Урок физики на тему "Интерференция света". 11-й класс

Урок физики на тему "Интерференция света". 11-й класс 5.12.16г.

Цели урока:

Обучающаяся:

• Рассмотреть физическую сущность интерференции волн;
• Выделить свойства и средства описания явления интерференции света;
• Продолжить формирование представлений о единстве электромагнитных волн и света; уметь разъяснять условия наблюдения интерференции света;
• Знакомство с биографией и научной работой Томаса Юнга;
• Наблюдения явления интерференции в природе.

Развивающаяся: Развивать научного умения сравнивать и обобщать факты полученные в ходе рассмотрения материала;

Воспитательная: Помочь учащимся в формировании материалистического мировоззренияи нравственных качеств личности, показать тесную связь данного материала с жизнью.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Актуализация знаний учащихся. 

Что такое свет в теории Ньютона? Что такое свет в волновой теории? В чём заключается корпускулярно-волновой дуализм? Что называют дисперсией света?

III. Мотивация учебной деятельности.

Проблемная ситуация: Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?

Именно интерференция делает мыльный пузырь достойным восхищения. Давайте разберёмся в сути этого явления?

Коллективно обсуждаются вопросы: Что называется интерференцией волн? При каких условиях она наблюдается? Каковы основные черты интерференционной картины? Что происходит с энергией волн при их интерференции? Какие выводы можносделать о природе света, если бы наблюдатьинтерференцию света? Можно ли свет погасить светом?Почему не наблюдается интерференция света от двух электрических лампочек?

IV. Объяснение новой темы:

Явление интерференции лучше наблюдать в случае механических волн. Например, на поверхности воды, когда поблизости колеблются два поплавка или одновременно одной рукой бросить два камня

Допустим, что имеется два источника синусоидальных волн S₁ и S₂, которые создают колебания в точке С, расположенной от источника на расстоянии d₁ и d₂, колебания источников S₁ и S₂ совпадают по фазе и имеют одинаковые амплитуды и частоты. Найдём результирующее смещение точки С. Амплитуда смещения зависит от разности расстояний d₂-d₁, которую называют разностью хода.

Здесь возможны два предельных случая.Рассмотреть условия максимума и минимума

В результате  наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина. Такие явления называют интерференцией волн, а саму картину - интерференционной. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы волны, испускаемые источником, имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.Источники, удовлетворяющие этим условиям, называют когерентными.

Опр.: Интерференция - сложение (наложение) двух или нескольких когерентных волн. Причины интерференции волн: складывание когерентных волн.

Проблема: Как можно получить когерентные волны?

Способы получения и наблюдения интерференции света:

1) разделение волны по фронту (опыт Юнга, бипризма Френеля, зеркала Ллойда);

2) разделение волны по амплитуде (по ходу волны)-интерференция в тонких плёнках (мыльные пузыри, бензиново-масляные плёнки, крылья насекомых, клин, кольца Ньютона).

Опыт Юнга. 

Впервые такое наблюдение интерференции света было проведено в 1802 г. английским ученым Томасом Юнгом.

Сообщение учащегося. Знакомство с биографией и научной работой Томаса Юнга.

В опыте Юнга солнечный свет падал на экран с узкой щелью S (шириной около 1 мкм). Прошедшая через эту щель световая волна падала на экран с двумя щелями S_l и S₂такой же ширины, находящимися друг от друга на расстоянии dпорядка нескольких микрон.

В результате деления фронта волны световые волны, идущие от щелей S₁ и S₂, оказывались когерентными, создавая на экране устойчивую интерференционную картину. Вследствие интерференции происходят перераспределение энергии в пространстве.

Юнг впервые измерил длины волн в различных областях видимого спектра

На схеме опыта видим, что расстояние от одной щели до точки максимума меньше, чем от второй. Эту разность называют разность хода и обозначают d

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

d = k (1)

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:

d = (2n + 1) /2, где n= 0, 1, 2, ... .

