Тема № 8 Свет

Автор: Г.Г. Бажина – учитель физики МБОУ «ГИМНАЗИЯ № 11» г.Красноярск

1

Урок № 68-69 Интерференция света

План урока1. Способы получения когерентных источников2. Расчет интерференционных картин3. Цвета тонких пленок4. Применение интерференции в технике

Ключевые слова: когерентные волны, интерференционнаякартина, просветление оптики

Мыльный пузырь, пожалуй,самое изысканное чудо природы. Марк Твен

2

Урок № 68-69 Интерференция света

Интерференцией света называется явление наложения когерентных световых волн, в результате которого в одних местах пространства возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности света

Волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными

cohaereus –взаимосвязанный

3

Урок № 68-69 Интерференция света

Результат наложения когерентных световых волн, наблюдаемый на экране или фотопластинке в видерегулярного чередования областей повышенной и пониженной интенсивности света, называетсяинтерференционной картиной

… Кто бы мог подумать, что светслагаясь со светом, может вызвать мрак… Араго

4

Урок № 68-69 Интерференция света

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода ∆d двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн

...)3,2,1,0( kkd

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, еслиразность хода ∆d двух волн, возбуждающих колебания в этойточке, равна нечетному числу полуволн

...)3,2,1,0(2)12( kkd

Условия максимума и минимума

5

Урок № 68-69 Интерференция светаДва независимых источника естественногосвета не являются когерентными!

Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными цугами синусоидальных волн, которые не согласованы друг с другом!

мl

сс

мl

cTl

3

10103 88

Традиционными современными источниками когерентного излучения являются лазеры!

6

Урок № 68-69 Интерференция света…Надо свет от одного источника разделить на два пучка и, заставив их пройти различные пути, свести вместе… Огюстен Френель

…Когерентные волны от одного источникавозникают при отражении света от переднейи задней поверхностей тонких пленок… Томас Юнг

Зеркала

Призмы и линзы

Экраны и щели

Тонкие пленки Кольца

Ньютона

КлинидеяФренеля

идеяЮнга

1 2

7

Урок № 68-69 Интерференция света…Надо свет от одного источника разделить на два пучка и, заставив их пройти различные пути, свести вместе… Огюстен Френель

С помощью разделения пучка на две части получают два мнимых источника света, дающих когерентные волны!

Билинза Бийе

1 2

3

4

5

8

Урок № 68-69 Интерференция света

В результате деления фронта волны световыеволны, идущие от щелей S1 и S2 (шириной около1 мкм) оказывались когерентными, создавая наэкране устойчивую интерференционную картину

Опыт Юнга

Вследствие интерференции происходитперераспределение энергии в пространстве

Энергия концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем!

9

Урок № 68-69 Интерференция света

1) не изменяя расстояния d между когерентными источниками S1 и S2 света, удалять их от экрана;

2) не изменяя расстояния до экрана, сближать источники света;

3) уменьшать длину волны света, используемого источниками;

Задание (компьютерный эксперимент)С помощью компьютерной модели «Интерференционный опыт Юнга» исследуйте, как изменяется расстояние между соседнимимаксимумами освещенности на экране, если:

Вывод: 1-2 )увеличивается ; 3) уменьшается;

10

Урок № 68-69 Интерференция света

Аох

S2 S1

l

d

d

1l

2l

Расчет интерференционной картины в опыте Юнга

2

221

222

2

2

2

dxll

dxll

d

dlх

2)12(

kd

kd

d

dlх

Расстояние между интерференционными полосами зависит от длины волны λ, расстояния от мнимых источников до экрана и расстояния между мнимыми источниками d

l

11

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

Два когерентных источника S1 и S2 испускают свет с длиной волны λ = 500нм. На каком расстоянии от точки О на экране располагается первый максимум освещенности , если расстояние между источниками d = 0,5 мм, а расстояние от каждого источника до экрана равно2 м

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12(

kd

kd

d

dlх

Оммd

lk

d

dlх

Анализ

2

?

105

2

105

1

4

7

х

мd

мl

м

к

Дано

А

12

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12(

kd

kd

d

dlх

Когерентные источники монохроматического света, расстояние между которыми 120 мкм, имеют вид узких щелей. Экран на котором наблюдается интерференция света от этих источников, находитсяна расстоянии 3,6 м. Расстояние между центрами соседних светлых полос равно 14,4 мм. Найдите длину волны монохроматического света

?

