Интерференция и дифракция механических волн презентации. Интерференция

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

УРОК ФИЗИКИ - ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:

КУРНОСОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА


ПЛАН УРОКА

1. Дифракция механических волн.

2. Дифракция света:

а) Опыт Юнга;

б) Принцип Гюйгенса-Френеля;

в) Условия наблюдения дифракции света.

3. Применение дифракции света.

4. Дифракционная решетка.

5. Закрепление урока.

6. Домашнее задание.


ЦЕЛЬ УРОКА

1. Изучить условия возникновения дифракции волн.

2. Объяснить явление дифракции света, используя принцип Гюйгенса-Френеля.

3.Убедиться, что дифракция свойственна свету.


ДИФРАКЦИЯ

МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН

ПРОЯВЛЯЕТСЯ КАК:

нарушение

целостности фронта световой волны

из-за неоднородности среды

нарушение закона

прямолинейного

распространения света.



ЗАДАЧИ

1.ПОЧЕМУ МОЖНО СЛЫШАТЬ СИГНАЛ АВТОМОБИЛЯ ЗА УГЛОМ ЗДАНИЯ, КОГДА САМОЙ МАШИНЫ НЕ ВИДНО?

2. ПОЧЕМУ МЫ КРИЧИМ В ЛЕСУ, ЧТОБЫ НЕ ПОТЕРЯТЬ СВОИХ ДРУЗЕЙ?


Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними. Способность огибать препятствия обладают звуковые волны


"Свет распространяется или рассеивается не только

прямолинейно, отражением и преломлением,

но и также четвертям способом - дифракцией" (Ф.Гримальди 1665г.)

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона.

Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.


ОПЫТ Т. ЮНГА

Свет от Солнца падал на экран с узкой щелью S.Прошедшая через щель световая волна затем падала на второй экран уже с двумя щелями S1 и S2. Когда в область перекрытия световых волн, идущих от S1 и S2 помещался третий экран, то на нем появлялись параллельные интерференционные полосы, содержащие (по словам Юнга) «красивое разнообразие оттенков, постепенно переходящие один в другой». Именно с помощью этого опыта Юнг смог измерить длины волн световых лучей разного цвета.


Дифракция - явление распространения

света в среде с резкими

неоднородностями (вблизи границ прозрачных

и непрозрачных тел,

сквозь малые отверстия).

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА-ФРЕНЕЛЯ

Дифракционная картина является

результатом интерференции вторичных световых волн, возникающих в каждой

точке поверхности, достигнутой к какому-либо моменту данной световой волной.


Длина волны;

D- размер препятствия;

l-расстояние от препятствия до точки наблюдения результата дифракции (дифракционной картины)

Условие наблюдения дифракции:


Примеры дифракционных картин

от различных препятствий

от круглого отверстия;

от тонкой проволоки или щели;

от круглого экрана;


ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

(СОВОКУПНОСТЬ БОЛЬШОГО ЧИСЛА РЕГУЛЯРНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЩЕЛЕЙ И ВЫСТУПОВ, НАНЕСЕННЫХ НА НЕКОТОРУЮ ПОВЕРХНОСТЬ)

ПРОЗРАЧНЫЕ

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ

Штрихи наносятся на зеркальную (металлическую) поверхность

Штрихи наносятся на прозрачную (стеклянную) поверхность


ФОРМУЛА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

dsinα=n

d- период дифракционной решетки;

n- порядок максимума;

Угол, под которым наблюдается максимум дифракционной решетки;

Длина волны.

Разложение белого света в спектр


Задачи на дифракцию света

1. На поверхности лазерного диска

видны цветные полоски.

Почему?

2. Подумайте как можно быстро

изготовить дифракционную решетку.


Ответы на задачи

1. Поверхность лазерного диска состоит из ячеек, которые играют роль щелей дифракционной решетки. Цветные полосы – это дифракционная картина.

2. Если посмотреть сквозь ресницы глаз на яркий свет, то можно наблюдать спектр. Ресницы глаз можно считать «грубой» дифракционной решеткой, так как расстояние между ресничками глаза достаточно большое.


Задачи на дифракцию света

1. НА ДИФРАКЦИОННУЮ РЕШЕТКУ,

ИМЕЮЩУЮ 500 ШТРИХОВ НА КАЖДОМ МИЛЛИМЕТРЕ,

ПАДАЕТ СВЕТ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ450 НМ.