Расчёт интерференционной картины в опыте Юнга (Слайд 11).

Примеры некоторых ключевых задач из ЕГЭ (первичное закрепление знаний)

1. В классическом опыте Юнга по дифракции пучок света, прошедший через узкое отверстие А, освещает отверстия В и С, за которыми на экране возникает интерференционная картина (см. рисунок).

-  Если уменьшить расстояние l вдвое, то...   (Слайд 12)

- Если уменьшить расстояние d вдвое, то... (Слайд 14)

2. На плоскую непрозрачную пластину с двумя щелями падает по нормали плоская монохроматическая волна из зелёной части видимого спектра. За пластиной на параллельном ей экране наблюдается интерференционная картина. Если использовать монохроматический свет из красной части видимого спектра, то...

3. Как изменится интерференционная картина в опыте Юнга, если всю систему, освещаемых монохроматическим светом, опустить в воду...

4. В некоторую точку на экране приходит два когерентного излучения с оптической разностью хода 2,0 мкм. Что происходит: усиление или ослабление света, если в неё приходят: а) красные лучи с длиной волны 760 нм; б) жёлтые лучи длиной волны 600 нм; в) фиолетовые с длиной волны 400 нм.

5. В некоторую точку на экране приходит два когерентного излучения с оптической разностью хода 1,2 мкм. Длина волны этих лучей в вакууме 600 нм. Определите, что произойдёт в этой точке в результате интерференции в трёх случаях: а) свет идёт в воздухе; б) свет идёт в воде; в) свет идёт в стекле с показателем преломления 1,5.

6.Два когерентных источника S₁ и S₂ испускают свет с длиной волны  = 500нм. На каком расстоянии от точки О на экране располагается первый максимум освещенности, если расстояние между источниками d = 0,5 мм, а расстояние от каждого источника до экрана равно 2м.

Тонкие плёнки. 

Юнг также смог объяснить интерференционную картину в тонких плёнках, например: керосин, нефти, мыльных пузырей.

Проблема: Как получить когерентные волны?

Толщина d такой плёнки должна быть больше длины световой волны . (d>)

Пусть монохроматический (свет одной длины волны) падает на тонкую плёнку. Тогда одна из волн (1) будет отражаться от наружной поверхности, а другая (2) – от внутренней. Глаз сводит вместе волны 1 и 2 на сетчатке. При этом происходит сложение волн, вследствие которого наблюдается картина усиления и ослабления результирующих световых колебаний.

- Почему для появления цветной картины необходима неодинаковая толщина плёнки?

Ответ: Юнг понял также, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны с разной длиной волны ?. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной волны (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Волны, отражённые от наружной и внутренней поверхностей плёнки, когерентны, т.к. являются частями одного и того же светового пучка.

Тонкие плёнки керосина, нефти, мыльных пузырей могут принимать в радужную окраску при освещении светом, который не является монохроматичным.

Благодаря этому явлению и объясняется окрашивание крыльев стрекоз,разноцветная переливающаяся окраска перьев птиц, перламутровая поверхность раковин и жемчужин, мыльные пузыри.Интерференция обусловливает радужные переливы на поверхности компакт-дисков.

В своих опытах Юнг впервые измерил (причём достаточно точно) длину световой волны для фиолетовой части спектра она оказалось равной 429 нм, для красной – 700нм.

Кольца Ньютона

Вопросы для обсуждения:

- Может ли наблюдаться на данном приборе интерференция в проходящем свете?

- Для каких точек в приборе выполняется условие постоянной и одинаковой разности фаз? От чего зависят радиусы колец Ньютона?

Интерференционные полосы равной толщины в форме колец, расположенных концентрически вокруг точки касания двух сферических поверхностей, либо плоскости и сферы. Впервые описаны в 1675 г. И. Ньютоном. Интерференция происходит в тонком зазоре (обычно воздушном), разделяющим соприкасающиеся поверхности; этот зазор играет роль тонкой плёнки.

