Теоретический материал для самостоятельного изучения

Урок 21-22 дата23.21г.

Тема : Лабораторная работа 4 «Наблюдение интерференции и дифракции света»

Посмотреть видео по ссылке https://yandex.ua/video/preview/?text=урок%20по%20теме%20лабораторная%20работа%20Наблюдение%20интерференции%20и%20дифракции%20света»&path=wizard&parent-reqid=1636961532979034-2147560907404472553-man1-2825-2ca-man-l7-balancer-8080-BAL-4699&wiz_type=vital&filmId=7114718256904675591

Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.

Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капроновая ткань.

Теория:

Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.

Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.

Условие максимума

, (Δd=d₂-d₁ )

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна четному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.

φ_А=φ_Б - фазы колебаний

Δφ=0 - разность фаз

А=2Х_max – амплитуда результирующей волны.

Условие минимума

, (Δd=d₂-d₁)

где k=0; ± 1; ± 2; ± 3;…

(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)

Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.

φ_А≠φ_Б- фазы колебаний

Δφ=π - разность фаз

А=0 – амплитуда результирующей волны.

Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.

Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).

Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Условие проявления дифракции: d < λ, где d – размер препятствия, λ - длина волны. Размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или соизмеримы с длиной волны.

Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.

Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.

Условие наблюдения дифракционного максимума:

d·sinφ=k·λ, где k=0; ± 1; ± 2; ± 3; d - период решетки, φ - угол, под которым наблюдается максимуи, а λ - длина волны.

Из условия максимума следует sinφ=(k·λ)/d .

Пусть k=1, тогда sinφ_кр=λ_кр/d и sinφ_ф=λ_ф/d.

Известно, что λ_кр>λ_ф, следовательно sinφ_кр>sinφ_ф. Т.к. y= sinφ_ф - функция возрастающая, то φ_кр>φ_ф

Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.

В явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников). Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.

Ход работы:

Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.

Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки

Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.

Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.

Ответьте на вопросы:

1. Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

2. Какую форму имеют радужные полосы?

3. Почему окраска пузыря все время меняется?

Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.

При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.

Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl

Ответьте на вопросы:

1. Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?

2. Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?

Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.

Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.

Опыт 5. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.

Приставляем скошенную часть губок вплотную к глазу (располагая щель вертикально). Сквозь эту щель смотрим на вертикально расположенную нить горящей лампы. Наблюдаем по обе стороны от нити параллельные ей радужные полоски. Изменяем ширину щели в пределах 0,05 – 0,8 мм. При переходе к более узким щелям полосы раздвигаются , становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой. Зарисуйте в тетрадь увиденную картину. Объясните наблюдаемые явления.

Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.

Объяснение: В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.

Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест.Объясните наблюдаемые явления.

Запишите вывод. Укажите, в каких из проделанных вами опытов наблюдалось явление интерференции, а в каких дифракции.

Контрольные вопросы:

1. Что такое свет?

2. Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?

3. Что называют интерференцией света? Каковы условия максимума и минимума при интерференции?

4. Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?

5. Что называют дифракцией света?

6. Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетк

7. Ответы и решения отправить на почту matheмаtuka@yandex.соm

Урок 22 дата 23,11.21г группа 2

Тема Виды излучений. Источники света.

Посмотреть видео по ссылке https://yandex.ua/video/preview/?text=урок%20по%20теме%20Виды%20излучений.%20Источники%20света&path=wizard&parent-reqid=1637570711739225-2962579406102473040-man1-2825-2ca-man-l7-balancer-8080-BAL-8532&wiz_type=vital&filmId=18238841360338622983

Глоссарий по теме

Тепловое излучение – это излучение нагретых тел.

Электролюминесценция - это свечение, сопровождающее разряд в газе.

Катодолюминесценция - это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами.

Хемилюминесценция - это свечение, которое возникает при выделении энергии в некоторых химических реакциях. Фотолюминесценция - это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения.

Спектральная плотность потока излучения I(ν) - интенсивность излучения, приходящаяся на единицу частотного интервала.

Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении вещества.

Непрерывный (или сплошной) спектр - это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в данном диапазоне.

Линейчатый спектр - это спектр, представляющий собой цветные линии различной яркости, разделённые широкими тёмными полосами.

Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами.

Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.

Спектральный анализ - это метод определения химического состава вещества по его спектру.

Шкала электромагнитных волн: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; γ-излучение.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами. Излучение возникает также, когда атом переходит из возбужденного состояния в основное и во время распада ядра.

Источники излучений делятся на два класса: горячие и холодные.

Тепловое излучение - это излучение нагретых тел. Тепловыми источниками являются Солнце, лампа накаливания, пламя и т. д.

Энергия атомам для излучения может также поступать и из нетепловых источников; например, переменный ток вызывает появление электромагнитного поля; излучение происходит и при переходе атома из возбуждённого состояния в основное, а также при распаде ядра.

Электролюминесценция - это свечение, сопровождающее разряд в газе (полярные сияния, трубки для рекламных надписей). Катодолюминесценция - это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами (электронно-лучевых трубок). Хемилюминесценция - это свечение, которое происходит при выделении энергии в некоторых химических реакциях (светлячки, некоторые живые организмы и т. д.). Фотолюминесценция - это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения (флуоресцентная лампа, светящиеся краски и т. д.).

Частотное распределение излучения характеризуется спектральной плотностью потока излучения.

Спектральная плотность потока излучения I(ν) - интенсивность излучения на единицу частотного интервала.