ОПРЕДЕЛИТЕ НАИБОЛЬШИЙ ПОРЯДОК МАКСИМУМА,

КОТОРЫЙ ДАЕТ ЭТА РЕШЕТКА.


  • 2. Дано СИ Решение
  • d= мм= м Максимальный порядок max можно
  • найти взяв максимальный угол
  • =450нм= 45*10 -8 м при прохождении через щели
  • n max - ? решетки т.е. α max =90 0
  • dsinα= n ; n max = ;
  • n max = =4
  • Ответ: n max =4

  • § 48 - 50
  • Экспериментальные задачи:
  • В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните. Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.
  • В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните.
  • Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.

Итоги урока:

  • Дифракция механических волн.

2. Опыт Юнга.

3. Принцип Гюйгенса – Френеля.

4. Дифракция света.

5. Дифракционная решетка.


  • На поверхность стекла наносят тонкую пленку


Просветленная оптика

Отражение света для крайних участков спектра - красного и фиолетового - будет меньшим. Объектив имеет сиреневый оттенок.



  • Отклонение направления распространения волн от прямолинейного у границы преграды (огибание волнами препятствий)
  • Условие: размеры препятствия должны быть сравнимы с длиной волны




Опыт Гримальди

  • В середине 17-го века итальянский ученый Франческа Мария Гримальди наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в очень узкий пучок света. К удивлению ученого, эти тени не имели резких границ, а были почему-то окаймлены цветными полосами.

Условия наблюдения

  • - размеры препятствия должны быть соизмеримы с длиной световой волны
  • - расстояние от препятствия до точки наблюдения должно быть гораздо больше размеров препятствия

В результате дифракции накладываются световые волны, приходящие из разных точек (когерентные волны), и наблюдается интерференция волн



Дифракция проявляется в нарушении прямолинейности распространения света!


Принцип Гюйгенса Френеля

  • Каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все вторичные источники когерентны.

  • Френель доказал прямолинейность распространения света и рассмотрел количественно дифракцию на различного рода препятствиях.


Особенности

дифракционной картины

Объяснение

Размеры изображения щели

больше размеров,

полученных путем

геометрических

построений

Вторичные волны заходят за

края щели


Особенности

дифракционной картины

Объяснение

В центре картины возникает

светлая полоса

Вторичные волны в

направлении,

перпендикулярном щели,

имеют одинаковую

фазу. Поэтому при их

наложении амплитуда

колебаний увеличивается


Особенности дифракционной

Объяснение

По краям картины - чередование

светлых и темных полос

Вторичные волны интерферируют

в направлении под углом к

перпендикуляру к щели,

имея некоторую разность фаз, от

которой зависит результирующая

амплитуда колебаний




  • Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет огибает предметы.
  • Изображения получаются размытыми. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.

Разрешающая способность микроскопа и телескопа

Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга, и глаз не может различить, имеются ли две светящиеся точки или одна.


Волновые свойства света: интерференция, дифракция, поляризация Световые волны рассматриваются по своей природе как электромагнитные волны, обладающие всеми их свойствами. Волновая оптика – раздел оптики, объясняющий оптические явления на основе волновой природы света. Волновая оптика описывает такие оптические явления, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.

Интерференция света Электромагнитные волны, как и механические волны, обладают принципом суперпозиции, то есть, если в среде одновременно распространяются несколько волн, то они распространяются независимо друг от друга. Однако, в тех местах, где одни колебания накладываются на другие колебания, их амплитуды векторно складываются. При этом может наблюдаться как увеличение интенсивности света (когда накладываются волны с одинаковыми фазами), так и ослабление интенсивности (при сложении волн с противоположными фазами). Это явление получило название интерференции света. Интерференция света – это сложение двух и более волн, вследствие которого наблюдается устойчивая картина усиления и ослабления световых колебаний в разных точках пространства. Интерферировать могут лишь когерентные волны, т. е. волны имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз. Когерентные источники в природе отсутствуют, но они могут быть получены разными способами. Один из них показан на рисунке. Здесь показано, как с помощью экрана Э 1 с двумя узкими щелями получают из одного источника света S два когерентных. Интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос наблюдают на экране Э 2.