Интерференционная картина, возникающая при отражении света от двух поверхностей воздушного зазора между плоской стеклянной пластинкой и наложенной на нее плоско-выпуклой линзой большого радиуса кривизны, называется кольцами Ньютона. Радиусы колец Ньютона зависят от длины волны  падающего света и радиуса кривизны R выпуклой поверхности линзы. В центре картины всегда наблюдается темное пятно.

Примеры некоторых ключевых задач из ЕГЭ.

7. При отражении от тонкой плёнки интерферируют лучи (см. рис.) (Слайд 23)

1) 1 и 2

2) 2 и 3

3) 3 и 4

4) 4 и 5

8. Какие из перечисленных ниже явлений объясняется интерференцией света?

а) радужная окраска тонких мыльных плёнок

б) кольца Ньютона

в) появление светлого пятна в центре тени от непрозрачного диска

г) отклонение световых лучей в область геометрической тени

9. Световые волны когерентны, если у них

Применение интерференции 

• Проверка качества обработки поверхностей. 

• Просветление оптики

Проверка качества обработки поверхностей. С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины волны, т. е. с точностью до 10^-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности размером до 10^-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани.

Явление интерференции наблюдается в окружающей жизни и применяется в технике. Существуют специальные приборы – интерферометры,- которые предназначены для измерения длины световой волны, определения показателя преломления газов, для оценки качества обработки поверхности металлов и других изделий.

Для начала два маленьких вопроса для активации:

- Вы видели стопку оконных стёкол?

- Вы видели объективы фотоаппаратов?

Одним из применений является “просветление” оптики. Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% перпендикулярно падающего на неё света. Современные оптические приборы содержат большое число стеклянных деталей. Проходя через каждую деталь, свет ослабляется. Общие потери в объективе фотоаппарата составляет примерно 25%, а в призменном бинокле и микроскопе – 50%.

Для уменьшения потерь в оптических приборах все стеклянные детали, через которые проходит свет, покрывают плёнкой определённой толщины, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла. В результате в отражённом свете возникает интерференционный минимум, а в проходящем - возникает интерференционный максимум, т.е. через стеклянную деталь проходит больше света. Таким образом, оптика как бы “просветляется”.

Примеры некоторых ключевых задач ЕГЭ (первичное закрепление знаний)

10. Определите толщину плёнки с показателем преломления n =1,4, если для монохроматического света с длиной волны 6*10^-7получается просветление оптики линзы. (Слайд 29)

13. При наблюдении интерференции света от двух когерентных источников монохроматического света с длиной волны 520 нм на экране на отрезке длиной 4 см наблюдается 8,5 полос. Определите расстояние между источниками света, если расстояние от них до экрана равно 2,75 м. (слайд 31)

14.Между краями двух отшлифованных квадратных стеклянных пластинок со стороной L=16 см зажат волос. Противоположные концы пластин соприкасаются. Перпендикулярно поверхности верхней пластинки падает монохроматический пучок света с длиной волны =0,7мкм. Чему равен диаметр D волоса, если при наблюдении сверху на пластине видны интерференционные полосы, расстояние между которыми s = 0,8 мм? (Слайд 32-33)

Итог урока: (Слайд34)

1. Что называют интерференцией волн? При каких условиях происходит это явление?
2. Какие волны называют когерентными?
3. Что называют разностью хода волн?
4. Сформулируйте и запишите условия образования максимумов при наложении когерентных волн.
5. Сформулируйте и запишите условия образования минимумов при наложении когерентных волн.
6. Опишите опыт Юнга.
7. Сделав рисунок, объясните интерференцию света в тонких плёнках.
8. Приведите примеры практического применения интерференции света.

Домашнее задание: параграфы 68-69 [1], № 1559, 1572 [2].