Интерференция. Дифракция. Мясникова Г. И. Учитель физики

Интерференция света Интерференция одно из наиболее убедительных доказательств волновых свойств. Интерференция присуща волнам любой природы. Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Когерентные волны Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн были когерентными. Волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз, называются когерентными. Все источники света, кроме лазеров, некогерентные.

Как можно наблюдать интерференцию света? Чтобы наблюдать интерференцию света, надо получить когерентные световые пучки. Для этого, до появления лазеров, во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получались путем разделения и последующего сведения световых лучей, исходящих из одного источника света. Для этого использовались щели, зеркала и призмы.

Опыт Юнга В начале 19-го века английский ученый Томас Юнг поставил опыт, в котором можно было наблюдать явление интерференции света. Свет, пропущенный через узкую щель, падал на две близко расположенные щели, за которыми находился экран. На экране вместо ожидаемых двух светлых полос появлялись чередующиеся цветные полосы.

Схема опыта Юнга

Наблюдение интерференции в лабораторных условиях

Интерференционные максимумы Интерференционные максимумы наблюдаются в точках, для которых разность хода волн d равна четному числу полуволн, или, что то же самое, целому числу волн:

Интерференционные минимумы Интерференционные минимумы наблюдаются в точках, для которых разность хода волн d равна нечетному числу полуволн:

Интерференция в тонких пленках Мы много раз наблюдали интерференционную картину, когда наблюдали за мыльными пузырями, за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды.

Объяснение интерференции в тонких пленках Происходит сложение волн, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а вторая от внутренней. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка.

Объяснение цвета тонких пленок Томас Юнг объяснил, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины.

Объяснение цвета тонких пленок Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки.

Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Кольца Ньютона Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны.

Интерференционная картина имеет вид концентрических колец

Объяснение «колец Ньютона» Волна 1 отражается от нижней поверхности линзы, а волна 2 от поверхности лежащего под линзой стекла. Волны 1 и 2 когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1.

Определение радиуса колец Ньютона Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга. Эти расстояния являются радиусами темных колец Ньютона, так как линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности.

Определение длины волны Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу где R радиус кривизны выпуклой поверхности линзы (k = 0,1,2,...), r радиус кольца.

Дифракция света Дифракция света отклонение волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибание волной малых препятствий.

Условие проявления дифракции: где d характерный размер отверстия или препятствия, L расстояние от отверстия или препятствия до экрана.

Наблюдение дифракции света Дифракция приводит к проникновению света в область геометрической тени

Соотношение между волновой и геометрической оптикой Одно из основных понятий волновой теории фронт волны. Фронт волны это совокупность точек пространства, до которых в данный момент дошла волна.

Принцип Гюйгенса Каждая точка среды, до которой доходит волна, служит источником вторичных волн, а огибающая этих волн представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени.

Объяснение законов отражения и преломления света с точки зрения волновой теории Пусть плоская волна падает под углом на границу раздела двух сред. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка этой границы сама становится источником сферических волн. Волны, идущие во вторую среду, формируют преломленную плоскую волну. Волны, возвращающиеся в первую среду, формируют отраженную плоскую волну.

Отражение света Фронт отраженной волны BD образует такой же угол с плоскостью раздела двух сред, что и фронт падающей волны AC. Эти углы равны соответственно углам падения и отражения. Следовательно, угол отражения равен углу падения.

Преломление света Фронт падающей волны AC составляет больший угол с поверхностью раздела сред, чем фронт преломленной волны. Углы между фронтом каждой волны и поверхностью раздела сред равны соответственно углам падения и преломления. В данном случае угол преломления меньше угла падения.

Закон преломления света Расчеты показывают, что отношение синусов этих углов равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде. Для данных двух сред это отношение постоянно. Отсюда следует закон преломления: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данных двух сред.

Физический смысл показателя преломления Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света v в данной среде:

Вывод Законы геометрической оптики являются следствиями волновой теории света, когда длина световой волны намного меньше размеров препятствий.