Интерференция света

Волновая оптика

Интерференция света

11 класс

Интерференция механических волн

• На поверхности воды, когда

поблизости колеблются два

поплавка. Волна в одних

местах усиливается, а в

других - ослабляется.

• Интерференция от двух источников

Что получится в результате сложения волн?

Принцип суперпозиции

* Точка, в которой «встретились» две волны, участвует в двух колебаниях.

* Результирующее смещение точки от положения равновесия равно

сумме смещений, вызываемых каждой волной в отдельности.

Что получится в результате сложения волн?

Результат сложения зависит от разности фаз складывающихся колебаний

(т.е. от того, в какой фазе приходит каждая волна в точку сложения)

Интерференция волн

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.

Интерференция - («inter» - между, взаимно и «ferens» - несущий, переносящий) сложение (перекрытие) двух или нескольких когерентных волн.

Почему свет, идущий от двух электрических ламп не даёт интерференционную картину?

Явление интерференции возможно, если

Условия интерференции

Интерференция –

сложение в пространстве когерентных волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды (интерференционная картинка)

Когерентные волны

Наложение

когерентных волн

Усиление или

Когерентные волны - волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную разность фаз.

ослабление волн в пространстве

Условия интерференционных максимумов и минимумов

Условие максимума

Условие максимума

Наблюдается светлая полоса

Условие max - амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в данной точке, равна целому числу длин волн.

d 2 , d 1 геометрический ход лучей;

 d=d 2 -d 1 геометрическая разность хода - разность расстояний от источников волн до точки их интерференции;

Δd = d∙n - оптическая разность хода – геометрическая разность хода, умноженная на относительный показатель преломления среды.

Условия интерференционных максимумов и минимумов

Условие минимума

Условие минимума

Условие min - амплитуда колебаний частиц среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу длин полуволн

Наблюдается тёмная полоса

Условия максимума и минимума

Условие максимума :

Условия минимума :

∆ d-разность

хода волн

Разность хода равна нечётному

числу длин полуволн:

Разность хода волн равна целому числу

длин волн или чётному числу длин полуволн :

В рассматриваемой точке С приходят с одинаковыми

фазами и усиливают друг друга-амплитуда колебаний

точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.

Волны приходят в точку в противофазе

и гасят друг друга. Амплитуда в точке С

равна нулю: А=0.

Распределение энергии при интерференции

При

интерференции

энергия

перераспре-

деляется

Концентрируется

в максимумах,

не поступает

в минимумы

Волны

несут

энергию

История открытия интерференции света

13 июня 1773 г. – 10 мая 1829 г.

• Явление интерференции света было открыто в 1802 году, когда англичанин Т. Юнг, врач, астроном и востоковед, человек с очень разносторонними интересами, провёл ставший теперь классическим "опыт с двумя отверстиями".

Томас Юнг

• Томас Юнг был удивительным человеком: он был не только одним из лучших физиков своего времени, но ещё и расшифровывал египетские иероглифы, лечил людей, исследовал механизм зрения, был ловким наездником и даже … акробатом и канатоходцем! Он играл почти на всех музыкальных инструментах и ещё в юности изучил самостоятельно больше десяти языков.

Его девизом было:

• «Если это может кто-то, то это смогу и я!»

Томас Юнг

Интерференция света

Интерференцией света называется явление наложения световых пучков,

в результате которого образуется картина чередующихся светлых и темных полос.

Когерентность достигается разделением света от одного источника на части

Световые волны от различных источников (кроме лазера) некогерентны

Причина некогерентности - разность фаз волн не остается постоянной. Атомы источников излучают свет независимо др. от др. отдельными цугами (обрывками) синусоидальных волн. Моменты излучения атомов согласовать невозможно, амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотично меняется в зависимости от сдвига фаз между цугами волн в данный момент времени.

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).

Интерференция в тонких пленках

Результат интерференции зависит от толщины пленки, угла падения лучей и длины волны света

Когерентные световые волны, отражающиеся от верхней и нижней поверхности, интерферируют

В белом света пленка имеет радужную окраску, т.к. толщина пленки неодинакова и интерференционные максимумы для волн разной длины наблюдаются в разных местах пленки

λ Бензиновая плёнка Мыльный пузы рь Лазерный диск Различные цвета тонких пленок — результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхностей пленки. Интерференция в крыльях насекомых " width="640"

Интерференция в тонких плёнках

• Причина : отражение от внешней поверхности плёнки, а другая – от внутренней.
• Тонкая плёнка – мыльные пузыри, бензиново-масляная плёнка на поверхности воды, крылья насекомых и т.д.

d λ

Бензиновая плёнка

Мыльный пузы рь

Лазерный диск

Различные цвета тонких пленок — результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхностей пленки.