Интерференционные картины можно наблюдать на тонких масляных пленках на поверхности воды, мыльных пузырях, крыльях стрекоз, цвета побежалости на поверхности металла после нагрева. Явление интерференции в тонких пленках находит применение для определения длин волн излучения источников света, для контроля качества обработки полированной поверхности, определения коэффициента расширения тел при нагревании и т. д. Существуют специальные приборы – интерферометры, предназначенные для измерения длин тел, показателей преломления с большой точностью.

Дифракция света Дифракция – это способность волн огибать встречающиеся на их пути препятствия, отклоняться от прямолинейного распространения. Чтобы наблюдать дифракцию световых волн, необходимы определённые условия: либо размеры препятствий (или отверстий) должны быть очень малыми, либо расстояние от препятствия до наблюдаемой картины должно быть велико. Возьмем на пути лучей от точечного источника света S поставим преграду с очень маленьким отверстием диаметра d, тогда на экране Э увидим систему чередующихся светлых и тёмных колец (при условии, что d

Дифракционные картины нередко наблюдаются в естественных условиях. Например, цветные кольца, окружающие источник света, наблюдаемый сквозь туман или через запотевшее оконное стекло, или при рассматривании яркого источника через ресницы. Для наблюдения дифракции используются специальные приборы – дифракционные решетки. Дифракционная решетка (одномерная) представляет собой систему параллельных равноотстоящих друг от друга щелей равной ширины. Простейшая дифракционная решетка может быть изготовлена из стеклянной пластинки, на которой алмазным резцом нанесены параллельные царапины с неповрежденными промежутками между ними (щелями). Расстояние между соседними щелями называется периодом или постоянной решетки d (рис.).

где а – расстояние между соседними щелями, b – ширина щели. Разность хода Δ лучей, приходящихся в произвольную точку Р от двух соседних щелей будет:

Очевидно, колебания в точке Р будут усиливать друга, если разность фаз лучей будет равна 0 или отличатся на 2π, чему соответствует: где k = 0, 1, 2, 3. . . Тогда условием наблюдения максимумов (усиления колебаний) света будет: где k = 0, 1, 2, 3. . . Вследствие дифракции происходит неравномерное перераспределение световой энергии между максимумами. Дифракционная решетка является спектральным прибором. С ее помощью можно определять длины волн в спектрах излучения источников (например, звезд):

Поляризация света Как было показано выше, свет, излучаемый большинством источников, представляет собой наложение огромного количества волн, испущенных отдельными атомами. Так как атомы излучают независимо друг от друга, то пространственная ориентация векторов Е волн разных атомов произвольна. Такой свет называется естественным (рис. а) Луч, в котором колебания вектора Е происходят только в одном направлении (имеют полярность), называется плоскополяризованным (или линейнополяризованным) (рис. б). Плоскость, в которой совершает колебания вектор Е называется плоскость колебаний. Плоскость, в которой колеблется вектор Н (или В), назвали плоскостью поляризации. Угол между этими плоскостями 900. Естественный свет можно превратить в поляризованный с помощью приборов которые называются поляризаторами. При падении естественного света на границу раздела сред, с разными показателями преломления, отраженный и преломленный луч всегда поляризованы.


