Kirik_usi_uroki_fiziki_11_klas_ak_riven_Optika

346 Усі уроки фізики. 11 клас. Академічний рівень

УРОК 10/68

Тема.  Застосування інтерференції світла. Розв’язування задач Мета уроку:  ознайомити учнів з деякими способами практичного за­

стосування інтерференції. Тип уроку:  урок закріплення знань.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Застосування інтерференції

Явище інтерференції світла має різноманітне практичне застосування. Використовуючи це явище, можна точно визначати довжини світлових хвиль, вимірювати показники заломлення газів й інших речовин, з’ясовувати точні виміри лінійних розмірів, контролювати якість шліфування й полірування поверхонь і т. ін.

Об’єктиви й окуляри сучасних оптичних приладів містять по кілька лінз. Отже, світло має пройти хоча б десяток границь розділу повітря–скло. А на кожній такій границі світло частково відбивається. Це не тільки призводить до ослаблення інтенсивності світла, але й утворює внаслідок багатьох відбиттів додаткові світлові плями, які погіршують якість зображення.

Український фізик А. Т. Смакула знайшов ефективний спосіб: послабити відбиття можна, якщо одну відбиту світлову хвилю замінити двома! Для цього необхідно на поверхню скла нанести тонку плівку такої товщини, щоб відбиті від двох її поверхонь світлові хвилі послабляли одна одну.

Далі наведемо деякі приклади застосування інтерференції. Особливу­ увагу слід звернути на фізичні принципи, що лежать в основі технічних додатків цього явища.

Рекомендовано розглянути (на вибір учителя) деякі з наведених тут прикладів:

1.Інтерферометри.

2.Просвітління оптики.

3.Перевірка якості обробки поверхонь.

4.Надточне визначення розмірів.

5.Визначення довжин світлових хвиль.

6.Визначення еталона 1 м у довжинах світлових хвиль.

2.Розв’язування задач

1.Визначте товщину плівки на поверхні лінзи, якщо плівка розрахована на максимальне гасіння світлової хвилі довжиною 555 нм. Абсолютний показник заломлення плівки 1,231.

Розв’язання. Хвилі, відбиті від зовнішньої й внутрішньої повер-

хонь плівки, повинні гасити одна одну, тому різниця їхнього ходу відповідає умові мінімуму: dmin = (2k + 1) λ2 .

Оскільки в процесі просвітління оптики намагаються використати найбільш тонкі плівки, то найменша товщина плівки відповідає умові: dmin = λ /2.

Довжина хвилі в плівці менше, ніж довжина хвилі у вакуумі в n разів: λ = λ0 / n.

Плівки розраховують для нормально падаючого світла, тому різниця ходу дорівнює подвоєній товщині плівки: dmin = 2h.

Остаточно одержуємо:

2h = 2λn0 h = 4λn0 .

Підставивши числові значення, одержуємо, що товщина плівки дорівнює 113 нм.

2.На плоскій полірованій поверхні скла лежить полірована скляна пластинка. Коли під правий край пластинки підклали фольгу, у відбитому світлі одержали показану на рисунку інтерфе-

ренційну картину. Визначте товщину фольги, якщо довжина світлової хвилі λ = 650 нм.

Розв’язання. Інтерференційні смуги з’явилися тому, що різниця ходу двох відбитих пучків світла відрізняється в різних місцях пластинки (товщина повітряного зазору збільшується від нуля до максимального значення h ).

Дві сусідні темні смуги відповідають місцям, де різниця ходу відрізняється на довжину хвилі (отже, товщина повітряного зазо-

ру — на λ2 ). З огляду на кількість темних смуг на рисунку в умові задачі, одержуємо h = 8 λ2 = 4λ = 2,6 мкм.

3.У деяку точку простору приходять когерентні світлові хвилі з геометричною різницею ходу 1,2 мкм. Довжина хвиль

увакуумі 600 нм. Визначте, посилення чи ослаблення світла відбувається в точці, якщо світло поширюється: у вакуумі,

уповітрі, у воді.

4.Частота когерентних світлових хвиль від двох джерел A і B дорівнює 6 1014 Гц. Який результат інтерференції світла в точці відрізка AB , що віддалений на 0,25 мкм від середини цього відрізка?

Домашнє завдання

1.Підр-1: § 44 (п. 5, 6); підр-2: § 21 (п. 1).

2.Зб.:

Рів1 № 14.13; 14.27.

Рів2 № 14.36; 14.37; 14.38.

Рів3 № 14.48, 14.49; 14.50; 14.51.

Розглянемо вторинні світлові хвилі від точок A1 і A2 , які поширюються під кутом ϕ до напрямку первинної хвилі. Різниця ходу цих хвиль:

A2 B2 = dsinϕ.

Отже, умова взаємного посилення двох вторинних хвиль має вигляд:

dsinϕ = kλ,

де k = 0, 1, 2, …

Якщо ця умова виконується, то відповідні хвилі від точок A3 , A4 , … An теж мають однакові фази з розглянутими хвилями. Таким чином, рівність dsinϕ = kλ є умовою максимуму освітленості.

Значення k визначає порядок дифракційного максимуму. У всіх напрямках, для яких кут ϕ не відповідає отриманій формулі, світ-

лові хвилі практично не поширюються.

