Разработка учебного пособия на тему: «Кольца Ньютона. Применение интерференции света: просветление оптики, многолучевая интерферометрия»

МБОУ «Лудорвайская СОШ им. Героя Советского Союза А.М. Лушникова»

Разработка учебного пособия на тему:
«Кольца Ньютона. Применение интерференции света: просветление оптики, многолучевая интерферометрия»

Выполнил:

Учитель физики

Зорина Екатерина Сергеевна

Лудорвай, 2020

Содержание

Цели учебного занятия:

- образовательные:

• ознакомить обучающихся с явлением интерференции света;

• сформировать знания об условии максимума и минимума интенсивности;

• сформировать знания о кольцах Ньютона;

• ознакомить обучающихся с применением интерференции света;

• обеспечить обучающихся системой научных знаний о сущности интерференции света;

- развивающие:

• сформировать умения и навыки учения и самообучения, потребность в самообразовании;

• развить познавательный интерес к физическим знаниям;

• развить познавательные способности (память, внимание, наблюдательность, речь и т.д.);

• развить творческие способности, умения делать самостоятельные выводы;

- воспитательные:

• привить устойчивый интерес к физической науке, самостоятельность в приобретении знаний;

• воспитание трудолюбия, настойчивости в преодолении трудностей и т.п.

Целями данного занятия являются ознакомление с явлением интерференции света.

Лекция на тему: «Кольца Ньютона. Применение интерференции света: просветление оптики, многолучевая интерферометрия»

1. Явление интерференции света

Волновая оптика – раздел оптики, объясняющий оптические явления на основе волновой природы света.

Что такое свет?

Свет – это электромагнитные волны высокой частоты, излучаемые атомами вещества, а также частицами, которые имеют электрический заряд и движутся с огромным ускорением.

Всю шкалу электромагнитных волн можно разделить на 4 диапазона: радиоволны, оптический диапазон, рентгеновское излучение и гамма - излучение.

Рис.1. Шкала электромагнитных волн

Видимый свет занимает в оптическом диапазоне очень малую часть (примерно от 400 до 780 нанометров).

Суть явления интерференции света.

При наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности.

Интерференция возникает, когда две волны с одинаковой
длиной волны (1, 2) Движутся по одному пути. Они взаимодействуют, образуя новую волну (3).

• Если волны совпадают по фазе (А), то интенсивность результирующей волны оказывается выше, чем каждой из них.

• Если волны слегка сдвинуты по фазе (Б), то интенсивность результирующей волны близка к интенсивности исходных волн.

• Е сли исходные волны находятся в противофазе (B), то они полностью гасят друг друга.

А)

Б)

В)

Рис.2. Интерференция волн

Для получения устойчивой интерференционной картины необходимо обеспечить когерентность, или согласование, двух систем волн.

Источники должны испускать когерентные волны, т.е. волны, обладающие одним периодом и неизменной разностью фаз на протяжении времени, достаточного для наблюдения.

Интерференционная картина, получаемая от независимых источников сохраняется неизменной очень короткое время, а затем сменяется другой, с иным расположением максимумов и минимумов. Так как время, необходимое для наблюдения, измеряется, как сказано, тысячными и более долями секунды, то за это время интерференционные картины успеют смениться миллионы раз. Мы наблюдаем результат наложения этих картин. Такое наложение размывает картину.

Этому условию удовлетворяют монохроматические волны.

Монохроматичность световых волн – это неизменность во времени их длин и частот колебаний

Строго монохроматическое излучение получить невозможно

Ни один реальный источник не дает строго монохроматического света, волны, излучаемые любыми независимыми источниками света, всегда некогерентные. Поэтому на опыте не наблюдается интерференция света от независимых источников, например от двух электрических лампочек.

Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга и наблюдается интерференционная картина.

Условия максимума при интерференции волн

Фаза луча 1 в точке В:

Фаза луча 2 в точке В:

Разность фаз лучей, интерферирующих в точке В:

Условие максимума:

 – порядок интерференционного максимума;

– длина волны.

Оптическая разность хода равна целому числу длин волн или четному числу полуволн.

Колебания, возбуждаемые в точке В обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе, волны будут усиливать друг друга, и в точке B будет наблюдаться интерференционный максимум.

