Урок№25x

Урок № 25
Тема: Интерференция света. Дифракция световых волн
Тип урока: комбинированный.
Цели урока:
 разъяснить смысл физических явлений: интерференция, дифракция;
 объяснить условие получения устойчивой интерференционной картины;
 научить применять знания при решении задач;
 развивать логическое мышление, навыки построения эксперимента,
самостоятельной работы, культуру устной и письменной речи;
 воспитывать культуру общения, организованность.
Методы: словесные, наглядные, практические; репродуктивные и
продуктивные.
Формы работы: фронтальная, индивидуальная, групповая.
Задачи урока:
 Дать понятия « когерентные источники », « когерентные волны»,
« разность хода», « интерференция», «дифракция»;
 Объяснить образование интерференционных и дифракционных картин;
 Раскрыть условия интерференционного max и min.
 Разъяснить опыт Юнга;
 Познакомить с устройством и принципом работы бипризмы Френеля;
 Показать различные случаи дифракции;
 Научить определять и объяснять интерференцию и дифракцию в окружающем мире;
 Рассказать об использовании интерференции в технике;
Оборудование:
1. Компьютер, с минимальными техническими требованиями: Windows
2000/XP, Internet Explorer 6.0, Pentium-150, 200 Мб свободного дискового пространства, 64 Мб оперативной памяти, СD-ROM,
видеопроектор, экран.
2. Мультимедийный курс «Открытая физика. Ч. 1, 2. Версии 1.1.»
(Долгопрудный: Компания «Физикон», 1996 - 2001).
Для 7–11 классов. Базовый и профильный курсы.
Заранее сделаны закладки на разделах:
А.Кольца Ньютона.
Б.Опыт Юнга.
В. Зоны Френеля
Г. Дифракционные картины от различных препятствий.
3. 1С: Репетитор. Физика: версия 1.5 (разработчик: АОЗТ «1С» – Долгопрудный: Компания «Физикон», 1997- 2001).
Закладки на разделах:
А. Причина появления интерференционных полос.
Б. Задачи №1.2( 4.04)
4. Презентация « Интерференция и дифракция света»
5. Бипризма Френеля;
6. Для фронтальной работы набор: капроновая лента, граммофонная
пластинка, два плоских стеклышка, черная бумага с прорезью.
1
I Организационный момент. Постановка задач урока (1 минута)
II Фронтальное повторение. Актуализация задач урока (5 минут)
1. Что такое свет?
2. Кем было доказано, что свет- это электромагнитная волна?
3. Какова скорость света в вакууме?
4. Что такое дисперсия света?
5. Как выглядит дисперсионная картина?
6. Почему только достаточно узкий световой пучок дает спектр после прохождения сквозь призму, а у широкого пучка окрашенными оказываются лишь края?
III Изучение темы урока. ( 25 минут)
( содержание лекции)
1) Понятие когерентных волн.
cohaerens – находящийся в согласии (лат.) или
согласованные.
Когерентными волнами называют волны одинаковой частоты, разности фаз которых остается всё время постоянной.
Слайд.
• Волны имеют одинаковую длину;
• Форма волн не меняются со временем;
λ 1 = λ2
• Разность фаз постоянна или равна
нулю;
2) Интерференция волн в механике.
Слайд.
Понятие « интерференция»
Inter- взаимно (лат.)
Ferio – ударяю(лат.)
Интерференция- наложение волн, при котором
амплитуда колебаний одних точек среды увеличивася,
а других точек уменьшается
3) Опыт в волновой ванне.
На поверхности воды виден ряд круговых волн, которые накладываются друг на
друга, т.е. выделяются полосы, вдоль которых поверхность воды практически не возмущается.
Слайд
Если в точке М гребень одной волны приходит в то же время, что и впадина другой волны ( т.е. фазы волн противоположны), то колебания взаимно ослабляются, частицы воды не будут колебаться и поверхность воды остается спокойной.
