Лабораторная работа 18   «Изучение интерференции и дифракции света» презентация

Лабораторная работа 18  «Изучение интерференции и дифракции света» 

Цель работы:   экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала, две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм, компакт-диск, капроновая ткань, светофильтр.

Теория:   Теория:   Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.   Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.    Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

 Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.  Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.    Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.  

Условие максимума Условие максимума , (Δd=d2-d1 ) где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;… (разность хода волн равна четному числу полуволн) Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”. φА=φБ - фазы колебаний Δφ=0 - разность фаз А=2Хmax – амплитуда результирующей волны.

Условие минимума Условие минимума , (Δd=d2-d1) где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;… (разность хода волн равна нечетному числу полуволн) Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”. φА≠φБ - фазы колебаний Δφ=π - разность фаз А=0 – амплитуда результирующей волны.

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света. Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.    Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

 Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).  Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).    Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.    Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.    Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.    Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.

 Условие наблюдения дифракционного максимума:  Условие наблюдения дифракционного максимума: d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - период решетки, φ - угол, под которым наблюдается максимум, а λ - длина волны.    Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .    Пусть k=1, тогда sinφкр=λкр/d и sinφф=λф/d.    Известно, что λкр>λф , следовательно sinφкр>sinφф. Т.к. y= sinφф - функция возрастающая, то φкр>φф    Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

 В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.  В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Ход работы: Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка. Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки 

Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. Δd = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки.  При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки. 

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.  Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего цвета. Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.  Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего цвета.    Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.   Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос) Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

 Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его.   Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его.  При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Опыт 3  . Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты. Опыт 3  . Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

  Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции.   Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции.

  Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).   Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

 Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.  Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Опыт 5.  Опыт 5.  Дифракция на малом отверстии Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света

 Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции. Приведите примеры интерференции и дифракции, с которыми вы встречались.  Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции. Приведите примеры интерференции и дифракции, с которыми вы встречались.

Контрольные вопросы 1. Что такое свет? 2. Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна? 3. Какова скорость света в вакууме? 4. Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок? 5. Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему? 6. Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски? 7. Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы? 8. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос? 9. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску? 10. Какую форму имеют радужные полосы? 11. Почему окраска пузыря все время меняется?