Условия минимума при интерференции волн

Фаза луча 1 в точке В:

Фаза луча 2 в точке В:

Разность фаз лучей, интерферирующих в точке В:

Условие минимума:

 – порядок интерференционного максимума;

– длина волны.

Оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.

Колебания, возбуждаемые в точке B обеими волнами, будут происходить в противофазе, волны будут ослаблять друг друга, и в точке B будет наблюдаться интерференционный минимум.

1. Кольца Ньютона

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плоско-выпуклой линзой большого радиуса кривизны.

Интерференционная картина имела вид концентрических чередующихся тёмных и светлых окружностей, получивших название колец Ньютона.

Рис.3. Кольца Ньютона

Кольца Ньютона – это интерференционная картина, которая представляет собой концентрические чередующиеся тёмные и светлые окружности, которые можно наблюдать при отражении перпендикулярно падающего света от границ тонкой воздушной прослойки, которая заключена между выпуклой поверхностью плосковыпуклой линзы и плоской стеклянной пластинкой.

Рис.4. Схема получения колец Ньютона

Падающий луч расщепляется на два луча 1 и 2, отражённых соответственно от сферической поверхности линзы и от пластины; между этими лучами возникает разность хода, и они интерферируют между собой. Все три луча, изображённые на рисунке, в реальности почти сливаются друг с другом из-за малой кривизны поверхности линзы.

Вычислим радиусы светлых колец Ньютона. Пусть точка падения луча на сферическую поверхность находится на расстоянии y от пластины. (см. рис. 5).

Рис. 5. К расчёту радиусов колец

R – расстояние от точки падения до оси симметрии линзы;

r – радиус кривизны сферической поверхности линзы;

y – расстояние от точки падения луча на сферическую поверхность до пластины. Имеем:

Поскольку воздушная прослойка очень тонка (yR), величиной можно пренебречь по сравнению с 2Ry:

Отсюда

Как видно из рис. 4, путь второго луча превышает путь первого луча примерно на 2y. Однако разность хода будет больше, чем 2y, поскольку вмешивается один важный эффект.

Рис. 6. Отражение со сдвигом на полволны и без него

На рис. 6, слева показано отражение на границе воздух-стекло. При отражении от оптически более плотной среды (то есть от среды с большим показателем преломления) происходит изменение фазы колебаний на , что равносильно сдвигу отражённой волны относительно падающей на половину длины волны.

Справа на рис. 6, показано отражение на границе стекло-воздух. Изменения фазы нет. При отражении от оптически менее плотной среды фазы отражённой и падающей волн совпадают.

Возвращаясь теперь к рис. 4 и 5, мы видим, что луч 2 не только проходит дополнительный путь 2y, но и сдвигается на полволны при отражении на границе воздух-линза. Луч 1 не испытывает такого сдвига, поскольку отражается на границе линза-воздух. Поэтому разность хода d между лучами 1 и 2 оказывается больше, чем 2y, на половину длины волны:

Разность хода d между лучами 1 и 2:

В отраженном свете

При условии максимума радиус светлого кольца:

При условии минимума радиуса тёмного кольца:

В проходящем свете

Рис. 7. Лучи в проходящем свете

При условии максимума радиус светлого кольца:

При условии минимума радиуса тёмного кольца:

∆ - оптическая разность хода;

R – радиус кривизны сферической поверхности линзы;

r – расстояние от точки падения до оси симметрии линзы (радиус колец);

– длина волны;

m – целое число, порядок (номер) интерференционной полосы.

1. Применение интерференции света

Применения интерференции очень важны и обширны. Интерференция света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения – интерференционная спектроскопия.

Пожалуй, самым широким на сегодняшний день применением интерференции света служит просветление оптики. Расскажем вкратце, что это такое.

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий.

Свет, падающий на линзу, частично отражается назад; доля отражённого света обычно составляет несколько процентов. Объективы современной оптической техники представляют собой системы линз (числом до нескольких десятков). В результате отражений на поверхности каждой линзы происходит значительное ослабление света: в сумме на отражениях может теряться до 90% световой энергии. Освещённость изображений предметов, даваемых такой оптической системой, будет чрезвычайно низкой.

Как уменьшить потери на отражение? Для этого на поверхность линзы наносят интерференционное покрытие в виде тонкой плёнки (рис. 8).

