Волновая оптика. Интерференция и дифракция света.

Волновая оптика. Интерференция и дифракция.

Дифракция

Дифракция механических волн

- нарушение закона прямолинейного распространения волн.

Дифракция происходит всегда , когда волны распространяются в неоднородной среде.

Дифракция механических волн

Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий

Дифракция механических волн

Дифракция

Становится заметной , если размеры препятствия меньше длины волны

Дифракция

Дифракция

Существует всегда

Общее свойство волн любой природы

Причина : вторичные волны , создаваемые точками среды , находящимися на краях отверстий или препятствий (принцип Гюйгенса) , проникают за препятствие , волновая поверхность искривляется и волна огибает препятствие

Случаи, когда дифракция наблюдается ярко:

Размеры преграды сравнимы или меньше длины волны – дифракция сразу за препятствием .

Размеры препятствия больше длины волны – дифракция наблюдается на большом расстоянии от препятствия .

Задачи

Если в театре встать за колонной, то артиста не видно, а голос его слышен. Почему?

Почему люди в лесу, чтобы не потерять друг друга, кричат?

Как и почему происходит дифракция?

Как только волна дойдет до щели, каждая точка среды между краями щели станет самостоятельным источником вторичных волн. Новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.

Как и почему происходит дифракция?

Так как вторичные волны излучаются и крайними точками щели, то фронт волны, прошедшей через щель, у ее краев изогнется и зайдет за препятствия, образовавшие щель.

Как и почему происходит дифракция?

Вторичные волны, испущенные точками среды, до которых дошла волна, прошедшая через щель, зайдут за края препятствий еще больше. Таким образом, волна после прохождения через щель и расширяется и деформируется.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона.

Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.

Опыт Т. Юнга. 1802 г.

В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S , падал на экран с двумя близко расположенными щелями S 1 и S 2.

Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S 1 и S 2, перекрывались.

В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Юнг впервые определил длины волн световых лучей разного цвета.

Дифракция механических волн

Дифракция наблюдается

Дифракция не наблюдается (исключение : края преград)

– диаметр отверстия

– длина волны

λ d ≥ λ " width="640"

Дифракция механических волн от экрана

d

Геометрическая

тень

d ≤ λ

d λ

d ≥ λ

Дифракция света

Дифракция света – отклонение от прямолинейного направления на резких неоднородностях среды

Когерентные волны интерферируют

Опыт Юнга

Из-за дифракции от отверстий выходят два частично перекрывающихся конуса

Для дифракции характерно не столько загибание за края преград , сколько возникновение за преградой интерференционной картины

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – совокупность большого числа очень узких щелей , разделенных непрозрачными промежутками

Условие max:

- длина волны

- угол отклонения световых лучей вследствие дифракции

k - порядок спектра

- период решетки

Дифракционные картины от различных препятствий

Дифракция на круглом отверстии по мере приближения к экрану с отверстием

Дифракция на дисках различного диаметра.

В центра т.н. пятно Пуассона

Дифракция на прямолинейном крае

Дифракция света

- приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Дифракция света сопровождается интерференцией.

Интерферируют волны, обогнувшие препятствие ( опыт Юнга ) .

Французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.).

В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса , дополнив его идеей об интерференции вторичных волн.

Принцип Гюйгенса - Френеля

– каждая точка любой воображаемой поверхности, окружающей один или несколько источников света, является центром вторичных световых волн, которые когерентны, и интенсивность света в любой точке пространства есть результат интерференции этих вторичных волн.

Принцип Гюйгенса–Френеля является основным постулатом волновой теории, впервые позволившим объяснить дифракционные явления.

Дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец, если препятствие круг или отверстие.

Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракция на круглом отверстии

Применение дифракции Дифракционная решетка

– оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм).

Применение дифракции Дифракционная решетка

Существуют отражательные и прозрачные дифракционные решетки.

Дифракционные решетки используются для разложения электромагнитного излучения в спектр.

Границы применимости геометрической оптики

Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны.

Разрешающая способность оптических приборов

Нельзя получить отчетливые изображения мелких предметов (микроскоп)

L

Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением (телескоп)

λ / D

L – линейный размер предмета

λ – длина волны

D – диаметр объектива

Экспериментальные задачи:

В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните.

Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.

Посмотрите на поверхность лазерного диска. Объясните причину образования радужной картины.

• В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните. Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните. Посмотрите на поверхность лазерного диска. Объясните причину образования радужной картины.

Дифракционные спектры

Дифракционная решетка – спектральный прибор , служащий для разложения света и измерения длины волны

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.

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

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.

Дифракция механических волн

- нарушение закона прямолинейного распространения волн.

