше суцільно освітленій картині не означає, що загальна енергія світла, яке падає на екран, зменшилася. Ця енергія розподілилася між темними і світлими смугами інтерференційної картини. У темних смугах інтерференційної картини освітленість завжди менша, ніж за рівномірного освітлення некогерентними пучками. У світлих смугах освітленість завжди більша, ніж за рівномірного освітлення. Середня освітленість всієї інтерференційної картини на екрані в обох випадках буде однаковою.

Положення темних і світлих смуг в інтерференційній картині на екрані можна розрахувати. Для цього розглянемо схему описаного вище досліду (мал. 4.49).

У довільну точку А на екрані світло від когерентних джерел S₁ і S₂ надходить із певним зміщенням фаз, оскільки фронти хвиль проходять різні відстані. На схемі S₁A < S₂A. У такому разі кажуть, що у двох пучків є різниця ходу Δl = S₂A - S₁A.

Якщо різниця ходу Δl дорівнює парній кількості півхвиль, то в даній точці екрана освітленість буде максимальною:

де  — довжина хвилі; k = 1, 2, 3, ..., n.

Якщо ж різниця ходу Δl дорівнює непарній кількості півхвиль, то в даній точці екрана спостерігатиметься послаблення освітленості:

Біпризму, дослід з якою описаний вище, називають біпризмою Френеля, на честь одного з відомих дослідників властивостей світла.

Результат інтерференції залежить від значення різниці ходу хвиль

Умова максимума:

Умова мінімума:

Число k визначає порядок максимуме чи мінімума в інтерференційній картині. Для білого світла k — порядок спектра

Явище інтерференції властиве великому діапазону електромагнітних хвиль.

ЗАСТОСУВАННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ

Кільця Ньютона

Візьмемо плоску скляну пластинку і покладемо на неї плоско-опуклу лінзу великого радіуса кривизни (мал. 4.50).

Спрямуємо на лінзу широкий пучок світла. Навколо точки стикання лінзи і пластинки побачимо концентричні світлі і темні кільця (мал. 4.51).

У фізиці їх називають кільцями Ньютона, на честь ученого, який вперше спостерігав і описав їх.

Кільця Ньютона — інтерференційний ефект

Картина, що спостерігається, є проявом явища інтерференції в системі лінза—пластинка (див. мал. 4.50). Якщо пучок світла падає на плоску поверхню лінзи, то він частково проходить крізь неї, відбивається від нижньої поверхні лінзи та поверхні скляної пластинки. Внаслідок цього утворюються два когерентні пучки, які утворюють стійку інтерференційну картину. Якщо пучок широкий і охоплює всю плоску поверхню лінзи, то в ній спостерігатимуться темні і світлі концентричні кільця. Пригадавши умови утворення інтерференційної картини, можна дійти висновку, що темні смуги охоплюють усі точки простору між лінзою і пластинкою, в яких різниця ходу між відбитими пучками дорівнює непарній кількості півхвиль:

Відповідно для світлих смуг різниця ходу відбитих пучків дорівнює парній кількості півхвиль:

Радіуси кілець Ньютона для хвиль різної довжини будуть різними. Це добре видно з мал. 4.52, де наведено фотографії кілець для зеленого і червоного світла. Знаючи радіус кривизни лінзи, за розмірами кілець Ньютона можна визначити довжину хвилі падаючого світла.

Кільця Ньютона спостерігатимугься і тоді, коли світло проходить крізь лінзу і пластинку. Проте в цьому разі темні і світлі кільця поміняються місцями.

Ідею кілець Ньютона застосовують для високоточного контролю якості оброблюваних поверхонь. Для цього на контрольовану поверхню кладуть плоску пластинку, якість якої відома. Якщо пластинку освітлювати монохроматичним світлом, то в тих місцях, де поверхні не стикаються, з'являться інтерференційні смуги, форма яких відповідатиме формі нерівностей досліджуваної поверхні. Розміри цих нерівностей можна визначити з точністю до півдовжини хвилі використаного світла.

Просвітлення оптики

У сучасних оптичних приладах застосовують десятки оптичних елементів, які або формують світлові пучки, або керують їх поширенням. Проходячи крізь прозорі поверхні цих елементів, світло зазнає заломлення і відбивання. Внаслідок відбивання інтенсивність світла, яке проходить крізь лінзу, призму чи плоску пластинку, істотно зменшується. За великої кількості таких оптичних елементів інтенсивність світла може зменшитись у декілька разів.

Кільця Ньютона використовуються для контролю якості обробки поверхонь

У сучасних оптичних приладах енергію відбитого світла зменшують за допомогою явища інтерференції світла. З цією метою поверхню лінзи чи іншого оптичного елемента приладу вкривають тонкою прозорою плівкою, показник заломлення речовини якої менший за показник заломлення скла, з якого виготовлений цей елемент (мал. 4.53).

Проходячи крізь плівку, світло двічі зазнає відбивання. Одна частина пучка відбивається від верхньої (на малюнку) поверхні плівки, друга частина — від нижньої. Відбиті пучки когерентні і мають певну різницю ходу, яка визначається матеріалом плівки та її товщиною. Цього достатньо для утворення стійкої інтерференційної картини. Якщо товщина плівки скрізь однакова, то вона буде світлою або темною. Гасіння відбитих пучків внаслідок інтерференції спостерігатиметься тоді, коли різниця їх ходу дорівнюватиме непарній кількості півхвиль падаючого світла. Якщо плівка має показник заломлення n, товщина плівки d, то умову, за якої плівка буде темною, запишемо так:

де  ,— довжина хвилі світла у вакуумі.

