Два способа передачи воздействий
От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, он вызывает зрительное ощущение — мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику).
Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества).
Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, удачно попав в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к языку колокольчика и заставить колокольчик звучать, посылая по шнуру волны, раскачивающие его язык. В этом случае переноса вещества не происходит. По веревке распространяется волна, т. е. изменяется состояние (форма) веревки. Таким образом, действие от одного тела к другому может передаваться посредством волн.
Корпускулярная и волновая теории света
(Слайд №9) В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причем возникли они почти одновременно в XVII в. Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая — с именем Гюйгенса.
|
|
|
Ньютон придерживался так называемой корпускулярной (от латинского слова korpusculum — частица) теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). С данной точки зрения легко объяснить такие факты, как давление света (вращение «солнечной мельницы»), движение аппаратов с «солнечными парусами», изменение под действием лучей солнца формы хвоста кометы.
(Слайд №10) Исходя из волновой теории, трудно объяснить прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.
Согласно же представлениям Гюйгенса, свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.
Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории.
(Слайд №11) Но на основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
|
|
|
Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.
(Слайд №12) Не могла корпускулярная теория объяснить и такие явления, как образование цветных плёнок в отражённых лучах или разложение белого цвета в спектр.
Открытие и исследование интерференции света как типично волнового явления связаны с именем замечательного английского ученого Т. Юнга.
(Слайд №13) Томас Юнг родился в 1773 г. В два года он уже научился читать, в 6 лет начал изучать латынь. В возрасте от 9 до 14 лет он изучил греческих и римских классиков и овладел французским, итальянским, древнееврейским, персидским и арабским языками. В этот же период, решив сделать микроскоп, он научился токарному делу и дифференциальному исчислению.
Девизом Юнга было: «Всякий человек может сделать то, что делают другие». И вся его жизнь стала подтверждением этому. Он успевает дважды в неделю брать уроки танцев, дважды — уроки музыки и рисования и четыре раза заниматься верховой ездой. Он был цирковым наездником и канатоходцем, прекрасным знатоком живописи и доктором медицины. Он сыграл важную роль в расшифровке египетских иероглифов и научился играть почти на всех музыкальных инструментах. В его сочинениях разбираются вопросы механики, оптики, физиологии зрения, акустики, теплоты, гидравлики, астрономии, химии, геофизики, медицины, зоологии, филологии, музыки, живописи, кораблестроения, теории прочности и т. д. Именно он первый ввел в науку термин «энергия».
|
|
|
В январе 1800 г. Юнг выступил с докладом, который ознаменовал начало атаки Томаса Юнга на сторонников корпускулярной теории света. Отметив, что «со времени публикации несравненных работ сэра Исаака Ньютона его учение об испускании частиц света... сделалось почти безраздельно принятым», Юнг заметил, что «в ньютоновской системе имеются затруднения, на которые обращалось мало внимания». Например, «каким образом происходит, что все световые лучи, возникают ли они от слабой электрической искры, от удара двух кремней, от ничтожнейшей степени ощутимого глазом накаливания, распространяются с одинаковой скоростью. Какое же основание может дать корпускулярная теория для того, чтобы все эти разнообразные источники света выбрасывали из себя светящиеся частицы с равной скоростью?» Не удовлетворяло Юнга и ньютоновское объяснение «цветов тонких пластинок».
|
|
|
В 1801 г. Юнг высказывает очень важное предположение, согласно которому «ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом в сетчатке» (так называемая «третья гипотеза» Юнга).
(Слайд №14) Вскоре он приходит к выводу, что световые волны могут усиливать и ослаблять друг друга, и в науке появляется новый термин — «интерференция».
Интерференцию света удалось наблюдать с помощью установки, предложенной Т. Юнгом. Он был одним из первых, кто понял, что от двух независимых источников света интерференционная картина не получится. Поэтому он пропустил в темную комнату солнечный свет через узкое отверстие S (рис), затем с помощью двух отверстий S1 и S2 разделил этот пучок на два. Эти два пучка, накладываясь друг на друга, образовали в центре экрана белую полосу, а по краям — радужные. Таким образом, в опыте Юнга интерференционная картина получилась путем деления фронта волны, исходящей из одного источника, при ее прохождении через два близко расположенных отверстия, что обеспечило когерентность волн.
Примеры интерференции света
(Слайд №15) Чтобы получить интерференционную картину света, нужно лучи, выходящие из одного источника, с помощью каких-либо приспособлений направить по разным путям, а потом заставить их встретиться в некоторой точке. В этом случае выполняется условие когерентности: волны будут иметь одинаковую частоту и постоянный сдвиг фаз. Существует много способов раздваивать один и тот же луч. Познакомимся с некоторыми из них.