Спектральные аппараты - оптические устройства, в которых электромагнитное излучение оптического диапазона разлагается на монохроматические составляющие. Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении какого-либо вещества. Они бывают трёх видов.

1) Непрерывный (или сплошной) - это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в заданном диапазоне. При нагревании до высокой температуры твердые и жидкие тела дают такой спектр, а также высокотемпературная плазма.

2) Линейчатый спектр - это цветные линии различной яркости, разделенные широкими темными полосами. Такие спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.

3) Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.

Длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств его атомов, но не зависят от метода возбуждения свечения атомов - это основное свойство линейчатых спектров.

Атомы любого химического элемента дают спектр, непохожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго индивидуальный набор длин волн. Метод определения химического состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. В астрономии с его помощью определяют химический состав звёзд, планет, температуру и индукцию их полей и многие другие характеристики. Он также успешно используется в геологии, археологии, криминалистике, металлургии, атомной индустрии и многих других сферах деятельности.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.

Механизмы образования всех электромагнитных излучений одинаковы, отличаются друг от друга методами получения и регистрации. Огромным достижением электромагнитной теории Максвелла было создание шкалы электромагнитных волн. Различают следующие области шкалы: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; гамма-излучение.

1) Низкочастотные волны - электромагнитные волны с частотой до 100 кГц. Источник: генераторы тока, вибратор Герца. Применение: кино, радиовещание (микрофоны, громкоговорители).

2) Радиоволны - электромагнитные волны с длиной волны более 1 мм и менее 3 км. Источник: колебательный контур. Применение: радиосвязь, радиолокация, телевидение.

3) Инфракрасное излучение представляет собой излучение с частотами в диапазоне от 3 ∙ 10ˡˡ до 3,75 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Оно было обнаружено в 1800 году английским астрономом У. Гершелем при изучении красного конца спектра. Источником является любое нагретое тело. Применение: получают изображения предметов по излучаемому теплу; в приборах ночного видения (ночной бинокль); используют в криминалистике, медицине, промышленности для сушки цветных изделий, стен зданий, дерева, фруктов и т. д. Свойства: проходит через непрозрачные тела, а также через дождь, туман, снег; производит химическое действие на фотопластинки; нагревает вещество при поглощении.

4) Видимое излучение - часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового) с частотой от 4 ∙ 10ˡ⁴ до 8 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Свойства: воздействует на глаза.

5) Ультрафиолетовое излучение - электромагнитное излучение с частотой от 8 ∙ 10ˡ⁴ до 3 ∙ 10ˡ⁶ Гц. Источники: кварцевые лампы, нагретые твердые тела с температурой более 1000 º, светящиеся пары ртути. Свойства: высокая химическая активность, высокая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах оказывает благотворное влияние на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие на глаза. Применение: в медицине, промышленности.

6) Рентгеновское излучение - это излучение с частотой от 3 ∙ 10ˡ⁶ до 3 ∙ 10²⁰ Гц. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком В. Рентгеном. Источник: рентгеновская трубка. Свойства: высокая проникающая способность; облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение: в медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), промышленности (дефектоскопия), научных исследованиях.

7) Гамма-лучи - излучение с очень малой длиной волны - от 10⁻⁸ до 10⁻ˡˡ см. Они были открыты французским физиком П. Вильяром в 1900 году. Источники - ядерные реакции. Свойства: огромная проникающая способность, обладает сильным биологическим эффектом. Применение: в медицине, промышленности (γ-дефектоскопия).

Все излучения имеют как квантовые, так и волновые свойства. Волновые свойства более ярко выражены на низких частотах и менее ярко – при больших, а квантовые свойства более ярко проявляются на высоких частотах и менее ярко - на малых частотах.

Уильям Гершель, английский астроном, прославившийся открытием планеты Уран, обнаружив в спектре Солнца невидимые - инфракрасные - лучи, был так поражен, что двадцать лет хранил об этом опыте молчание. А вот в том, что Марс обитаем и населен людьми, он не сомневался.

Оказывается, так называемые черные дыры, которые имеют такое сильное притяжение, что даже легкие частицы света не могут их покинуть, также способны излучать. Под влиянием огромной гравитации в окрестностях черной дыры рождаются реальные частицы (и фотоны) из вакуума. Английский физик Стивен Хокинг установил, что спектр этого излучения такой же, как и у абсолютно черного тела.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Ответьте на вопрос и выберите правильный ответ: «Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой 500 ТГц укладывается на отрезке 30 см?»

Варианты ответов:

1. 2∙10⁶;

2. 5∙10⁵;

3. 7∙10⁵;

4. 150.

Выражаем частоту излучения в герцах, учитывая, что 1ТГц = l∙10ˡ² Гц, ν = 500ТГц = 5∙10ˡ⁴ Гц. Длину выражаем в метрах: l = 30см = 0,3м. Записываем скорость электромагнитных излучений: c = 3∙10⁸м/с.

Находим длину волны: λ= с/ν = 3∙10⁸м/с /5∙10ˡ⁴ Гц = 6∙10⁻⁷ м.

Чтобы узнать, сколько длин волн укладывается на данном отрезке, надо длину отрезка разделить на длину волны: Ν = l / λ = 0,3м / 6∙10⁻⁷ м = 5∙10⁵ длин волн.

2. Вставьте пропущенные слова в предложения:

«Чем _____ температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть _____ энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в _______ состояние»

Варианты ответов: ниже, потенциальной, выше, основное, кинетической, возбуждённое.

д/з § 66 Учебник Физика 11 кл Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин

законспектировать

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 73; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!