Интерференция в

крыльях насекомых

Интерференция света

• … Когерентные волны от одного источника возникают при отражении света от передней и задней поверхностей тонких пленок(масляные пленки и пленки жира на воде, крылья насекомых, мыльные пузыри)…

Томас Юнг

Сияя гладкой пленкой, Растягиваясь вширь, Выходит нежный, тонкий, Раскрашенный пузырь. Горит, как хвост павлиний. Каких цветов в нем нет! Лиловый, красный, синий, Зеленый, желтый цвет.

Самуил Маршак

Кольца «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.

Опыт Ньютона

Кольца Ньютона

Интерференционная картина имеет вид концентрических колец,

получивших название колец Ньютона

Кольца Ньютона - интерференционная картина, возникающая при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны

r - радиус кольца,

R - радиус кривизны выпуклой

поверхности линзы.

r =

Радиусы колец увеличиваются при переходе от фиолетового конца спектра к красному.

Волны 1 и 2 когерентны.

Волна 1 отражается от границы стекло-воздух

Волна 2 – от границы воздух- стекло

Применение интерференции

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.

«Просветление» оптики

Уменьшение отражения света поверхности в результате

нанесения на неё специальной плёнки.

Условие минимума интерференции для падающего и отражённого лучей:

(формула 1)

где d - толщина плёнки, n - показатель преломления вещества плёнки. Из этого выражения получается:

(формула 2)

Кстати, для максимального эффекта, показатель преломления плёнки должен быть равен:

(формула 3)

∆ d

Почему линза, покрытая просветляющей плёнкой, кажется

фиолетовой при рассмотрении её в отражённом свете?

Домашнее задание

1. § 54

2. Выполнить тест по теме «Дисперсия. Интерференция»

Решение задач Часть А – базовый уровень

При отражении от тонкой плёнки интерферируют лучи

1) 1 и 2 2) 2 и 3

3) 3 и 4 4) 4 и 5

Решение задач Часть А- базовый уровень

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

• только а
• а и б
• а, б, в и г
• в и г

Решение задач Часть А – базовый уровень

Световые волны когерентны, если у них

• совпадают амплитуды
• совпадают частоты
• постоянен сдвиг фаз
• совпадают частоты и постоянен сдвиг фаз

Свет переходит из воздуха в стекло с показателем преломления n. Какое из следующих утверждений справедливо?

1) Частота и скорость света уменьшится в n раз

2) Частота и скорость света увеличится в n раз

3) Частота не изменится, а скорость света уменьшится в n раз

4) Частота не изменится, а скорость света увеличится в n раз

Решение задач Часть А – базовый уровень

Просветление объективов оптических систем основано на явлении

• интерференция света
• дисперсия света
• поляризация света
• дифракция света

• Почему меняется окраска крыльев насекомого при рассмотрении их под разными углами?

Ответ. При отражении лучей от прозрачной плёнки, покрывающей крылья насекомого, образуется интерференционная картина. Положение полос равного наклона меняется, если смотреть на крылья под разными углами.

При изучении наук задача полезнее правил…

И. Ньютон

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.

Решение:

Дано:

λ=520·10 -9 м

Ширина одной полосы

х=4см

k=8,5

ℓ =2,75 м

d-?

∆ x =

х

d=

=3·10 -4 м

d

l

3·10 -4 м

Ответ:

Решение задач Часть С – ключевая задача

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 λ=0,7мкм. Чему равен диаметр D волоса, если при наблюдении сверху на пластине видны интерференционные полосы, расстояние между которыми s = 0,8 мм?

Дано: Анализ:

L= 16 см Интерференционная картина возникает вследствие сложения

λ=0,7мкм волн, отражённых от поверхностей , ограничивающих

s=0,8мм воздушный клин переменной толщины.

D=?

L

D

Отражённые волны взаимно усиливают друг друга, если

Δd = kλ

Решение задач

• Разность хода волн, отражённых в точках А и А ₁ , равна kλ.

Волна, отражённая в точке А ₁ , дважды проходят расстояние

М АА ₁ ( от точки А к А ₁ и обратно).

о D 2АА ₁ =kλ,откуда АА ₁ =k

К ВВ ₁ =(k+1) ВВ ₁ -АА ₁ =

СВ ₁ =; ∆А ₁ СВ ₁ подобна ∆ОМК. Мы получим

= D= = 7·10 ⁻⁵ м.

Ответ: D=0,07 мм.

В

А

С

В1

А1

Способы получения когерентных волн

Бипризма Френеля

Зеркало Ллойда