(Слайд №16) 4.1. Бизеркало Френеля.
Френель заставил свет от источника отражаться от двух зеркал, расположенных под углом, близким к 180°. Путь этих лучей показан на рисунке (рис. 19.4, а). Прямые лучи от источника до экрана не доходят, так как их задерживает экран ВВ´. Волны, идущие после отражения от зеркал, — два пучка когерентных волн, как бы исходящих от источников Sb S2. Интерференция будет происходить в тех областях пространства, где эти пучки перекрываются.
(Слайд №17)
4.2. Билинза Бийе.
Если собирающую линзу разрезать пополам и две половинки раздвинуть по вертикали, то каждая половина линзы дает изображение источника S. (Построение изображений проводится для каждой половинки линзы по обычным законам геометрической оптики.) В результате будет два изображения S1 и S2, которые являются 
источниками когерентных волн. В той области, где волны от источников Si и S2 накладываются друг на друга, можно наблюдать устойчивую картину чередования максимумов и минимумов.
(Слайд №18)
4.3. Зеркало Ллойда.
(Слайд №19)
4.4. Бипризма Френеля
(Слайд №20) 4.6. Кольца Ньютона.
Поставим плоско-выпуклую линзу большого радиуса (порядка 1 м) на плоскую стеклянную пластинку и перпендикулярно этой системе направим пучок параллельных лучей. Лучи, отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки, образовавшейся между линзой и стеклянной плоскостью, будут интерферировать между собой. В отраженном свете видны чередующиеся темные и светлые кольца. Воздушная прослойка представляет собой много клиньев, у которых верхняя грань — часть сферической поверхности.
(Слайд №21) Следует напомнить, что отражённая от среды более упругой волна (в оптике – от среды оптически более плотной, т.е. с большим показателем преломления) имеет смещение λ /2, что можно наблюдать при отражении волны в резиновом шнуре при жёстком закреплении второго конца шнура. От среды менее упругой (с меньшим показателем преломления для света) – отражение волны происходит без смещения.
(Слайд №22) Толщина воздушного клина h, радиус линзы R и радиус светового кольца r связаны теоремой Пифагора, из которой условие минимума, например, с учётом сдвига отраженной от нижнего стекла волны на λ / 2 позволяет получить формулу радиуса темных колец 
, (для светлых колец максимума 
) где k = 0, 1, 2, … – порядок кольца от центра, в центре k = 0. Эти формулы дают возможность после необходимых измерений вычислить длину волны отражённого монохроматичного света. 
(Слайд №23) Аналогичен механизм образования интерференционной картины в воздушном клине между двумя стеклянными пластинами в отражённых лучах света.
(Слайд №24) 4.5. Интерференция на плёнках. 
Интерференция в тонких пленках обусловлена сложением световых волн, которые возникают при отражении от передней и задней поверхностей пленки.
(Слайд №25) При этом у волн разной частоты (и, следовательно, разного цвета), входящих в состав падающего белого света, максимумы наблюдаются в разных местах пленки (из-за ее разной толщины), что и придает пленке радужную окраску.
(Слайды №26 – 31) С помощью своей теории интерференции Юнг впервые сумел объяснить и такое хорошо известное всем явление, как разноцветная окраска тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, крылья стрекоз и т. д.).
(Слайд №32)
Расчёт условий интерференции
Из формулы (8) можно определить длину монохроматичной световой волны, используя установку для получения картины интерференции?
ℓ– расстояние между щелями (между когерентными источниками света),
L – расстояние от источников до экрана,
xk –расстояние от центрального max до k- ого.
Записав формулы расстояния хk для двух соседних полос, можно вычислить расстояние между полосами монохроматической интерференционной картины:
Данная формула позволяет сказать, как будет изменяться интерференционная картина при изменении L, λ, или ℓ.
Применение интерференции
Явление интерференции света находит широкое применение современной технике.
6.1. Просветление оптики.
Прежде всего, нужно сказать о необходимости т.н. «просветления» оптических линз.
(Слайд №33) Мы знакомы с явлением дисперсии белого цвета, в результате которой изображение в линзах имеет цветное окрашивание по краям.
(Слайд №34) Этот дефект линз называется хроматическая аберрация.
(Слайд №35) Кроме того, фокусное расстояние для лучей, параллельных главной оптической оси зависит от их расстояния от оптической оси, чем это расстояние больше, тем короче фокус. Название этого дефекта – сферическая аберрация.
