Изучение интерференции и дифракции света I. Подготовительная часть.
Для выполнения работы необходимо вспомнить теоретический материал из раздела «Волновая оптика». Для этого вам предлагается выполнить следующие задания.
1) ответьте на вопросы и заполните пустые места в тексте.
Явление, которое возникает в процессе наложения двух (или более) световых волн одинакового периода в однородной среде, вследствие чего энергия волн в пространстве перераспределяется называется Интерференция . Интерферировать могут только когерентные волны, т.е. имеющие одинаковые частоты
Когерентные лучи получают, разделяя пучок света от одного и того же источника на два луча или используя лазеры. А также выделить когерентные волны можно с светофильтра, дающего определенную частоту (длину волны), и поляризатора, выделяющего свет определенной поляризации.
Результирующее колебание максимально 1) тогда, когда разность хода складываемых волн равна четному числу полуволн или целому числу длин:
- условие 2)
Результирующее колебание 2) , если разность хода складываемых волн равна нечетному числу полуволн:
- условие 3)
(где k=1, 2, 3, …, n (целое число); - длина волны.
- геометрическая разность хода интерферирующих волн – разность расстояний от источников до точки их интерференции.
Взаимное усиление и ослабление когерентных световых волн в пространстве приводит к неравномерному распределению в пространстве интенсивности света. Наблюдаемая интерференционная картина зависит от времени запаздывания волн относительно друг друга.
Явление огибания препятствий световыми волнами, которые распространяются в неоднородной среде называется 4) . Это явление наблюдается при прохождении света через малые отверстия или огибании светом препятствий, размеры которых малы (соизмеримы) по сравнению с длиной волны.
Интерференция и дифракция волн тесно связаны между собой. Дифракционная картина, по сути, является не чем иным, как следствием интерференции волн, на пути которых имеется препятствие. Чем меньше размер препятствия, тем 5) дифракция.
Принцип Гюйгенса-Френеля: 6)
Оптический прибор с большим количеством узких прозрачных щелей (разделенных непрозрачными промежутками), на которых наблюдается явление дифракции, называют 7)
Она используется для исследования спектрального состава света и определения длины волны.
Формула дифракционных решеток: - условие дифракционных 8)
где d=a+b – период дифракционной решетки
a – ширина прозрачных щелей
b – ширина непрозрачных щелей
- длина падающей световой волны
k=1, 2, 3, …, n (целое число)
- условие дифракционного 9)
Вследствие дифракции на дифракционной решётке белого света все главные максимумы, кроме центрального нулевого, будут окрашенными. С увеличением длины волны главные максимумы внутри размещаются под большими углами от центрального. Радужную полоску, содержащую семь цветов – от фиолетового до красного (подсчет ведется от центрального максимума), называют 10) .
Если известен период решетки d и измерен угол , под которым наблюдается максимум, и порядок спектра k, тогда можно определить 11) .
2) Отметьте все случаи, которые объясняются явлением интерференции.
1)Крылья стрекоз имеют радужную окраску.
2)Иногда сразу после дождя на небе можно увидеть радугу.
3)Зеленый цвет листьям придает хлорофилл, поглощающий преимущественно красные и синие лучи.
4)На поверхности компакт-диска видны цветные полосы.
5)Мыльный пузырь на солнце играет всеми цветами радуги.
6)При освещении солнечным светом бензиновой пленки на поверхности воды можно 7)увидеть радужные пятна.
8)Если нагреть на спиртовке лезвие безопасной бритвы, то на поверхности металла можно увидеть так называемые «цвета побежалости».
9)Если, прищурив глаз, смотреть на нить лампочки накаливания, то нить кажется окаймленной светлыми бликами.
3) Отметьте все интерференционные картины и все дифракционные картины.
II. Практическая часть.
Решите задачи, выбрав подходящий уровень сложности. Выполнение всех задач среднего уровня соответствует оценке «3». Дополнительно к ним можно выполнить задания достаточного уровня, тем самым повысив оценку на или на (до «4» или до «5»).
Средний уровень
1. В некоторую точку пространства приходит излучение с оптической разностью хода волн 1,8 мкм. Определите, усилится или ослабнет свет в этой точке, если длина волны 600 нм.
2. Найдите наибольший порядок спектра красной линии лития с длиной волны 671 нм, если период дифракционной решётки 0,01 мм.
Достаточный уровень
1. В установке Юнга расстояние между щелями 1,5 мм, а экран расположен на расстоянии 2 м от щелей. Определите расстояние между интерференционными полосами на экране, если длина волны монохроматического света 670 нм.
2. Период дифракционной решётки 0,016 мкм. Красная линия спектра 2-го порядка оказалась расположенной на расстоянии 14,2 см от средней линии. Расстояние от решётки до экрана 1,5 м. определите длину волны красных лучей и ширину спектра 2-го порядка. Длина волны фиолетовых лучей м.
Уильям Гершель, список научных заслуг которого громаден, первым попытался определить форму и размеры нашей огромной звёздной системы, названной Галактикой — от греческого «галактиос», что означает «млечный». Задача была непростая и чреватая ошибками, поскольку У. Гершель ещё не имел представления о межзвёздной поглощающей материи. В конце концов у него получилась структура наподобие толстой линзы с сильно изрезанными краями, причём Солнце оказалось почти точно в центре Галактики. Хорошо зная, что это не так, воздержимся всё же от критики в адрес великого астронома на современном ему уровне знаний нельзя было достичь большего результата.
Догадка о том, что звёздная система Млечного Пути может быть всего лишь одной из бесчисленного множества подобных систем, была высказана в 1734 году шведским философом Эммануилом Сведенборгом. У. Гершель также предположил, что по крайней мере некоторые светлые туманности, трактуемые в то время как сравнительно близкие к нам протозвездные облака, на деле могут являться очень далекими звёздными скоплениями — галактиками, в которых невозможно рассмотреть
звёзды по отдельности из-за очень большой удалённости до них. В то же время, астрономические наблюдения планетарной туманности NGC 1514, проведённые Гершелем в 1785 году позволили рассмотреть в её центре одиночную звезду, окруженную со всех сторон загадочным туманным веществом, напоминающем рассеянные облака. Таким образом было подтверждено существование подлинных туманностей, находящихся в пределах
нашей Галактики — Млечного Пути. В туманности, как далёкие звёздные системы, после этого было трудно поверить.
Но конечно же, до конца жизни У. Гершель как настоящий учёный сомневался в своих предположениях о природе туманностей и признавал вероятность возможных ошибок в выводах. Хотя даже последующие исследования, в том числе и его сына Джона, который обследовал около пятисот туманностей, в подавляющем большинстве указывали на однозначное существование лишь туманных объектов в истинном смысле, но никак не на галактические объекты представляющие собой огромные звездные скопления.
На самом деле среди наблюдаемых Гершелем туманностей было немало галактик. Проблема заключалась лишь в том, чтобы отождествить их. Величайший астроном Уильям Гершель, имевший в своем распоряжении крупнейшие на своё время телескопы, не смог решить эту
проблему. Всё же не хватало прежде всего оптической силы этих самых телескопов и чувствительности других астрономических инструментов, чтобы провести с достаточной степенью точности спектральный анализ очень неярких туманностей на небе. По-настоящему открытие галактик состоялось только в XX веке…