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации: Презентация учителя МОУ «СОШ №56 с УИОП» г. СаратоваСуховой Татьяны Михайловны Интерференция света. Интерференцией называется сложение двух (или нескольких) световых волн, при котором в одних точках пространства происходит усиление интенсивности света, а в других –ослабление.Условия когерентности световых волн.Волны, разность фаз которых не зависит от времени называются когерентными. Проявления в природе.Применение интерференции.Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является создание "просветленной" оптики. Явление огибания механическими волнами преград наблюдается когда речные волны свободно огибают выступающие из воды предметы и распространяются так, как будто этих предметов не было совсем. Явление, свойственное всем волновым процессам. Звуковые волны так же огибают препятствия и мы можем слышать сигнал автомобиля за углом дома, когда самого автомобиля не видно. План урока.1. Опыт Юнга.2. Что такое дифракция.3. Принцип Гюгенса.4. Принцип Гюгенса-Френеля.5. Дифракционные картины от различных препятствий.6. Границы применимости геометрической оптики.7. Разрешающая способность оптических приборов.8. Вывод. В середине 17-го века итальянский ученый Ф. Гримальди наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в узкий пучок света. Эти тени не имели четких границ, были окаймлены цветными полосами. Дифракция света – огибание световой волной непрозрачных тел с проникновением в область геометрической тени и образованием там интерференционной картины. В становлении представлений о том, что распространение света является волновым процессом, большую роль сыграл Христиан Гюйгенс. Каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн становится волновой поверхностью в следующий момент времени. Огюстен Френель заложил основы волновой оптики, дополнив принцип Гюйгенса идеей интерференции вторичных волн: он построил количественную теорию дифракции. Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн. Наиболее отчетливо дифракция света проявляется тогда, когда выполняется данное условие (условие наблюдения дифракции).Где D- размер препятствия или отверстия, - длина световой волны, L- расстояние от препятствия до места, где наблюдается дифракционная картина. l 2 D L Дифракция налагает также предел на разрешающую способность телескопа. Предельное угловое расстояние() между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны() к диаметру объектива (D). Дифракцию света используют для создания чувствительных спектральных приборов. Дифракционные явления приносят не только пользу, но и вред, ограничивая разрешающую способность оптических приборов. II ВАРИАНТ 1. Б2. В3. Б4. Д5.6. Д7. Г 1. А2. Б3. А4. Г5. 6. А7.А 1. Что такое дифракция?2. Сформулируйте принцип Гюйгенса.3.Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.4. Как получить в центре дифракционной картины отверстия темное или светлое пятно?5. Границы применимости геометрической оптики.6. Разрешающая способность оптических приборов. Нет отдельно интерференции и отдельно дифракции – это единое явление, но в определённых условиях больше выступают интерференционные, в других – дифракционные свойства света. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: учебник для 11кл. – М.:ПросвещениеЖелезовский Б.Я. Лекции по оптике для студентов СГУОбразовательные комплексы. Физика,7-11 кл, Библиотека наглядных пособийПрограммы Физикона, Физика 7-11 кл, Локальная версияКирилл и Мифодий, Учебные электронные издания БЭНП Физика


Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн. То есть интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Интерференция


Устойчивая картина чередования максимумов и минимумов колебаний точек среды при наложении когерентных волн Когерентные волны – это волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз Интерференция С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: радужная окраска масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков все это проявление интерференции света.


Дифракция При явлении дифракции происходит разложение сложного света. Положение максимумов и минимумов, составляющих дифракционную картину, зависит от длины световой волны. Поэтому при наблюдениях в сложном свете, например в белом, где представлены различные длины волн, дифракционные максимумы для различных цветов окажутся на разных местах.




Дифракция 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. Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов: - в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым - в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.


Диспероссия Диспе́россия волн - различие фазовых скоростей волн в зависимости от их частоты. Диспероссия волн приводит к тому, что волновое возмущение произвольной негармонической формы претерпевает изменения (диспергирует) по мере его распространения. Иногда под дисперсией волны понимают процесс разложения широкополосного сигнала в спектр, например, при помощи дифракционных решёток.


Диспероссия Красный закат, один из результатов разложения света в атмосфере Земли. Причиной этого явления является зависимость показателя преломления газов, составляющих земную атмосферу, от длины волны света. Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, один из ключевых образов культуры и искусства. Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметах или материалах. В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.



Поляризация Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости. Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.




Закон Малюса Линейно поляризованный свет можно наблюдать, например, в излучении лазера. Другой способ получения линейно поляризованного света состоит в пропускании естественного света через поляроид(поляризационный светофильтр), который свободно пропускает компоненту света, поляризованную вдоль выделенного направления, и полностью поглощает свет с перпендикулярной поляризацией. Если на такой поляроид падает линейно поляризованная волна, то интенсивность I прошедшего света будет зависеть от угла а между направлением поляризации падающего света и выделенным направлением самого поляроида следующим образом: I = I 0 cos 2 a


Эллипсометрия Эллипсометрия - совокупность методов изучения поверхностей жидких и твёрдых тел тел по состоянию поляризации светового пучка, отражённого этой поверхностью и преломлённого на ней. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании Френеля формул. На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности жидкости или твёрдых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др.