Интерференция света - ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ - Поурочные разработки по программе А. В. Перышкина

Цели урока:

Познакомить учащихся с понятием интерференции, показать возможность использования интерференции света в современной науке и технике.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания, повторение

- Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из теории Максвелла?

- Какие физические величины периодически меняются в электромагнитной волне?

- Какие отношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и частотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?

- При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, чтобы ее можно было зарегистрировать?

- Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

- Приведите примеры применения электромагнитных волн.

II. Новый материал

Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

Учитель может продемонстрировать явление интерференции механических волн. Интерференцию света можно наблюдать на мыльной пленке.

Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фраз их колебаний была постоянной. Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчива интерференционная картина.

Световые волны, излучаемые различными источниками не согласованы друг с другом. Для получения интерференционной картины волны должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от двух независимых источников.

Томас Юнг первым пришел к мысли о возможности объяснения цветов на поверхности мыльной пленки.

Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света и толщины пленки. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка.

Различие связано с различием длины волны. Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны.

Применение интерференции

♦ Проверка качества обработки поверхностей (до одной десятой длины волны, т. е. 10^-8 м). Определяется по искривлению интерференционных полос.

♦ Для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

♦ Просветление оптики.

III. Вопросы на закрепление

- Что называется интерференцией волн? При каких условиях происходит это явление?

- Какие волны называют когерентными?

- Что называют разностью хода волн?

- Что называют интерференцией света? При каких условиях ее наблюдают?

- Сделав рисунок, объясните интерференцию света в тонких пленках.

- Приведите примеры практического применения интерференции света.

Домашнее задание

1. Выучить § 53;

2. Пронаблюдать явление интерференции света и сделать рисунок в тетради;

3. Ответить на вопросы микротеста:

Световые волны когерентны, если у них...

а) совпадают амплитуды;

б) совпадают частоты;

в) постоянна разность фаз;

г) совпадают частоты и постоянна разность фаз.

Световая волна характеризуется длиной волны λ, частотой v и скоростью распространения V. Какие из этих параметров изменяются при переходе из одной среды в другую?

а) только λ.

б)только λ и V;

в) только v.

г) только v и V.

Приложение к уроку

Оптика Ньютона

Еще в 60-е гг. XVII в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как казалось сначала, говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов. Разложение белого света призмой в спектр было известно очень давно. Однако разобраться в этом явлении до Ньютона никто не смог.

Ученых, занимающихся оптикой, интересовал вопрос о природе цвета. Наиболее распространенным было мнение о том, что белый свет является простым. Цветные же лучи получаются в результате тех или иных его изменений. Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей.

Чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон проводил следующий опыт. В экране, на котором наблюдался спектр, делалось маленькое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет определенной окраски (говоря современным языком, монохроматический пучок света). На пути этого пучка Ньютон ставил призму, а за ней - экран. Что будет наблюдаться на экране? Разложится ли одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показал, что этот пучок света отклоняется призмой как единое целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Ньютон пропускал через отверстие цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.

После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой уже не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться «ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной», - писал Ньютон.

Открытие дисперсии было расценено Ньютоном и большинством его современников и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света. С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении и преломлении период остается неизменным.

Развитие волновой теории света

В конце XVIII в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг (1773-1829). Он впервые ввел понятие «интерференция» (от латинских слов inter - взаимно и ferio - ударяю).

Весьма вероятно, что интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе такое, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действие соединятся. Если они вступают в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, кода подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».

Результаты своих исследований по оптики Юнг доложил на ученом заселении Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале XIX в. Но, не смотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался. На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпускулярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.

Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френель (1788-1827) начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

После открытия явления двойного лучепреломления и поляризации света создалось такое положение, когда Юнг и Френель прекрасно объяснили явление интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой природе света, но не могли объяснить поляризацию света. Юнг и Френель пришли к убеждению о необходимости считать световые волны не продольными, а поперечными. Но уже было известно, что поперечные волны могут существовать и распространяться только в твердых телах. Поэтому эфир нужно было рассматривать как твердое тело. Но эфир ведь очень «тонкая среда», гораздо более «тонкая», чем воздух. Он не оказывает никакого сопротивления движению в нем тел. Планеты, например, движутся в эфире, не испытывая никакого сопротивления. Как же можно считать эфир твердым телом?

Однако постепенно, не смотря на все трудности, стоявшие перед гипотезой о поперечности световых волн, волновая теория света начала побеждать и вытеснять корпускулярную теорию света.

В 1864 г. Максвелл высказал гипотезу об электромагнитной природе света. Спустя почти двадцать лет Герц подтвердил ее на опыте. После этого перед физиками встала проблема построить теорию эфира, которая давала бы объяснение электрическим и магнитным явлениям, а значит и оптическим. Было создано много теорий, но ни одну из них не признали удовлетворительной. Появилось даже мнение о невозможности построения такой теории. Так дело продолжалось до возникновения теории относительности, которая покончила с эфиром и привела к новым представлением о сущности электромагнитных, а вместе с этим, и оптических явлений.