Рис. 8. Просветление оптики

Толщина покрытия подбирается так, чтобы отражённые волны 1 и 2 были сдвинуты на полволны и, интерферируя, погасили друг друга. Тогда не будет потерь на отражение, и вся световая энергия пройдёт через линзу. Изображение получится более ярким – оптика «просветляется».

Толщина интерференционного покрытия зависит, разумеется, от длины волны, и добиться полного гашения отражённых волн во всём видимом диапазоне не получается. Покрытие обычно подбирается так, чтобы при отражении гасилась средняя, жёлто-зелёная часть видимого спектра (в которой лежит максимум интенсивности солнечного излучения). Поэтому в отражённых лучах доминируют крайние части спектра – красная и фиолетовая; их смесью, например, является хорошо известный вам сиреневый отблеск объектива фотоаппарата.

Интерферометры

Интерферометр – чувствительный оптический прибор, служащий для точного измерения длин, углов, показателей преломления и плотности прозрачных сред и т.д.

Интерференционная картина очень чувствительна к разности хода интерферирующих волн: ничтожно малое изменение разности хода вызывает заметное смещение интерференционных полос на экране.

Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона – двухлучевой интерферометр, позволяющий измерить длину волны света.

Состоит из светоделительного зеркала, разделяющего входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. На полупрозрачном зеркале разделённые лучи вновь направляются в одну сторону, чтобы, смешавшись на экране, образовать интерференционную картину.

Рис. 9. Схема интерферометра Майкельсона

– источник света

– полупрозрачная пластинка

– зеркала

– фокальная плоскость

– расстояние между зеркалом и мнимым изображением зеркала в пластинке .

Параллельный пучок света от источника, проходя через попадает на полупрозрачную пластинку и разделяет на два когерентных пучка.

Далее пучок 1 отражается от зеркала , 2 пучок – . Луч 2 повторно проходит через пластинку , 1 не проходит. Оба пучка проходят в направлении AO через объектив, и интерферирует в фокальной плоскости диафрагмы . Наблюдаемая интерференционная картина соответствует интерференции в воздушном слое, образованным зеркалом и мнимым изображением зеркала в пластине .

Толщина воздушного слоя (оптическая разность хода = ).

Если зеркало расположено так, что и мнимое изображение параллельны, то интерференционная картина представляет собой полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива . А картина представляет собой концентрические кольца.

Полосы равного наклона образуются при освещении прозрачного слоя постоянной толщины непараллельным пучком монохроматического излучения.

Если и изображение образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины и представляют собой параллельные линии.

Интерферометр Майкельсона имеет две конфигурации:

1) 2)

1. интерференция, полученная при помощи интерферометра со строго перпендикулярными зеркалами;

2. интерференционная картина, полученная при помощи интерферометра c зеркалами под углом около 90°.

Микроинтерферометр

Прибор, применяемый для измерений неровностей на наружных поверхностях с направленными следами механической обработки, а также для определения толщины плёнок, величины малых перемещении и т. и. Впервые микроинтерферометр был разработан российским физиком В. П. Линником в 1933.

В оптической схеме микроинтерферометра использованы интерферометр и микроскоп, что позволяет одновременно осуществлять наблюдение исследуемой поверхности и интерференционной картины, полученной в результате взаимодействия двух когерентных световых волн: волны сравнения, отражённой от образцового зеркала, и волны, отражённой от исследуемой поверхности и деформированной имеющимися на ней микронеровностями. Интерференционная картина в монохроматическом свете представляет собой чередование тёмных и светлых полос, форма которых в увеличенном масштабе воспроизводит профиль контролируемого участка поверхности.

Интерферометр Фабри-Перо

Спектральный прибор, основанный на многолучевой интерференции, позволяющей получать резкие интерференционные картины.

В конструкции интерферометра устанавливаются строго параллельно друг другу две хорошо отполированные стеклянные или кварцевые пластинки и , на внутренние поверхности которых нанесены отражающие слои. Интерференционная картина, создаваемая интерферометром Фабри-Перо, представляет собой систему колец.

Рис. 10. Схема интерферометра Фабри-Перо

, – стеклянные пластинки;

– фокальная плоскость;

, – объективы;

– расстояние между зеркалами;

– угол отражения пучков от зеркал;

– пучок света.

