Интерферен ция света, тайна мыльных пузырей

Интерферен
ция света,
тайна мыльных
пузырей
Цель урока:

Выяснить смысл понятия, дать его определение,
рассмотреть энергетические эффекты,
частичные соотношения, условия разности хода.

Познакомить учащихся со способами получения
системы когерентных волн.

Разъяснить условия наблюдения интерференции
света.
Тип урока:
Урок изучения нового материала



Оборудование:
Мультимедийный проектор, компьютер,
экран.
Звуковой генератор, два одинаковых
динамика, микрофон, электронный
осциллограф.
Свет представляет собой поток волн. Следовательно должно
наблюдаться явление интерференции света, т.е. получение
чередований максимумов и минимумов освещенности. Однако
получить интерференционную картину с помощью двух независимых
источников света невозможно.
Выясним, почему?
Для получения устойчивой интерференционной картины нужны
согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины и
постоянную разность фаз в любой точке пространства, т.е. быть
когерентными.
Интерференцией световых волн
называется сложение двух
когерентных волн, вследствие
которого наблюдается усиление или
ослабление результирующих световых
колебаний в различных точках
пространства.
Когерентные волны – волны,
имеющие одинаковую частоту и
постоянную во времени разность фаз.
Вы много раз наблюдали
интерференционную картину, когда
развлекались пусканием мыльных
пузырей.
1-в белом; 2-в зеленом; 3-в красном.
«Мыльный пузырь, пожалуй,
самое восхитительное и
самое изысканное явление
природы».
Марк Твен
Английский ученный Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения
цветов тонких пленок сложением волн, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а
другая – от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн . Результат интерференции
зависит от угла падения света на пленку, её толщины и длины волны. Усиление света произойдет, если
преломленная волна отстанет от отраженной волны на целое число длин волн. Если же вторая волна
отстанет от первой на половину длины волны или нечетное число полуволн, то произойдет ослабление
света.
Условие максимума: если разность
хода двух волн, возбуждающих
колебания в этой точке, равна
целому числу длин волн
Δd = k λ , k =0,1,2,3,… - волны усилят
друг друга,
Δd – разность хода лучей
Условие минимума: если разность
хода двух волн, возбуждающих
колебания в этой точке, равна
нечётному числу полуволн
Δd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… -волны
погасят друг друга.
Почему же одни мыльные пузыри имеют
радужную окраску, а другие – нет?
Сомненье, вера, пыл живых
страстей.
Игра воздушных мыльных
пузырей:
Тот радугой блеснул, а этот серый
И разлетятся все
Вот жизнь людей.
Сначала плёнка бесцветная, так как имеет
приблизительно равную толщину. Затем раствор
постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины
нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки
появляется радужная окраска.
Толщина плёнки мыльного пузыря
Чтобы разрез стенки мыльного
пузыря усматривался в виде тонкой
линии необходимо увеличение в
40 000 раз, при таком же увеличении
волос будет иметь толщину свыше 2 м.
Вверху – игольное ушко,
человеческий волос, бацилла и
паутинная нить, увеличенные в 200
раз. Внизу – бациллы и толщина
мыльной пленки, увеличенные в
40000 раз. 1 μ=0,0001 см.
Изображения
пузырей при
различных
разностях
температур.
Разность
температур ΔT
увеличивается от
рис. a к c и равна 9,
17 и 31°C
соответственно. На
рис. d:
возникновение
вихря при
ΔT = 45°C.
Вот такой удивительный мыльный пузырь!
Рождение красоты из пены, а
кажется – и вовсе из пустоты, из
пустяшной капли воды,
завораживает
Волны, отраженные от наружной и внутренней поверхностей пленки –
когерентны. Они являются частями одного и того же светового пучка.
Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а
затем эти части сводятся вместе и интерферируют.
Различие в цвете связано с различием в длине волн. Световым пучкам
различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного
усиления волн, отличающихся друг от друга длиной, требуется
различная толщина пленки. Т.к. мыльный пузырь имеет пленку
неодинаковой толщины. То при освещении её белым светом появляются
различные цвета.
К такому выводу первым пришел Томас Юнг.
Явление интерференции не только доказывает наличие у света
волновых свойств, но и позволяет измерить длину световой волны.
Явление интерференции света находит разнообразное практическое
применение. Используя это явление можно измерять показатели
преломления газов и других веществ, осуществлять точные измерения
линейных размеров, контролировать качество шлифования и
полирования поверхностей.
Задачи, решаемые на
уроке





1. Чем объясняется радужная окраска тонких нефтяных
пленок?
2. Почему толстый слой нефти не имеет радужной
окраски?
3. Можно ли наблюдать интерференцию света от двух
поверхностей оконного окна?
4. Объясните появление радужной окраски поверхности
мыльного пузыря.
5. В некоторую точку пространства приходят когерентные
лучи с оптической разностью хода 2мкм. Определите,
усилится или ослабнет свет в этой точке, если в нее
приходят фиолетовые лучи с длиной волны 400 нм.(Ответ:
усилятся)
.
Два когерентных источника света посылают на экран свет длиной волны
550 нм, дающий на экране интерференционную картину. Источники удалены
один от другого на 2,2 мм, а от экрана на 2,2 м. Определить, что будет
наблюдаться на экране в точке О – гашение или усиление света. (Найти
разность хода лучей).
Решение: Для ответа на вопрос задачи необходимо знать разность
хода лучей. В данном случае оптическая разность хода лучей равна
их геометрической разности (лучи распространяются в одной среде
– воздухе): ∆=S2D=S2O-S1O=L Из треугольника S1OS2 определим
S2O: S2O= √L2+ d2= L √1+(d/L)2. Учитывая, что d/L величина
малая по сравнению с L, можно воспользоваться формулой
приближенного вычисления (√1±а2=1±1/2а2):S2O =
L(1+1/2(d/L)2), тогда ∆=L(1+ 1/2d2/L2 – 1) = d2/2L;
∆ =(2,2*10-3 м)2/2*2,2 м =1,1 *10-6 м.
В точке О будет максимальное усиление, если разность хода будет
соответствовать целому числу волн, т.е. k = 1,2,3,…. k = ∆ /λ =2
Ответ. В точке О произойдет усиление света ( будет светлая
полоса).
S1
d
S2
D
L
O
Э
Рисунок поясняет интерференционную картину
Закрепление


В заключении урока покажем опыт по
интерференции звуковых волн.
На демонстрационном столе помещаем звуковой генератор, к
которому подключаем два одинаковых динамика, служащих
источниками звука. На расстоянии порядка 1 м ставим микрофон
и электронный осциллограф. Микрофон вначале располагаем на
одинаковом расстоянии от динамиков. Включив звук, наблюдаем
на экране осциллографа сигнал значительной амплитуды.
Перемещая микрофон вдоль линии, параллельной динамикам,
наблюдаем ослабление, а затем вновь возрастание амплитуды
сигнала, что свидетельствует о переходе микрофона через
интерференционный минимум и последующий максимум.