Дисперсия света. Интерференция света. Дифракция света. Дифракционная решетка

Занятие №

Тема: Дисперсия света. Интерференция света. Дифракция света. Дифракционная решетка.

Цели:  Дидактическая:  познакомить с понятием дифракции, дать теорию дифракционной решетки.

Развивающая: развивать способности анализировать  увиденное, логическое мышление и творческое воображение учащихся, учить устанавливать причинно-следственные связи в изучаемых явлениях, формулировать эмпирические закономерности.

Воспитывающая: воспитывать ответственное отношение   к учебе, положительное отношение к предмету физики.

Тип урока: комбинированный

Ход занятия.

1. Организационный момент.

2. Знакомство аудитории с темой и целью занятия.

Мотивация учебной деятельности студентов.

3. Актуализация опорных знаний.

1.    Как свет распространяется в однородной прозрачной среде?

2.    Закон преломления света.

3.    Показатель преломления среды.

4.    Связь показателя преломления среды со скоростью света.

Свет одно из удивительных явлений природы. Под действием света и тепла развивается и поддерживается жизнь на Земле, а возможно, и на вторых планетах Вселенной. С помощью света мы получаем большую часть информации об окружающем нас мире. Как вы уже знаете, свет - это электромагнитное излучение, которое имеет непрерывные, волновые свойства, так и дискретные, корпускулярные. Сегодня на уроке мы убедимся, что в случаях интерференции и дифракции свет проявляет волновую природу, а при дисперсии - отчетливее проявляется его корпускулярная природа, хотя при этом сохраняется и волновая.

4. Изучение нового материала.

 Дисперсия света. Слово “дисперсия” происходит от латинского слова dispersio, что в буквальном переводе означает “рассеяние, развеивание”.

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны).

   В 1666 году англ. физик Исаак Ньютон обратил внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе. Он заинтересовался этим явлением и поставил опыт.  Ньютон направил световой пучок малого поперечного сечения на призму. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Эту радужную полоску Ньютон назвал спектром (от лат. слова spectrum - “вuдение”). Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется до сих пор.

Монохроматический свет – одноцветный свет, каждой цветности соответствует своя длина и частота волны (в вакууме). 

Вернемся к опытам Исаака Ньютона. Почему в призме волны делятся? Какое явление наблюдается при прохождении света через призму? (преломление света) 

Какой цвет в проводимых опытах испытывал наибольшее преломление? (фиолетовый) Наименьшее преломление? (красный). 

Очевидно, n_ф > n_к. Абсолютный показатель преломления связан со скоростью распространения света в этой среде формулой n=. Следовательно, n_ф =, n_к =.

Отсюда, , . Для одной и той же среды: 

Значит, в одном и том же веществе скорости света для разных частот (или длин волн) различны. Различны будут и показатели преломления. Следовательно, показатель преломления света в среде зависит от его частоты.

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, частота же, определяющая цвет, остается постоянной. Границы диапазонов белого света и составляющих его цветов принято характеризовать их длинами волн в вакууме. Т. о., белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.

Дисперсией называют зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или дины волны).

Условия возникновения радуги:

1. Радуга появляется, только когда выглянуло из-за туч солнце и только в стороне, противоположной солнцу.
2. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя.
3. Радуга появляется при условии, что угловая высота солнца над горизонтом не превышает 42 градуса.

Объясните, почему возникает радуга, какие явления наблюдаются при этом?. (в водяной капле происходят следующие оптические явления: преломление солнечного света в водяных каплях, образующихся в атмосфере; дисперсия света, т.е. разложение белого света на цветные лучи; отражение света) 

Действительно, на каплю воды падает белый свет. Преломляясь, луч проходит в каплю и благодаря дисперсии разлагается на составляющие. Свет испытывает многократное внутреннее отражение, но часть энергии при каждом отражении выходит наружу. Вышедшие лучи – цветные. Лучи,  испытавшие только одно отражение образуют главную радугу; образование двойной радуги объясняется двумя внутренними отражениями и т.д. Чем больше отражений происходит, тем слабее радуга. Такие же радужные полосы можно наблюдать вокруг фонарей при тумане. Снаружи радуга всегда красная, внутри – фиолетовая.

Увидеть радугу можно и в брызгах водопада, фонтана, на росе и т.д. Радуга бывает и ночью (после ночного дождя, когда из-за туч появляется Луна). Но ночная радуга всегда слабее и наблюдать ее можно достаточно редко).

Именно дисперсия объясняет возникновение такого явления, как гало. Это явление можно наблюдать зимой в виде кругов, столбов, крестов вокруг Солнца и Луны. Здесь дисперсия наблюдается в ледяных кристалликах.

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна. Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Условия интерференции:

Волны должны быть когерентны. Когерентность - согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины (частоты), между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели. Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отверстия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₁ и S₂. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: S₁ и S_2. На экране наблюдается чередование светлых и темных полос – максимумов и минимумов.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. Характерным проявлением волновых свойств света является дифракция света — явление огибания волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Дифракция была открыта Ф.Гримальди в конце XVII в. Объяснение явления дифракции света дано Т. Юнгом и О. Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство прямолинейности распространения света с позиций волновой теории. В 1802 г. Томас Юнг, поставил опыт по дифракции.

         В непрозрачной ширме он сделал два маленьких отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через первое отверстие в другой ширме. Волна от первого отверстия возбуждала когерентные колебания в двух других отверстиях. Вследствие дифракции из двух отверстий выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появились чередующиеся светлые и тёмные полосы. При закрывании Юнгом одной из отверстий, было обнаружено, что интерференционные полосы исчезали. Именно этот опыт помог Юнгу измерить длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета. Следующий учёный Френель завершил в своих работах исследования дифракции. Он разработал количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Учёный впервые объяснил прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории.

 По идее Френеля каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причём все вторичные источники когерентны.

На явлении дифракции основано устройство оптического прибора – дифракционной решётки

Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками.

Если ширина прозрачных щелей равна а, и ширина непрозрачных промежутков равна b, то величина d = а + b называется периодам решётки.

Обычно период дифракционной решётки порядка 10 мкм.

       У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10– 15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.

Максимум интерференции будет наблюдаться, если   d sinφ = k λ, а

минимум интерференции, если d sinφ = (2k+1) λ/2.  

          В этой формуле  d - период решетки,  k –порядок дифракционного максимума  или минимума  (k = ± 1; ± 2 ...),  sinφ  при малых углах равен  tgα = y/x, где   х – расстояние от дифракционной решетки до экрана, а  у -  расстояние от центрального максимума до любого следующего.

Следовательно: - формула дифракционной решетки. В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины. k dsin

Величина k — порядок дифракционного максимума (равен 0, ± 1, ± 2 и т.д.).

Как следует из формулы дифракционной решетки, положение главных максимумов (кроме нулевого) зависит от длины волны λ. Поэтому решетка способна разлагать излучение в спектр, то есть она является спектральным прибором. Если на решетку падает немонохроматическое излучение, то в каждом порядке дифракции (т. е. при каждом значении k) возникает спектр исследуемого излучения, причем фиолетовая часть спектра располагается ближе к максимуму нулевого порядка. Максимум нулевого порядка остается неокрашенным. С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны.

5. Закрепление.

Ответить на вопросы:

1.    Что такое дисперсия света?

2.    Что такое интерференция  света?

3.    Что такое дифракция  света?

4.    Что такое дифракционная решетка?

6. Подведение итогов занятия.

7. Домашнее задание. Г.Я. Мякишев. Физика. 11 класс §66-72;