Параллельный пучок света падающей из объектива в результате многократного отражения от зеркал обретает большое число параллельных когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками.

Интенсивность этих пучков будет различна. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости объектива образуется интерференционная картина, которая имеет форму концентрических колец.

Применение интерферометров очень многообразно. Интерференции волн можно наблюдать в голографии. Примером является «игра» света на пленках голографических этикеток торговых фирм. В кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла и минералогии для определения минералов и горных пород.

Практическое задание

Коллективным способом обучения является такая его организация, при которой обучение осуществляется путем общения в динамических парах, когда каждый учит каждого. Мной была предложена игра «Крестики-нолики», которая удовлетворяет условию коллективного обучения.

Условия игра:

Играют 2 команды. Рисуется сетка для игры. На каждой клетке лежит карточка с заданием. Задания могут быть самыми разнообразными: ребусы, вопросы, задачи. Тот, кто хочет поставить в клетку Х или 0, должны выполнить задание, предусмотренное карточкой. В случае правильного ответа игрок ставит в выбранную клетку Х или 0.

Рис. 11. Табло с заданиями

1. Представьте что вы американский физик Альбер Майкельсон, создавший двухлучевой интерферометр. Объясните его строение (зарисовать схему) и действие.

2. «Дерево»: На листе бумаги изображено дерево. На верхушке записывается название темы «интерференция света». Каждый участник команды по очереди записывает на ветвях:

• основные понятия;

• особенности;

• формулы;

• предназначение.

1. «Интересный вопрос»: Какой привычный предмет помогает смотреть сквозь непрозрачное матовое стекло?

2. «Поле чудес»: На листе бумаги зашифровано слово. Ученик бросает 2 кубика и раскрывает те буквы, которые соответствуют номеру грани кубика. Нужно отгадать слово и дать определение.

3. «Ребус»: На листе бумаги дан ребус – словосочетание, которое нужно расшифровать и дать определение.

4. «Объяснялка»: На листе бумаги записано несколько слов или словосочетаний. Участникам команды предлагается придумать «объяснялки» к каждому слову. Один из участников команды читает придуманные объяснения команде соперника, которые должны догадаться о чем идет речь. Если команда соперника отгадывает слово, то именно она ставит ход.

5. «Удагай слово»: На листке бумаги зашифровано слово. Чтобы открыть одну букву каждой команде предлагается решить задачу. Кто первый решит все задачи и отгадает слово, того и ход.

6. «Интересный вопрос»: Почему радуга имеет форму дуги?

7. «Поле чудес»: На листе бумаги зашифровано слово. Ученик бросает 2 кубика и раскрывает те буквы, которые соответствуют номеру грани кубика. Нужно отгадать слово и дать определение.

8. «Интересный вопрос»: Почему цвет одного и того же места поверхности мыльного пузыря непрерывно изменяется?

9. «Ребус»: На листе бумаги дан ребус – словосочетание, которое нужно расшифровать и дать определение.

10. «Объяснялка»: На листе бумаги записано несколько слов или словосочетаний. Участникам команды предлагается придумать «объяснялки» к каждому слову. Один из участников команды читает придуманные объяснения команде соперника, которые должны догадаться о чем идет речь. Если команда соперника отгадывает слово, то именно она ставит ход.

11. «Дерево»: На листе бумаги изображено дерево. На верхушке записывается название темы «интерференция света». Каждый участник команды по очереди записывает на ветвях:

• основные понятия;

• особенности;

• формулы;

• предназначение.

14. «Интересный вопрос»: Почему в приборах ночного видения всё окрашено в зелёные тона?

Контрольный тест

на тему: «Кольца Ньютона. Применение интерференции света: просветление оптики, многолучевая интерферометрия»

Дайте определение.

1. Интерференция света - ________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

2. Когерентные волны - __________________________________________________ _____________________________________________________________________________.

3. Интерферометр – ____________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

4. Кольца И.Ньютона –___________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

5. Нарисуйте вспомогательную схему происхождения колец И.Ньютона.

Выберите правильный ответ.

1. Различие цветов колец интерференционной картины связано

А) с длиной волны;

Б) с интенсивностью света;

В) с показателем преломления среды;

Г) с частотой.

