Интерференция света

Урок №75-76
Тема: «Интерференция света. Когерентность световых лучей. Интерференция в
тонких плёнках. Дифракция света. Дифракционная решётка.»
1 Самостоятельная работа по геометрической оптике (в приложении).
2 Интерференция света. Когерентность световых лучей.
Интерференция волн
– это явление наложения когерентных волн
- свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.
Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую
частоту и постоянную разность фаз.
При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда
колебаний (смещения ) этой точки будет зависеть от разности расстояний от
источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью
хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:
Условие максимума:
Разность хода волн равна целому числу длин волн ( иначе четному числу длин
полуволн).
где k = 0; ±1; ±2; ±3; …
В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и
усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна
удвоенной амплитуде.
Условие минимума:
Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн.
где k = 0; ±1; ±2; ±3 …
Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга.
Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.
В результате наложения когерентных волн (интерференции волн)
образуется интерференционная картина.
- интерференционная картина наложения когерентных механических
волн на воде
При интерференции волн амплитуда колебаний каждой точки не меняется во времени
и остается постоянной.
При наложении некогерентных волн нет интерференционной картины, т.к. амплитуда
колебаний каждой точки меняется со временем.
Интерференция света
Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это
интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких
световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер
чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше,
а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого
света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета
спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета
масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые
цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление
интерференции света.
Повседневный опыт учит, что интерференцию света в действительности наблюдать не
просто. Если в комнате горят две одинаковые лампочки, то в любой точке
складываются интенсивности света и никакой интерференции не наблюдается.
Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками,
не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной
картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и
постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие
согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз
называются когерентными.
Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для
этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень
узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от
двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от
друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину
около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В
результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со
временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от
различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от
различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не
остается постоянной (исключение составляют квантовые источники света – лазеры,
созданные в 1960 г.). Никакой устойчивой картины с определенным распределением
максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.
Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях
принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую
при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной
пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис. 3.7.1).
Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших
название колец Ньютона (рис. 3.7.2).
Рисунок 3.7.1.
Наблюдение колец Ньютона.
Интерференция возникает при
сложении волн, отразившихся от
двух сторон воздушной прослойки.
«Лучи» 1 и 2 – направления
распространения волн; h – толщина
воздушного зазора
Рисунок 3.7.2.
Кольца Ньютона в зеленом и
красном свете
1802г. Английский физик Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдалась
интерференция света.
Опыт Томаса Юнга
От одного источника через щель А формировались два пучка света ( через щели В и
С), далее пучки света падали на экран Э. Так как воны от щелей В и С были
когерентными, на экране можно было наблюдать интерференционную картину:
чередование светлых и темных полос.
Светлые полосы – волны усиливали друг друга (соблюдалось условие максимума).
Темные полосы – волны складывались в противофазе и гасили друг друга (условие
минимума).
Если в опыте Юнга использовался источник монохроматического света ( одной
длины волны, то на экране наблюдались только светлые и темные полосы данного
цвета.
Если источник давал белый свет (т.е. сложный по своему составу), то на экране в
области светлых полос наблюдались радужные полосы. Радужность объяснялась тем,
что условия максимумов и минимумов зависят от длин волн.
При проведении своего опыта Юнгу впервые удалось измерить длину световой
волны.
В результате опыта Юнг доказал, что свет обладает волновыми свойствами.
3 Интерференция в тонких пленках
Явление интерференции можно наблюдать, например:
- радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в
мыльных пузырях;
Толщина пленки должна быть больше длины световой волны.
При попадании монохроматического света (самый простой случай) на тонкую пленку
часть света отражается от наружной поверхности пленки, другая часть света, пройдя
через пленку, отражается от внутренней поверхности.
При попадании в глаз на сетчатке происходит наложение (сложение) двух
когерентных волн и возникает интерференционная (полосатая) картина, как результат
усиления и ослабления волн. В случае белого света интерференционная картина будет
радужной.
Применение интерференции:
- интерферометры – приборы для измерения длины световой волны
- просветление оптики ( в оптических приборах при прохождении света через
объектив потери света составляют до 50%) – все стеклянные детали покрывают
тонкой пленкой с показателем преломления чуть меньше, чем у стекла;
перераспределяются интерференционные максимумы и минимумы и потери света
уменьшаются.
4 Дифракция
- это явление, присущее волновым процессам для любого рода волн.
- наблюдение дифракции волн на водной поверхности при прохождении
волн через узкую щель (с краю видны закругления плоских волн).
Дифракция света
– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении
сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.
Для наблюдения дифракции можно:
- пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на
большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из
светлых и темных концентрических колец.
- или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и
темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.
- наблюдение дифракции света на малом отверстии.
- дифракционная картина от тонкой проволоки.
Объяснение картины на экране:
Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые
волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Принцип Гюйгенса – Френеля
Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны
между собой.
Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн,
излучаемых вторичными источниками.
Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:
1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт
– это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) ,
когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той
же фазе;
2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.
Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической
оптики:
Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света
выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины
световой волны.
5 Дифракционная решетка
- это оптический прибор для измерения длины световой волны.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких
щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Если на решетку падает монохроматическая волна . то щели (вторичные
источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее –
экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране
наблюдается система максимумов и минимумов.
Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на
этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать
друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют
радужную окраску.
Итак, условие максимума:
где k – порядок (или номер) дифракционного спектра
Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся
дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому
максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки
увеличивается.
Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на
единицу длины решетки.
6 Задачи на закрепление изученной темы.
1 Почему в центральной части спектра, полученного на экране при освещении
дифракционной решётки белым светом, всегда наблюдается белая полоса?
2 Две когерентные волны фиолетового света λ = 400 нм достигают некоторой точки с
разностью хода d2 – d1 = 1,2 мкм. Что произойдёт в этой точке: усиление или ослабление
волн?
3 На дифракционную решётку, содержащую 200 щелей (штрихов) на 1 мм падает свет с
длиной волны 500 нм. Найдите, под каким углом виден первый дифракционный максимум.