Презентаций. Дифракция света.

6-тема

Дифракция света.

содержание

Дифракция света.
Дифракция на щели. 
Дифракционная решетка.
Поляризация света.

Дифракция света.

Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохож-дении через отверстия при условии, что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волны ( ). Тип волн не имеет значения: дифракция наблюдается и для звука, и для света, и для любых других волновых процессов.
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

Дифракция света.

Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени.

Если на пути параллельного светового пуч-ка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непро-зрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препят-ствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец.

Дифракция света.Рис.19.14

Дифракция света.

Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.
Французский ученый О. Френель развил теорию дифракционных явлений (1818 г.). Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель дополнил положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом.
Наблюдение дифракции световых волн возможно тогда, когда размеры препятствий будут порядка 10–6–10–7 м. Рис.20.15 показывает, как меняется фронт волны, прошедшей через щель, при сужении этой щели.

Дифракция света.(Рис.20.15 )

Дифракция света.

Когда размеры щели сравниваются по порядку с длиной вол-ны, щель становится источником вторичных сферических волн, интерференция которых и определяет картину распределения интенсивности за щелью, свет проникает в геометрически недос-тупную область.

Дифракция на щели. 

Дифракционная картина, наблюдаемая на экране, поставленном за перегородкой с одной щелью, может быть рассчитана на основании принципа суперпозиции и интерференции волн. Дифракция в параллельных лучах - дифракция Фраунгофера.

Дифракция на щели. 

Пусть на щель падает монохрома-тический пучок света длиной волны λ. Размеры щели d сравнимы с λ: d ~ λ. Расстояние от щели до экрана L>>d. Каждая точка щели является, соглас-но принципу Гюйгенсa - Френеля, ис-точником вторичной сферической волны. Эти волны интерферируют между собой, так что истинное поло-жение фронта результирующей вол-ны является огибающей вторичных волн с учетом их интерференции.
Рассмотрим наложение двух таких волн, идущих от середины щели и от одного из краев, и вычислим раз-ность хода таких волн в произволь-ной точке Р экрана. (рис. 20.16)
Разность хода этих двух волн равна:
Δ=(d /2)sin θ ≈( d /2)tg θ =(d /2) (y/L),
где y – координата точки наблюдения на экране.

Дифракция на щели. Рис.20.16

Дифракция на щели. 

Интерферирующие волны будут гасить друг друга, если разность хода будет равна целому числу полуволн m(λ /2). Отсюда находятся координаты тех точек на экране, где возникают темные полосы:
где т=1,2,3...

Распределение интенсивности света в дифракционной картине имеет резкий максимум. Измерения положения минимумов позволяют (при известных параметрах d и L) определить длину волны света λ.

Дифракционная решетка. 

В спектральных приборах высокого класса применяются дифракционные решетки. Дифракционные решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки (рис. 20.17).

Дифракционная решетка. (рис. 20.17).  

Дифракционная решетка. 

Простейшая дифракционная решетка состоит из прозрачных участков (щелей), разделенных непрозрачны-ми промежутками. У хороших реше-ток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до несколько тысяч штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения 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 осколок граммофонной пластинки.

Дифракционная решетка.

На решетку направляется параллельный пучок исследуемого света. (рис.20.18) Наблюдение ведется в фокальной плоскости линзы, установленной за решеткой. В каждой точке P на экране в фокальной плоскости линзы соберутся лучи, которые до линзы были параллельны между собой и распространялись под опреде-ленным углом θ к направлению падающей волны. Колебание в точке P является результатом интерференции вторичных волн, проходящих в эту точку от разных щелей.

Дифракционная решетка.Рис20.18

Дифракционная решетка.

Для того, чтобы в точке P наблюдался интерференционный максимум, разность хода Δ между волнами, испущенными соседними щелями, должна быть равна целому числу длин волн:
Δ = d sin θm = mλ (m = 0, ±1, ±2, ...).
d – период решетки, m – целое число, порядок дифракционного максимума.
В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, распола-гаются главные максимумы диф-ракционной картины.
В каждой точке фокальной плос-кости линзы происходит интерфе-ренция N волн, приходящих в эту точку от N щелей решетки.

