Интерференция света.

Цели урока: познакомить учащихся с понятием интерференции, показать возмож­ность использования интерференции света в современной науке и технике.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания, повторение

- Какие выводы относительно электромагнитных волн вытекали из тео­рии Максвелла?

- Какие физические величины периодически меняются в электромагнит­ной волне?

- Какие отношения между длиной волны, ее скоростью, периодом и час­тотой колебаний справедливы для электромагнитных волн?

- При каком условии волна будет достаточно интенсивной для того, что­бы ее можно было зарегистрировать?

- Когда и кем были впервые получены электромагнитные волны?

- Приведите примеры применения электромагнитных волн.

II. Новый материал

Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различ­ных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуко­вые волны накладываются друг на друга.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

Учитель может продемонстрировать явление интерференции механичес­ких волн. Интерференцию света можно наблюдать на мыльной пленке.

Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фраз их колеба­ний была постоянной. Источники, удовлетворяющие этим условиям, называ­ются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Толь­ко при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференцион­ная картина.

Световые волны, излучаемые различными источниками не согласованы друг с другом. Для получения интерференционной картины волны должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке про­странства. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от двух независимых источников.

Томас Юнг первым пришел к мысли о возможности объяснения цветов на поверхности мыльной пленки.

Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих ко­лебаний) зависит от угла падения света и толщины пленки. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспе­чивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка.

Различие связано с различием длины волны. Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет изме­рить длину волны.

Применение интерференции

• Проверка качества обработки поверхностей (до одной десятой длины волны, т.е. 10~* м). Определяется по искривлению интер­ференционных полос.

• Для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

• Просветление оптики.

III. Вопросы на закрепление

- Что называется интерференцией волн? При каких условиях происходит это явление?

- Какие волны называют когерентными?

- Что называют разностью хода волн?

- Что называют интерференцией света? При каких условиях ее наблюдают?

- Сделав рисунок, объясните интерференцию света; в тонких пленках.

- Приведите примеры практического применения интерференции света.

Домашнее задание:

1. Выучить § 53 (с. 174-178);

2. Пронаблюдать явление интерференции света и сделать рисунок в тетради;

3. Ответить на вопросы микротеста:

Световые волны когерентны, если у них ...

а) совпадают амплитуды;

б) совпадают частоты;

в) постоянна разность фаз;

г) совпадают частоты и постоянна разность фаз.

Световая волна характеризуется длиной волны λ, частотой ν и скорос­тью распространения V. Какие из этих параметров изменяются при переходе из одной среды в другую?

а) только λ; б) только λ и V;

в) только ν; г) только ν и V.

Приложение к уроку

Оптика Ньютона

Еще в 60-е гг. XVH в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал откры­тие, которое, как казалось сначала, говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов. Раз­ложение белого света призмой в спектр было известно очень давно. Однако разобраться в этом явлении до Ньютона никто не смог.

Ученых, занимающихся оптикой, интересовал вопрос о природе цвета. Наиболее распространенным было мнение о том, что белый свет является простым. Цветные же лучи получаются в результате тех или иных его измене­ний. Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к зак­лючению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей.

Чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цвет­ных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон про­водил следующий опыт. В экране, на котором наблюдался спектр, делалось маленькое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет определенной окраски (говоря современным языком, монохроматический пучок света). На пути этого пучка Ньютон ставил призму, а за ней - экран. Что будет наблюдаться на экране? Разложится ли одноцветный пучок света в но­вый спектр или нет? Опыт показал, что этот пучок света отклоняется призмой как единое целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Ньютон пропускал через отверстие цветные лучи различных участ­ков спектра. Во всех случаях они не разлагались, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.

После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые Являются простыми и призмой уже не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое определенное значе­ние. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться «ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной», - писал Ньютон.

Открытие дисперсии было расценено Ньютоном и большинством его со­временников и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света. С точки зрения волновой теории трудно было объяснить от­крытые Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. По­нимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло зна­чительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелег­ка было представить себе, почему при отражении и преломлении период ос­тается неизменным.

Развитие волновой теории света

В конце XVIII в. оптическими исследованиями занялся алтайский ученый Томас Юнг (1773-1829). Он впервые ввел понятие «интерференция» (от ла­тинских слов inter - взаимно fеrio - ударяю).

Весьма вероятно, что интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озе­ра с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе такое, что под действием другой причины образо­вался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их дей­ствие соединятся. Если они вступают в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными греб­нями. Но если гребни одного рада будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется глад­кой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, кода подоб­ным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света».

Результаты своих исследований по оптики Юнг доложил на ученом заселе­нии Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале XIX в. Но, не смотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взгля­дов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще ник­то, кроме самого Юнга, не решался. На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него. Корпуску­лярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.

Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френель (1788-1827) начал заниматься изучением явлений интер­ференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

После открытия явления двойного лучепреломления и поляризации света создалось такое положение, когда Юнг и Френель прекрасно объяснили явле­ние интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой природе света, но не могли объяснить поляризацию света. Юнг и Френель пришли к убеждению о необходимости считать световые волны не продоль­ными, а поперечными. Но уже было известно, что поперечные волны могут существовать и распространяться только в твердых телах. Поэтому эфир нуж­но было рассматривать как твердое тело. Но эфир ведь очень «тонкая среда», гораздо более «тонкая», чем воздух. Он не оказывает никакого сопротивления движению, в нем тел. Планеты, например, движутся в эфире, не испытывая никакого сопротивления. Как же можно считать эфир твердым телом?

Однако постепенно, не смотря на все трудности, стоявшие перед гипотезой о поперечности световых войн, волновая теория света начала побеждать и вытеснять корпускулярную теорию света.

В 1864 г. Максвелл высказал гипотезу об электромагнитной природе света. Спустя почти двадцать лет Герц подтвердил ее на опыте. После этого перед физиками встала проблема построить теорию эфира, которая давала бы объяснение электрическим и магнитным явлениям, а значит и оптическим. Было создано много теорий, но ни одну из них не признали удовлетворитель­ной. Появилось даже мнение о невозможности построения такой теории. Так дело продолжалось до возникновения теории относительности, которая по­кончила с эфиром и привела к новым представлением о сущности электро­магнитных, а вместе с этим, и оптических явлений.