1. Волны когерентны, если

А) имеют одинаковую частоту;

Б) разность фаз их колебаний изменяется во времени;

В) имеют постоянную во времени разность фаз колебаний;

Г) имеют кратную частоту.

1. Максимум интерференции наблюдается при условии:

А) ∆= x1n1-x2n2;

Б) ∆= x1n1+x2n2;

В) ∆= ± mλ;

Г) ∆= ± (2m+1) λ;

Д) ∆= ±2mλ.

1. Покрытие оптической поверхности специальными пленками применяются для:

А) отражения света;

Б) защиты от загрязнения, пыли;

В) увеличения энергии света, проходящего через линзу;

Г) уменьшения энергии света, проходящего через линзу.

1. Наблюдая интерференционную картину, расстояние между У и d должно удовлетворять условию:

1) У = d

2) У d

3) У

4) d = 10 У

1. Просветление оптики заключается

А) в увеличении входного зрачка оптической системы;

Б) в уменьшении отражения света от поверхности оптического стекла;+

В) в интерференции света на поверхности оптического стекла;

Г) в повышении прозрачности оптического стекла;

Д) в применении светофильтров.

Установите соответствия.

1. Интерференция возникает, если

А)

Б)

В)

1) интенсивность результирующей волны оказывается выше, чем каждой из них

2) интенсивность результирующей волны близка к интенсивности исходных волн

3) волны полностью гасят друг друга

Составьте высказывания из нескольких предложенных фраз.

13. А. Просветление оптики заключается в ________________________

1) увеличении длины волны света;

2) уменьшении толщины линзы;

3) покрытии поверхности линз тонкой прозрачной пленкой;

4) уменьшении показателя преломления стекла.

Б. Это позволяет создать условие для некоторой средней для данной области спектра длины волны

1) просветления;

2) минимума интерференции;

В. в свете

1) падающем;

2) отраженном;

3) проходящем;

Г. и увеличить света.

1) интенсивность отраженного;

2) длину волны проходящего;

3) длину волны отраженного;

4) интенсивность проходящего.

1. Дайте развернутый ответ о применение интерференции света.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

Заключение

Для наблюдения явления интерференции нужны когерентные источники, излучающие волны с фиксированной разностью фаз. Такие источники можно получить, расщепляя луч света от обычного источника (например, с помощью полупрозрачного зеркала). Затем образующиеся таким образом два луча, используя оптические системы, направляют на экран. Поскольку оба луча имеют одинаковое происхождение, то разность фаз в каждом месте экрана оказывается фиксированной. На экране возникает интерференционная картина.

Типичный пример интерференционного явления, который можно наблюдать, - это цветовая окраска тонких плёнок (пятна бензина на асфальте, мыльные плёнки). В таком случае происходит интерференция лучей, отражённых от внешней и внутренней поверхности плёнки. Толщина плёнки обычно меняется от места к месту, и она кажется окрашенной во все цвета радуги.

Интересно, что проблемой интерференции занимался Ньютон, и, поскольку он придерживался мнения, что свет состоит из мельчайших частиц (корпускул), ему пришлось для объяснения окрашивания тонких пластин приписать этим частицам странные "приступы" легкого и тяжёлого отражения. А вот Юнг на основе интерференции легко объяснил это явление и даже впервые измерил длину волны света, и с очень хорошей точностью.

Особый вид интерференционной картины возникает при сложении прямой и отражённой волн. При этом образуются так называемые стоячие волны. В простейшем случае при отражении плоской волны от плоской стенки возникает система неподвижных максимумов и минимумов, расположенных параллельно стенке. При отражении под углом картина усложняется.

Список литературы

Основная литература:

1. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – 11-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 560с.

Дополнительная литература:

1. Организованная структура учебного процесса и ее развитие / В.К. Дьяченко. – М.: Педагогика, 1989. – 160с.

2. Волновая оптика: учебное пособие / А. В. Михельсон, Т. И. Папушина, А. А. Повзнер. М.: Изд-во Урал. ун-та, 2013. – 119 с.

Интернет-ресурсы:

1. https://studfiles.net/preview/6175519/page:24 – Коллективный способ обучения.

2. http://megaobuchalka.ru/2/10283.html – Коллективный способ обучения.

Приложение

Приложение 1

Таблица №1 Понятийно-терминологический словарь по теме: «Интерференция света»

9