6,3

102,1

104,144

3

мl

мd

мх

Дано

нмl

xd

d

lx

d

lk

d

dlх

d

lk

d

dlх

Анализ

4802

2

11

В

13

Урок № 68-69 Интерференция света

Зеркала ФренеляФренель предложил в качестве двух когерентных источников воспользоваться двумя изображениями одного и того же действительного источника света в двух плоских зеркалах

Почему в центре интерференционной картины всегда светлая полоса?

14

Урок № 68-69 Интерференция света

Расчет интерференционной картины в опыте Френеля

Ао х

S2 S1

d

d

bal

2l1l

2

221

222

2

2

2

dxll

dxll

d

bad

d

dlх

)(

15

Урок № 68-69 Интерференция света

аdа

dtg

2222

2)12(2

)(

kd

kd

а

bad

d

dlх

Что представляет собой интерференционная картина, полученная от зеркал Френеля, если источник света излучает белый свет?

Расстояние между мнимыми источниками

а

b

а а

16

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12(2

)(

kd

kd

а

bad

d

dlх

В опыте с зеркалами Френеля расстояние между мнимыми изображениями источника света равно 0,5 мм, расстояние от них до экрана равно 5 м. В жёлтом свете ширина интерференционных полос равна 6 мм. Определите длину волны жёлтого света

?

5

105

1064

3

мl

мd

мх

Дано

нмl

xd

d

lx

d

lk

d

dlx

d

lk

d

dlx

Анализ

6002

2

11

А

17

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12(2

)(

kd

kd

а

bad

d

dlх

Два плоских зеркала образуют двугранный угол β =179,5°. На одинаковых расстояниях 10 см от каждого из зеркал расположен точечный источник монохроматического света с длиной волны 600 нм. Определите расстояние между серединами соседних светлых интерференционных полос на экране, расположенном на расстоянии3 м от линии пересечения зеркал

рад0087,0360

28,65,0

?

3

106

1,0

5,0

7

х

мb

м

ма

Дано

мм

а

bax

а

bak

d

dlx

а

bаk

d

dlx

Анализ

1,12

)(

2

)(2

)(

22

11

В

18

Урок № 68-69 Интерференция света

Бипризма Френеля

В качестве двух когерентных источниковиспользуются два изображения одного итого же действительного источника светав результате преломления света в обеихпризмах

Бипризма Френеля состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами (порядка нескольких минут)

19

Урок № 68-69 Интерференция светаРасчет интерференционной картины в опыте Френеля

Ао х

S2 S1

d

d

bal

2l1l

12 nad

2

221

222

2

2

2

dxll

dxll

d

bad

d

dlх

)(

Что произойдет, если одну половину бипризмы прикрыть непрозрачным экраном?

20

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12()1(2

)(

kd

kd

nа

bad

d

dlх

С помощью бипризмы Френеля получены два мнимых источника монохроматического света с длиной волны 560 нм. Их расстояние от экрана 3,2м. Минимум второго порядка располагается на расстоянии 28 мм от главного максимума. Определите расстояние между мнимыми источниками света

А

?

1028

2

2,3

106,5

3

7

d

мх

к

мl

м

Дано

мкм

x

lkd

d

lk

d

dlх

Анализ

1602

)12(

2

)12(

21

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12()1(2

)(

kd

kd

nа

bad

d

dlх

На бипризму Френеля падает свет от источника S. Расстояние между соседними интерференционными полосами равно 1,5 мм. Определите длину волны монохроматического света, если расстояние от источника до призмы 1 м, а от призмы до экрана 4 м. Преломляющий угол призмы 0,002 рад. Стекло из которого изготовлена бипризма, имеет показатель преломления 1,5

В

?

5,1

002,0

4

1

105,1 3

n

рад

мb

ма

мх

Дано

нмba

nax

nа

bax

nа

bak

d

dlx

nа

bаk

d

dlx

Анализ

600)(

)1(2

)1(2

)(

)1(2

)(

)1(2

)(

22

11

22

Урок № 68-69 Интерференция света

В опыте, предложенном Хемфри Ллойдом, когерентными источниками служат сам источник и его мнимое изображение

При отражении от зеркала возникает дополнительнаяразность хода лучей λ/2, обусловленная изменением фазыколебаний на π при отражении от более плотной среды

Когерентные источники S и S1 являются противофазными!