Положення максимумів світла не залежить від кількості щілин, а залежить тільки від довжини хвилі. Що менше довжина хвилі випромінювання, то меншому значенню кута відповідає положення максимуму. Таким чином, видиме оптичне випромінювання розтягується в спектр так, що внутрішнім краєм його є фіолетове, а зовнішнім — червоне оптичне випромінювання. Значення k = 0 відповідає максимуму за напрямком ϕ = 0 для всіх довжин

хвиль. Тому нульовий спектр являє собою біле зображення щі­ лини.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1.За яких умов дифракція хвиль проявляється особливо чітко?

2.Чому за допомогою мікроскопа не можна побачити атом?

3.Як за допомогою принципу Гюйгенса можна знайти нове положення фронту хвилі?

4.Як можна визначити положення фронту сферичної хвилі?

Другий рівень

1.Чому штрихи на дифракційній решітці повинні розташовуватися щільно один біля одного?

2.У яких випадках справедливі закони геометричної оптики?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1.Якісні питання

1.Що ви побачите, подивившись на електричну лампочку крізь пташине перо?

2.Якщо, зіщуливши око, дивитися на нитку лампочки накалювання, то нитка здається облямованою світлими відблисками. Чому?

3.Решітки мають 50 і 100 штрихів на 1 мм. Яка з них дасть на екрані ширший спектр за інших рівних умов?

2.Навчаємося розв’язувати задачі

1.На дифракційну решітку, що має N = 200 штрихів на міліметр, нормально падає світло довжиною хвилі λ = 500 нм. Визначте: а) найбільший порядок спектра; б) кут, під яким спостерігають максимум другого порядку.

Розв’язання. Формула дифракційної решітки має вигляд: dsinϕ = kλ,

де d = Nl . Звідси одержуємо:

sinϕ = Nkl λ .

Максимальному k відповідає sinϕ = 1, отже, kmax = dλ = Nlλ .

Визначаємо значення шуканих величин:

2.Знайдіть найбільший порядок спектра для жовтої лінії натрію довжиною хвилі 589 нм, якщо період дифракційної решітки 2 мкм.

3.Дифракційна решітка, що має 100 штрихів на 1 мм, віддалена від екрана на 1,8 м. На якій відстані від центральної щілини перебуває перший максимум освітленості, якщо на решітку падає монохроматичне світло довжиною хвилі 410 нм?

4.Для вимірювання довжини світлової хвилі застосовують ди­ фракційну решітку, що має 1000 штрихів на 1 мм. Максимум першого порядку на екрані отриманий на відстані 24 см від центрального. Визначте довжину хвилі, якщо відстань від дифракційної решітки до екрана 1 м.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

yy Дифракція світла — це явище огинання границь непрозорих тіл — країв отворів, вузьких щілин і екранів, тобто порушення прямолінійності світла.

yy Принцип Гюйгенса:

кожну точку фронту хвилі можна розглядати як джерело вторинних хвиль. Нове положення фронту хвилі постає як огинальна цих вторинних хвиль.

yy Дифракційна решітка — це спектральний прилад, що служить для розкладання світла в спектр і вимірювання довжини хвилі.

yy Умова спостереження дифракційного максимуму: dsinϕ = kλ.

Домашнє завдання

1.Підр-1: § 45; підр-2: § 21 (п. 3).

2.Зб.:

Рів1 № 14.14; 14.15; 14.16.

Рів2 № 14.39; 14.40; 14.41; 14.42. Рів3 № 14.52, 14.53; 14.54; 14.55.

УРОК 12/70

Тема.  Лабораторна робота № 4 «Спостереження інтерференції світ­ ла». Лабораторна робота № 5 «Спостереження дифракції світла» Мета уроку:  спостерігати явища інтерференції й дифракції світла, ви­

значати умови, за яких спостерігаються ці явища. Тип уроку:  урок контролю й оцінювання знань.

Обладнання:  дві скляні пластинки або прилад для спостереження кі­ лець Ньютона, сталеві леза з тонкою оксидною плівкою, кюве­ ти з водою, на поверхні якої перебуває плівка бензину; щілина змінної ширини (або штангенциркуль, або розрізи різної ши­ рини в цупкому чорному папері), лазерний диск, лазерний ліх­ тарик.

ХІД РОБОТИ № 4

1.Ретельно протріть скляні пластинки, зберіть їх докупи і стисніть пальцями. Спостерігайте пластинки у відбитому світлі на темному тлі, намагайтеся побачити яскраві райдужні кільця. Спостерігайте зміни цих кілець, змінюючи тиск на пластинки.

2.Спробуйте спостерігати інтерференційну картину, дивлячись через скляні пластини у вікно або на світлу поверхню.

3.Спостерігайте інтерференційну картину (кольори мінливості) на поверхні сталевого леза з тонкою оксидною плівкою.

4.Спостерігайте інтерференційну картину за допомогою плівки бензину на воді.

5.Запишіть у зошиті для лабораторних робіт висновки: що ви вимірювали і який отримали результат.

ХІД РОБОТИ № 5

1.Наблизьте до ока щілину завтовшки в кілька десятих частинок міліметра, розташувавши її паралельно до трубки люмінесцентної лампи. Розглядаючи через щілину цю лампу, спостерігайте райдужні смужки біля лампи. Запам’ятайте, у якому порядку йдуть кольори в райдужних смужках.

2.Змінюючи ширину щілини (або виконуючи спостереження через щілину іншої ширини), досліджуйте вплив ширини щілини на дифракційну картину.