Дифракция происходит всегда , когда волны распространяются в неоднородной среде.

Дифракция механических волн

Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий

Дифракция механических волн

Дифракция

Становится заметной , если размеры препятствия меньше длины волны

Дифракция

Дифракция

Существует всегда

Общее свойство волн любой природы

Причина : вторичные волны , создаваемые точками среды , находящимися на краях отверстий или препятствий (принцип Гюйгенса) , проникают за препятствие , волновая поверхность искривляется и волна огибает препятствие

Случаи, когда дифракция наблюдается ярко:

Размеры преграды сравнимы или меньше длины волны – дифракция сразу за препятствием

Размеры препятствия больше длины волны – дифракция наблюдается на большом расстоянии от препятствия

Задачи

Если в театре встать за колонной, то артиста не видно, а голос его слышен. Почему?

Почему люди в лесу, чтобы не потерять друг друга, кричат?

Как и почему происходит дифракция?

Как только волна дойдет до щели, каждая точка среды между краями щели станет самостоятельным источником вторичных волн. Новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.

Как и почему происходит дифракция?

Так как вторичные волны излучаются и крайними точками щели, то фронт волны, прошедшей через щель, у ее краев изогнется и зайдет за препятствия, образовавшие щель.

Как и почему происходит дифракция?

Вторичные волны, испущенные точками среды, до которых дошла волна, прошедшая через щель, зайдут за края препятствий еще больше. Таким образом, волна после прохождения через щель и расширяется и деформируется.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона.

Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом.

Опыт Т. Юнга. 1802 г.

В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S , падал на экран с двумя близко расположенными щелями S 1 и S 2.

Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S 1 и S 2, перекрывались.

В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Юнг впервые определил длины волн световых лучей разного цвета.

Схема опыта Юнга

Дифракция света

- приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Дифракция света сопровождается интерференцией.

Интерферируют волны, обогнувшие препятствие ( опыт Юнга ) .

Французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.).

В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса , дополнив его идеей об интерференции вторичных волн.

Принцип Гюйгенса - Френеля

– каждая точка любой воображаемой поверхности, окружающей один или несколько источников света, является центром вторичных световых волн, которые когерентны, и интенсивность света в любой точке пространства есть результат интерференции этих вторичных волн.

Принцип Гюйгенса–Френеля является основным постулатом волновой теории, впервые позволившим объяснить дифракционные явления.

Дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец, если препятствие круг или отверстие.

Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракция на круглом отверстии

Применение дифракции Дифракционная решетка

– оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм).

Применение дифракции Дифракционная решетка

Существуют отражательные и прозрачные дифракционные решетки.

Дифракционные решетки используются для разложения электромагнитного излучения в спектр.

Границы применимости геометрической оптики

Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны.

Разрешающая способность оптических приборов

Нельзя получить отчетливые изображения мелких предметов (микроскоп)

L

Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением (телескоп)

λ / D

L – линейный размер предмета

λ – длина волны

D – диаметр объектива

Домашнее задание

§ 70, 71

Экспериментальные задачи:

В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните.

Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните.

Посмотрите на поверхность лазерного диска. Объясните причину образования радужной картины.

• В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните. Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платок или капроновую ткань. Что вы наблюдаете? Объясните. Посмотрите на поверхность лазерного диска. Объясните причину образования радужной картины.

Опыт Юнга

Дифракция механических волн

Дифракция наблюдается

Дифракция не наблюдается (исключение : края преград)

– диаметр отверстия

– длина волны

λ d ≥ λ " width="640"

Дифракция механических волн от экрана

d

Геометрическая

тень

d ≤ λ

d λ

d ≥ λ

Дифракция света

Дифракция света – отклонение от прямолинейного направления на резких неоднородностях среды

Когерентные волны интерферируют

Опыт Юнга

Из-за дифракции от отверстий выходят два частично перекрывающихся конуса

Для дифракции характерно не столько загибание за края преград , сколько возникновение за преградой интерференционной картины

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – совокупность большого числа очень узких щелей , разделенных непрозрачными промежутками

Условие max:

- длина волны

- угол отклонения световых лучей вследствие дифракции

k - порядок спектра

- период решетки

Дифракционные картины от различных препятствий

Дифракция на круглом отверстии по мере приближения к экрану с отверстием

Дифракция на дисках различного диаметра.

В центра т.н. пятно Пуассона

Дифракция на прямолинейном крае

Дифракционные спектры

Дифракционная решетка – спектральный прибор , служащий для разложения света и измерения длины волны

Примеры дифракции света

Компакт-диск

Венцы

Звезды