Зеркало Ллойда

23

Урок № 68-69 Интерференция света

Расчет интерференционной картины в опыте Ллойда

1S

О2l

1l

d

h

2221

2222

hxll

hxll

2)12(2

kd

kd

h

dlх

hd 2

h

хh

Чем отличаются интерференционные картины, полученные с помощью зеркала Ллойда и зеркал Френеля?

24

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12(2

kd

kd

h

dlх

Точечный источник монохроматического света находится на расстоянии 1 мм от большого плоского зеркала и на расстоянии 4 м от экрана, перпендикулярного зеркалу. Каково расстояние между соседними максимумами освещенности. Длина волны света 600 нм

А

ммh

lx

h

lk

d

dlx

h

lk

d

dlx

Анализ

2,12

2

2

22

11

?

4

101

1063

7

х

мl

мh

м

Дано

25

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

В интерференционном опыте Ллойда точечный источниксвета S расположен на расстоянии b = 20 см от левого края плоского зеркала АВ на высоте h = 10 см над плоскостью зеркала. Длина зеркала L= 10 см. Определите вертикальный размер интерференционной картины на экране, расположенном на расстоянии 90 cм от источника

В

10

20 90

45

30

30

15

?

9,0

1,0

1,0

2,0

H

мL

мl

мh

мb

Дано

Урок № 68-69 Интерференция света26

Обе половины линзы немного разведены, поэтому они создают два не совпадающих мнимых изображения точечного источника, расположенного на оси линз. Интерференция наблюдается на экране за линзами

Билинза Бийе - устройство представляющее собой две половины собирающей линзы, разрезанные по диаметру

Прорезь закрывается непрозрачнымэкраном А, а падающие на линзу лучи проходят через действительныеизображения щели S1 и S2 и дальше перекрываются, образуя интерференционное поле

Урок № 68-69 Интерференция света

Расчет интерференционной картины в опыте Бийе

27

21

221

21

222

dxll

dxll

2)12()(21

kd

kd

Hh

dl

d

dlх

1d

dlх

28

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

2)12()(2

kd

kd

Нh

dlх

Положительная линза с фокусным расстоянием 15 см разрезана пополам по диаметру и половинки раздвинуты на расстояние 0,5 см. Перед линзой на расстоянии 30 см находится точечный источник света с длиной волны 600 нм. Найдите расстояние между двумя ближайшими максимумами в центре интерференционной картины. Расстояние от линзы до экрана 2 м

В

?

2

106

3,0

1052

15,0

7

3

х

мL

м

мd

мh

мF

Дано

ммHh

lx

Hh

lk

d

dlх

Hh

lk

d

dlх

Анализ

1,0)(2

)(2

)(2

2

12

1

11

мlмFd

Fdf

fdF7,13,023,0

111

ммhd

fhГhН 25,0

29

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

Собирающая линза с фокусным расстоянием F = 10 см разрезана пополам и половинки раздвинуты на расстояние 0,5 мм. Оцените число интерференционных полос на экране, расположенном за линзой на расстоянии 60 см, если перед линзой имеется точечный источник монохроматического света с длиной волны λ = 500 нм, удаленный от нее на расстояние d = 15 см

В

?

6,0

105

15,0

105,02

1,0

7

3

N

мL

м

мd

мh

мF

Дано

25x

xN

Анализ

ммHh

lx

Hh

lk

d

dlх

Hh

lk

d

dlх

1,0)(2

)(2

)(2

2

12

1

11

2)12()(2

kd

kd

Нh

dlх

30

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

Собирающая линза с фокусным расстоянием F = 10 см разрезана пополам и половинки раздвинуты на расстояние 0,5 мм. Оцените число интерференционных полос на экране, расположенном за линзой на расстоянии 60 см, если перед линзой имеется точечный источник монохроматического света с длиной волны λ= 500 нм, удаленный от нее на расстояние d = 15 см

В

?

6,0

105

15,0

105,02

1,0

7

3

N

мL

м

мd

мh

мF

Дано

мlмFd

Fdf

fdF3,03,06,03,0

111

ммhHH

h

d

fГ 5,02

ммd

Ldhx

Ld

x

d

h5,2

)(

Урок № 68-69 Интерференция света…Когерентные волны от одного источника возникают при отражении света от передней и задней поверхностей тонких пленок(масляные пленки и пленки жира на воде, крылья насекомых, мыльные пузыри)… Томас Юнг

1

2

3

И нефть, попав из бака в водоем,Павлиний хвост внезапно распустила.Она об органическом своемПроисхожденьи снова загрустила.