Дифракционная решетка.

Это так называемая многоволновая (или «многолучевая») интерференция.
Распределение световой энергии в плоскости наблюдения резко отличается от того, которое наблюдается в обычных «двухлу-чевых» интерференционных схемах. В главные максимумы все волны приходят в фазе, потому амплитуда колебаний возрастает в N раз, а интенсивность в N 2 раз по сравнению с колебанием, кото-рое возбуждает волна только от одной щели.

Дифракционная решетка.Рис.20.19

Дифракционная решетка.

Главные максимумы при дифракции света на решетке узки. Рис. 20.19 дает представление о том, как меняется острота главных максимумов при увеличении числа щелей решетки.
I0 – интенсивность колебаний при дифракции света на одной щели.
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.

Поляризация света.

Поляризация света.

Поляризация света.

Поляризация света.

21.В каких пределах длин волн заключены длины волн видимого света?
22.Какой свет будет распространяться в веществе призмы (стекле) с большей скоростью - красный или фиолетовый?
23.Что произойдет при соединении всех световых лучей спектра?
24.В чем состоит сущность явления поляризации волн? Каким волнам (продольным или поперечным) оно свойственно?

25.Что представляет собой естественный свет?
26.Каким свойством обладает кристалл турмалина? Нарисуйте схему опыта прохождения света через одну и через две турмалиновые пластинки. Какими являются лучи света до и после прохождения пластин?
27.Объясните явление поляризации света исходя из представлений о свете как об электромагнитной волне.

Тестовые задания.

31.(97/3-54). На дифракционную решетку с периодом 3,4 мкм перпендикулярно падает монохроматический свет с длиной волны 0,5 мкм. Сколько главных максимумов наблюдается на экране?
А) 6. В) 7. С) 12. D) 14. Е) 13.
32.(97/1- ). Какое наибольшее число штрихов может быть на каждом миллиметре дифракционной решетки, предназначенной для изучения спектра ультрафиолетового света с длиной волны 0,4 мкм?
А) 1350. В) 2500. С) 3680. D) 10000. Е) НПО.

Тестовые задания.

33.(97/5-53). Монохроматический свет длиной волны 0,5 мкм падает перпендикулярно на дифракционную решетку с периодом 2,9 мкм. Сколько главных максимумов наблюдается на экране?
А) 5. В) 6. С) 10. D) 11. Е) 12.
34.(96/7-114). В какой зависимости находятся расстояние от экрана до дифракционной решетки а и расстояние от центра картины до дифракционного максимума b ?
при возрастании a b не меняется.
с ростом а уменьшается b.
с ростом а растет и b.
D) а и b не зависят друг от друга. Е) НПО.

Тестовые задания.

35.(96/8-56). Как зависит расстояние между центром экрана и положением дифракционного максимума от значения постоянной дифракционной решетки d?
уменьшается с ростом d.
увеличивается с ростом d.
не меняется с ростом d.
не зависит от d. E) НПО.
36.(96/7-54). В школе имеются дифракционные решетки с 50 и 100 штрихами на каждом миллиметре. Какая из них образует более широкий спектр?
А) ширина спектров будет одинаковой.
ширина спектров не зависит от числа штрихов.
первая. D) вторая. Е) НПО.

Тестовые задания.

37.(96/5-54). Сколько дифракционных максимумов способна создать дифракционная решетка с периодом 100 мкм, если она освещена зеленым светом (λ =0,5 мкм)?
А) 500. В) 401. С) 200. D) 50. Е) 10.
38.(96/15-52). Дифракционная решетка содержит 500 штрихов на 1 мм. Какова длина монохроматического света (мкм), падающего на решетку, если второй максимум наблюдается под углом 30°?
А) 0,5. В) 0,6. С) 0,7. D) 0,8. Е) 0,9.