Тема № 8
description
Transcript of Тема № 8
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