Л.Н. Мартынов

4

31

Урок № 68-69 Интерференция света32

В веществе скорость распространения света, а следовательно, и длина световой волны уменьшается по сравнению с вакуумом в n раз

Оптическая длина волны – характеризует число длинволн, которые укладываются в данной среде на протяжении геометрического пути волны

n

n

с

0

ndd d

Урок № 68-69 Интерференция света33

Кольца Ньютона - интерференционная картина, возникающая при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны

Интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона

Урок № 68-69 Интерференция света34

1) не изменяя длину волны увеличивать радиус линзы;

2) не изменяя радиус линзы уменьшать длину волны;

Задание (компьютерный эксперимент)С помощью компьютерной модели «Кольца Ньютона» исследуйте, как изменяется расстояние между соседними максимумами освещенности на экране, если:

Вывод: 1) увеличивается; 2) уменьшается

Урок № 68-69 Интерференция света35

222

2

R

nrddnd

R

rdRddRRr

22

2222

Расчет интерференционной картины в опыте Ньютона кольца в отраженном свете

2

12

kd

kd

2

2

R

nrd

n

Rкrтк

n

kRrск 2

12

Урок № 68-69 Интерференция света36

222

2

R

nrddnd

R

rdRddRRr

22

2222

Расчет интерференционной картины в опыте Ньютона кольца в проходящем свете

2

12

kd

kd

2

2

R

nrd

n

Rкrск

n

kRrтк 2

12

Урок № 68-69 Интерференция света37

Почему в отраженном свете в центре интерференционной картины находитсятемное пятно, а в проходящем светлое?

В интерференционной картине кольца Ньютона радиусы колец растут пропорционально квадратному корню из

порядкового номера кольца, радиусы колец одного и того же порядкового номера

увеличиваются при переходе от фиолетового конца спектра к красному

n

Rкrск

n

kRrтк 2

12

38

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация

№1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

Установка для получения колец Ньютона освещаетсямонохроматическим светом с длиной волны 600 нм, падающим по нормали к поверхности пластины. Найдите толщину воздушного зазора между линзой и стеклянной пластиной в том месте, где наблюдается четвертое темное кольцо в отраженном свете

мкмk

dkdn

kdn

Анализ

2,12

2

212

22

А

?

106

47

d

м

к

Дано

39

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

Установка для получения колец Ньютона освещаетсямонохроматическим светом, падающим по нормали к поверхности пластинки. Радиус кривизны линзы 8,6 м. Наблюдение ведется в отраженном свете. Измерениями установлено, что радиус четвертого темного кольца (считая центральное темное пятно нулевым) равен 4,5 мм. Найдите длину волны падающего света

В

?

1

105,4

6,8

4

3

n

мr

мR

к

Дано

2

2

R

nrd

2

12

kd n

Rкrтк

нмkR

nr589

2

Урок № 68-69 Интерференция света40

Полосы равной толщины (интерференция в клине)

интерференционные полосы, наблюдаемые при освещении тонких оптически прозрачных слоев (плёнок) переменной толщины пучком параллельных лучей

Каждая из таких полос возникает в результате отражения от участков клина с одинаковой толщиной, поэтому их называют полосами равной толщины

Урок № 68-69 Интерференция света41

Расчет интерференционной картины в клине(полосы равной толщины)

ndddn

knd

knd

2)(2

2)12(

22

2)12(

22

12

22

11

dа

constn

aaatgd

nd

22

n

a2

42

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

Между краями двух хорошо отшлифованных плоских пластинок помещена тонкая проволока диаметром 0,05 мм, противоположные концы пластинок плотно прижаты друг к другу свет падает перпендикулярно поверхности пластинки. На пластинке длиной 10 смнаблюдатель видит интерференционные полосы, расстояние между которыми равно 0,6 мм. Определите длину волны

А

нмl

nha

nh

l

na

Анализ

6002

22

?