Примечательно, что эти дефекты у собирающих и рассеивающих линз противоположного направления.
(Слайд №36) Поэтому исправить указанные дефекты можно последовательным сочетанием собирающих и рассеивающих линз различного радиуса, т.е. использованием целой системы нескольких разных линз.
Но отполированная поверхность стекла отражает примерно от4% до 10% падающего на нее света. Общие потери света в качественном объективе фотоаппарата составляют примерно от 25% до 50%. В результате этого освещенность изображения получается малой. Кроме того, ухудшается качество изображения, на фотографических изображениях образуется «вуаль».
Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхностей оптических стекол надо уменьшить долю отраженной энергии света. Даваемое прибором изображение делается при этом ярче, «просветляется». Отсюда и происходит термин просветление оптики.
(Слайд №37) Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла пс. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку. Условие того, что отраженные от верхней и нижней поверхностей пленки волны гасят друг друга, запишется (для пленки минимальной толщины) следующим образом:
где λ – длина волны в пленке, а 2h – разность хода .
Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным.
На линзу при обычных условиях падает белый свет. Формула разности хода показывает, что требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λ3 = 5,5 ∙ 10 -7 м), она должна быть равна четверти длины волны в пленке :
(Слайд №37 второй клик) Отражение света крайних участков спектра — красного и фиолетового — ослабляется незначительно. Поэтому объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок. Сейчас даже простые дешевые фотоаппараты имеют просветленную оптику.
(Слайд №38) 6.2. Проверка качества обработки поверхностей 
С помощью интерференции можно оценить качество шлифовки поверхности изделия с погрешностью до 10–6 см. Для этого нужно создать тонкую прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности до 10– 6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.
(Слайд №39) В частности, качество шлифовки линзы можно проверить, наблюдая кольца Ньютона. Кольца будут правильными окружностями только в том случае, если поверхность линзы строго сферическая. Любое отступление от сферичности, большее 0,1λ, будет заметно сказываться на форме колец. В том месте, где на линзе имеется выпуклость, кольца будут выгибаться к центру.
Любопытно, что итальянский физик Э. Торричелли (1608—1647) умел шлифовать линзы с погрешностью до 10–6 см. Его линзы хранятся в музее, и качество их проверено современными методами. Как же это ему удавалось? Ответить на этот вопрос трудно. В то время секреты мастерства обычно не выдавались. Видимо, Торричелли обнаружил интерференционные кольца задолго до Ньютона и догадался, что с их помощью можно проверять качество шлифовки. Но, разумеется, никакого представления о том, почему кольца появляются, у Торричелли быть не могло.
Отметим еще, что, используя почти строго монохроматический свет, можно наблюдать интерференционную картину при отражении от плоскостей, находящихся друг от друга на большом расстоянии (порядка нескольких метров). Это позволяет измерять расстояния в сотни сантиметров с погрешностью до 10– 6 см.
Закрепление нового материала
ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ.
(Слайд №40)
1.Какие явления мы рассмотрели на занятии?
Независимость распространения световых пучков и интерференцию света.
2.Какие факты доказывают существование интерференции света?
Опыты Юнга. Опыты с бипризмой Френеля, билинзой Бийе, зеркалом Ллойда, кольца Ньютона, интерференция в пленках.
3. При каких условиях интерференция волн проявляется особенно отчетливо?
Выполняются условия интерференции, т.е. волны создаются когерентными источниками волн.
(Слайд №41)
4.Какие формулы можно вывести для описания картины интерференции? Для max? Для min?
Условие max:
Условие min:
5.Какие величины в них входят?
6. Как можно определить длину световой волны, используя установку для получения картины интерференции?
ℓ– расстояние между щелями (между когерентными источниками света),
L – расстояние от источников до экрана,
xk –расстояние от центрального max до k- ого.
(Слайд №42)
7. Как изменится расстояние между полосами монохроматической интерференционной картины:
а) при увеличении расстояния между источниками света;
б) при увеличении расстояния от источников света до экрана;
в) при увеличении длины волны от источников света.
Слайд №43)
Домашнее задание.
1. Составить конспект по лекции
2. Познакомиться с презентацией по данной теме
3. Ответить на вопросы для закрепления
Фото выполненного домашнего задания студент отправляет до 15.02.2022 мне на электронную почту: ludmilakorotcenkova@gmail.com
При отправлении задания четко указать ФИО, группу, дату, тему
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 78; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!