Эта ситуация называется интерференционным минимумом, ее можно представить
в виде схемы:
Гребень одной
волны
+
Впадина другой волны
=
«Гашение»
двух волн
При этом разность хода волн равна нечетному числу полуволн
Слайд
∆ d = (2 k +1) λ / 2 ,
где k= 0,1,2,…
2
Если в точке в один и тот же момент времени сходятся два гребня ( или две впадины), амплитуда колебаний частиц воды удваивается.
Этот случай соответствует интерференционному максимуму, который достигается при условии:
Гребень
( впадина)
одной волны
+
Гребень
(впадина)
другой волны
=
Двойной гребень
( двойная впадина) волны
Разность хода равна целому числу волн или четному числу полуволн:
∆d =2kλ/2
или
∆ d = k λ , где
k = 0,1,2,…
Амплитуда результирующего колебания различных точек на поверхности воды
имеет значения от «0» до удвоенной амплитуды и с течением времени в данной точке
не меняется.
Расположение максимумов и минимумов на поверхности воды не изменяется, т.е.
интерференционная картина устойчива.
4). Интерференция световых волн.
« Вот бесспорно самая странная из гипотез!..
Кто бы мог подумать, что свет,
слагаясь со светом, может вызвать мрак?».
Д.Ф. Араго.
Араго (Arago) Доминик Франсуа (26.2.1786 — 2.10.1853, Париж),
французский астроном, физик и политический деятель.
Наложение двух пучков света так же может привести УК усилению или ослаблению света, т.те. может даже реализовать ситуацию, когда
«свет» + «свет» = «тьма».
(1С: Репетитор. А. Причина появления интерференционных полос.)
Если поставить опыт по интерференции света с помощью двух независимых источников ( двух ламп накаливания), то усиления и ослабления света на экране не
наблюдается. В месте встречи обоих пучков мы наблюдаем равномерную освещенность
поверхности. ПОЧЕМУ?
Дело в том, что волны, излучаемые обычными источниками, не согласованы. Их начальные фазы хаотично изменяются. Поэтому в каждой точке пространства амплитуда результирующей волны хаотично и быстро изменяется. Так как глаз
человека обладает инерционностью и регистрирует лишь средние значения амплитуд,
то интерференционная картина в этом случае не наблюдается.
Интерференционная картина возникает только при сложении согласованных ( когерентных) световых волн.
Получить когерентные волны можно, если пучок света от источника каким- либо
способом разделить на два пучка и затем оба пучка свести вместе.
Слайд.
Томас Юнг (1773 – 1829г.г.).
Девизом жизни Т.Юнга было: « Всякий человек может сделать то, что делают
другие».
Следуя этому девизу, он был известным врачом, замечательным физиком, астрономом, механиком, металлургом, египтологом, океанографом и ботаником, искусным
3
музыкантом, игравшим едва ли не на всех музыкальных инструментах того времени,
отличным живописцем и даже… цирковым наездником.
Слайд.
В 1802г. Т.Юнг наблюдал интерференцию света с помощью установки:
( «Открытая физика. Б.Опыт Юнга.)
С помощью опыта Т.Юнг получил:
 когерентные волны;
 устойчивую интерференционную картину;
 значения длин волн, соответствующих свету различного цвета.
Как можно наблюдать интерференцию света, пользуясь обычными источниками?
О. Френель предложил расщеплять одну световую волну на две когерентные. При
наложении этих волн получается устойчивая интерференционная картина.
Слайд.
Френель Огюстен (1788—1827).
Французский физик.
Френель заложил основы волновой оптики. Дополнив принцип Гюйгенса идеей
интерференции вторичных волн, он построил количественную теорию дифракции. На
основе этого принципа Френель объяснил законы геометрической оптики, в частности
прямолинейный характер распространения света в однородной среде. Им создан приближенный метод расчета дифракционной картины, основанный на разделении волновой поверхности на зоны.
Поперечность световых волн впервые была доказана Френелем.
В одном из опытов Френель разделял световую волну от источника с помощью
двух тонких стеклянных призм, склеенных основаниями. Такую призму стали называть
бипризмой Френеля.
Если щель освещать монохроматическим ( одноцветны) светом, то все светлые
полосы интерференционной картины получатся того же цвета.