1

106

1,0

105

4

5

n

ма

мl

мh

Дано

43

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачи полезнее правил… Ньютон

Для измерения толщины волоса его положили на стеклянную пластинку и сверху прикрыли другой пластинкой. Расстояние от волоса до линии соприкосновения пластинок, которой он параллелен, равно 20 см. При освещении пластинок краснымсветом длиной волны 750 нм на 1 см умещается 8 полос. Определить толщину волоса

ммnx

lN

nа

lh

nh

l

na

Анализ

06,022

22

d

а h

?

1

01,0

8

105,7

2,07

h

n

мx

N

м

мl

Дано

B

Урок № 68-69 Интерференция света44

Интерференцию света можно наблюдать в тонких масляных или мыльных плёнках

Объясняется окраска тонких плёнок тем, что световые волны, отражённые двумя поверхностями тонкой плёнки, распространяются в одном направлении(волны 2 и 3), но проходят разные пути

Урок № 68-69 Интерференция света45

Полосы равного наклона (интерференция в тонких пленках)

Если пленка идеальна, однородна и плоскопараллельна, то в зависимости от ее толщины, поверхность пленкиоказывается либо равномерно освещенной, либо равномерно затемненной

Урок № 68-69 Интерференция света46

Полосы равного наклона (интерференция в тонких пленках)

Если толщина пленки неодинакова, то наблюдается

чередование светлых и темных полос, что позволяетосуществлять контроль качества поверхности

Урок № 68-69 Интерференция света47

min2

12

max2

sin22

cos2 22

kd

kd

nhhnd

Расчет интерференционной картины в тонких пленках в отраженном свете

полосы равного наклона

Урок № 68-69 Интерференция света48

Расчет интерференционной картины в тонких пленках в проходящем свете

min2

12

max

sin2cos2 22

kd

kd

nhhnd

полосы равного наклона

49

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

В

На мыльную пленку с показателем преломления 1,33 падает белый свет под углом 45°. При какой наименьшей толщине пленки отраженные лучи будут окрашены в желтый цвет. Длина волны желтого света 600 нм

мкмn

dkd

ndd

Анализ

132,0sin4

2sin2

22

22

?

106

45

33,1

7

d

м

n

Дано

50

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация

№1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

На пленку с показателем преломления 1,4 под углом α=52° падает белый свет. При какой толщине пленка в проходящем свете будетказаться красной. Длина волны красного света 670 нм

?

107,6

52

4,1

7

d

м

n

Дано

мкмn

dkd

ndd

Анализ

289,0sin2

sin2

22

22

d

В

Урок № 68-69 Интерференция света51

Просветление оптики

Уменьшение отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на нее специальной пленки

плnddn

kdn

422

212

222

Почему линза, покрытая просветляющей пленкой, кажется фиолетовой при рассмотрении ее в отраженном свете?

плnd

4

52

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация №1

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

На поверхность стеклянной призмы нанесена тонкая пленка толщиной d =112,5 нм с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления стекла. На пленку по нормали к ней падает свет с длиной волны λ =630 нм. При каком значении показателя преломления пленки она будет «просветляющей»

плnd

4

А

?

103,6

105,1127

7

n

м

мd

Дано

4,142

2

212

222

dndn

kdn

Анализ

53

Урок № 68-69 Интерференция светаКлючевая ситуация

№2

…При изучении наук задачиполезнее правил… Ньютон

На поверхность пластинки из стекла с показателем преломления n1 = 1,65 нанесена пленка толщиной d =110 нм, с показателем преломления n2 = 1,55. Для какой длины волны видимого света пленка будет «просветляющей»

А

плnd

4

нмdndn

kdn

Анализ

пл 68242

2

212

222

?

65,1

55,1

10110 7

c

пл

n

n

мd

Дано

Урок № 68-69 Интерференция света54

Домашнее заданиеУчебник Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика 11. §68-69 Сборник задач Г.Н. Степанова № 1572, 1574, 1580, 1582,

1586 , 1589, 1590

Урок № 68-69 Интерференция света55

Интернетресурсы:Сомненье, вера,пыл живых страстей –Игра воздушныхмыльных пузырей:Тот радугой блеснул,а этот – серый…И разлетятся все!Вот жизнь людей. О. Хайям

www.liveintemet.ru prodetey.ru demiart.ru www.en.edu.ru physics.ru elementy.ru physoptirf.ru phyzika.ru

school.kievskiy.ru ido.tsu.ru distedu.ru himiki.com femto.com.ua kaf-fiz 1586.narod.ru fiz.envy.ru edu-teacherzv.ru