Министерство образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет изучение явления дифракции

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе

по курсу общей физики

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2002

Цель работы: изучить явление дифракции света на примере анализа дифракционной картины, полученной на дифракционной решетке и щели от монохроматического лазерного источника света

1. Теория света

Свет – явление, которое всегда интересовало человека. С развитием научного метода исследований многие ученые пытались объяснить природу света.

В конце XVII в. Ньютон выдвинул теорию, что свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), которые летят прямолинейно и подчиняются законам механики. Отражение света рассматривалось по закону отражения упругих шариков при ударе о плоскость, а преломление объяснялось притяжением световых частиц преломляющей средой. Но из расчетов, проведенных на основе этой теории, следовало, что скорость световых частиц в более плотных средах оказывается больше, чем в воздухе. Несостоятельность этого вывода была экспериментально доказана в 1850 г. Фуко.

Рис.1. Иллюстрация принципа

Гюйгенса

С другой стороны, Гюйгенс предложил рассматривать свет как волновое движение особой среды – эфира. Для анализа распространения света Гюйгенс предложил метод, который состоит в следующем. Каждая точка среды, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн (рис.1). Поверхность, огибающая эти вторичные волны, указывает положение фронта действительно распространяющейся волны в следующий момент времени. При этом фронтом волны называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания¹.

Существенным недостатком волновой теории света в том виде, как она была предложена Гюйгенсом, являлась необходимость существования некоей среды - эфира, действие которого обнаружить не удалось.

Позднее волновая теория получила дальнейшее свое развитие после того, как Максвелл предложил рассматривать свет не как волновое движение особой среды, а как распространяющиеся в пространстве колебания переменного электромагнитного поля определенной частоты (рис.2).

Рис.2. Шкала электромагнитных колебаний

По Максвеллу, в плоской монохроматической электромагнитной волне векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции совершают гармонические колебания одинаковой частоты :

, (1.1)

, (1.2)

где E_o, B_o - амплитуды векторов и ; величина, стоящая под знаком синуса (2t + ) – называется фазой.

В екторы и всегда взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (рис.3). То есть эти волны являются поперечными.

Рис.3. Электромагнитная волна

Освещенность данной точки пространства определяется интенсивностью света в этой точке. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний:

I  E₀². (1.3)

Электромагнитная теория Максвелла позволила объяснить такие известные световые явления, как интерференция, дифракция, поляризация. Однако процессы испускания и поглощения света, фотоэффект, комптоновское рассеяние могут быть объяснены только с корпускулярных позиций².

В этой работе мы подробно рассмотрим явление дифракции.