В інтерференційній картині спостерігається перерозподіл енергій

Оскільки в разі інтерференції енергія хвилі не зникає, а перерозподіляється між мінімумами і максимумами інтерференційної картини, то інтенсивність пучка, який проходить крізь лінзу, може бути більшою, ніж за відсутності плівки. Інтенсивність відбитого світла буде, відповідно, меншою.

Як видно з наведеної вище формули, повне гасіння відбитого пучка відбитої хвилі певної довжини спостерігатиметься лише за певної товщини плівки. У сонячному світлі є хвилі різної довжини, тому в разі відбивання від лінзи світло набуває певного кольору. Товщину просвітлюючої плівки розраховують, як правило, для зеленого світла, до якого око людини найчутливіше. Оскільки зі спектра відбитого світла зникає зелений колір, то просвітлені оптичні елементи набувають характерного червоно-фіолетового відблиску. Усі лінзи сучасних приладів просвітлені напиленням спеціальних плівок.

Метод  просвітлення   оптики   вперше  був розроблений українським фізиком О. Т. Смакулою, який одержав відповідний патент у 1935 р.

Інтерферометри

Інтерферометрами називають прилади, які застосовують для вимірювань на основі явища інтерференції. Принцип дії цих приладів закодований у їхній назві.

Найвідомішим є інтерферометр конструкції А. А. Майкельсона. Схему цього приладу наведено на мал. 4.54.

Основними деталями в ньому є: джерело світла S, напівпрозоре дзеркало К, два дзеркала F і G, розміщених під кутом 90° одне до одного, та окуляр О для спостереження інтерференційної картини.

Пучок світла від джерела S потрапляє на поверхню напівпрозорого дзеркала К і розділяється на дві частини. Одна частина пучка проходить крізь дзеркало К до дзеркала G, інша — відбивається від поверхні дзеркала К і потрапляє на поверхню дзеркала F. Обидва пучки, відбившись від дзеркал G і F, потрапляють в окуляр, де і спостерігається інтерференція. Залежно від різниці ходу променів у окулярі спостерігатиметься світле або темне поле. Переміщення одного із дзеркал зумовлює зміну різниці ходу променів і зміну спостережуваної картини. При цьому темне поле змінюється на світле у разі переміщення одного із дзеркал усього на чверть довжини хвилі. Отже, таким інтерферометром можна вимірювати лінійні розміри досліджуваних об'єктів із точністю близько 100 нм.

У сучасних інтерферометрах кут між дзеркалами встановлюють дещо меншим за 90°. Тому в полі зору окуляра спостерігаються темні і світлі смуги. Переміщення одного із дзеркал приводить до зміщення цих смуг у полі зору окуляра. Це істотно підвищує точність вимірювань. За допомогою такого інтерферометра в 1892—1893 pp. було здійснено порівняння еталонного метра з довжиною хвилі видимого світла.

Освітленість поля окуляра інтерферометра залежить від різниці ходу променів, відбитих від двох дзеркал

Інтерферометри застосовуються в космічних дослідженнях

Інтерферометри застосовують і для дослідження космосу. Принцип їхньої дії такий самий, як інтерферометра Майкельсона, але замість світла в них використовують хвилі радіодіапазону. Чутливість астрономічних інтерферометрів значно вища, ніж чутливість звичайних радіотелескопів.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ 21
1. В одну й ту саму точку екрана надходять два когерентні пучки білого світла з різницею ходу 3 мкм. Які хвилі видимого світла в цій точці максимально посилюватимуться, а які максимально послаблюватимуться?
2. Від двох когерентних джерел, відстань, між якими 120 мкм, на екран потрапляють світлові пучки з довжиною хвилі 480 нм. Внаслідок інтерференції світла на екрані чергуються темні і світлі смуги. Визначте відстань між центрами двох розміщених поряд темних смуг на екрані, якщо відстань від джерел світла до екрана 3,6 м. Якою буде ця відстань, якщо світлова хвиля матиме довжину 650 нм?
3. Дві вузькі щілини, відстань між якими 0,32 мм, освітлені білим світлом. Екран, на якому спостерігають інтерференцію світла від цих джерел, знаходиться на відстані 3,2 м від них. Знайдіть відстань між червоною (_ч = 760 нм) та фіолетовою (_ф = 400 нм) лініями другого порядку інтерференційного спектра на екрані.

ЗАПИТАННЯ

1. Яке явище називають інтерференцією світла?
2. Чому не можна спостерігати інтерференцію на екрані, освітленому двома звичайними лампами?
3. Які джерела світла називають когерентними?
4. З якою метою в оптиці застосовують біпризму Френеля?
5. Яка умова максимуму в інтерференційній картині?
6. Яка умова мінімуму в інтерференційній картині?
7. Як виконується закон збереження енергії за інтерференції світла?

1. Як утворюються кільця Ньютона?
2. Чому відбувається інтерференція в тонких плівках?
3. Де застосовують явище інтерференції в тонких плівках?
4. Чому тонка плівка, нанесена на поверхню лінзи, «просвітлює» її?
5. Чому просвітлювальна плівка при освітленні сонячним світлом здається кольоровою?
6. Хто першим запропонував просвітлення оптики?
7. Які будова і принцип дії інтерферометра Майкельсона?
8. З якою метою застосовують інтерферометри?


Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Повний перелік тем з фізики, календарний план по всім предметам згідно шкільної програми, домашня робота, курси та завдання з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.