Если щель освещать белы светом, то интерференционная картина радужная: в
каждой светлой полосе наблюдается плавный переход цветов от красного до фиолетового. За исключением центральной белой полосы.
Интерференция в окружающем мире.
Слайды.
 Радужные нефтяные пятна на воде, асфальте.
Объяснение: в тонкой пленке нефти на поверхности воды световые волны отражаются от наружной и внутренней поверхностей. Отраженные волны интерферируют:
усиливают или ослабляют друг друга. Амплитуда результирующего колебания зависит
от угла падения света на плёнку, её толщины, длины воны света и показателя преломления. Поэтому освещенная белым светом тонкая бесцветная пленка кажется окрашенной.
Применение интерференции
Слайды.
4
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Интерферометры;
Интерференционные микроскопы;
Использование интерференции в технике:
« Просветленная оптика»
Контроль качества обрабатываемой поверхности.
Голография;
Прецизионные измерения;
Определение качества обработки поверхностей;
«Просветление» оптики;
Астрономические измерения;
Спектральный прибор – дифракционная решётка
Кольца Ньютона.
( «Открытая физика. А.Кольца Ньютона.)
Слайды
Дифракция.
(лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный)
Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание
волнами препятствий.
Отчетливая дифракционная картина : если λ ≥ размерам препятствия.
Теория Френеля.
(Открытая физика. В. Зоны Френеля
Г. Дифракционные картины от различных препятствий.)
1.
Исследовал различные случаи дифракции ( от проволоки, круглого отверстия, от круглого экрана)
Слайд.
2.
3.
среде.
Построил количественную теорию дифракции
Объяснил прямолинейное распространение света в однородной
5
Законы геометрической оптики выполняются точно тогда, когда размеры препятствий на пути распространения много больше длины световой волны.
Дифракция в окружающем мире.
Слайды.
 Дифракционная окраска птиц, бабочек, жуков. Разнообразие дифракционных цветов павлинов, фазанов, колибри.
Внешняя поверхность оперения у многих птиц и верхний покров тела бабочек и
жуков характеризуется регулярным повторением элементов структуры с периодом от
одного до нескольких микрон, образующих дифракционную решетку (о ней на следующем уроке)
IV Решение задач. (12 минут)
1.
При помощи зеркал Френель получил интерференционные полосы, пользуясь красным светом. Как изменится картина интерференционных полос, если воспользоваться фиолетовым светом?
( полосы будут расположены ближе друг к другу)
2.
Две когерентные световые волны в результате интерференции взаимно поглощаются в некоторой области. Куда девается энергия?
( Перераспределяется в пространстве)
3.
Цвета тонких пленок ( пленка бензина на воде) заметно отличаются оттенками от цветов радуги. Почему?
( происходит гашение некоторых световых волн при интерференции;
свет, отраженный от тонких пленок не является монохроматическим).
4.
Почему частицы размером 0,3мк в микроскопе неразличимы?
( Дифракция. Свет огибает частицы.)
5.
Если прищурив глаз, смотреть на нить лампочки накаливания, то
нить кажется окаймленной светлыми бликами. Почему?
(Дифракция на щели, образованного веками прищуренного
глаза, и на решетке, образованной ресницами)
6.
В морозный вечер подышать на кусок стекла. Через образовавшуюся тонкую пленку кристалликов льда посмотреть на светящиеся фонари. Мы
увидим их окруженными радужными кругами. Почему? ( от сине- голубого у
фонаря до оранжево- красного вдали)
( Дифракция света в неоднородной среде).
7.
(1С: Репетитор. Б. Задачи №1.2 9 4.04))
V Домашнее задание. Итоги урока (2 минуты)
. § 68, 73, 74. Р.1096
Литература
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник для 11 класс средней школы. Базовый уровень. М. Прсвещение.2009.
2. Арабаджи В.И. Дифракционная окраска животных. «Квант» №2,1975г
3. Физический энциклопедический словарь. 1985г.
4. Кольца Ньютона-Википедия
5. Дифракция света-Википедия
6. Интерференция волн
6
7