Конспект уроку з фізики (11 клас): Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція і дифракція світлових хвиль.
Мета уроку: ознайомити учнів зі способами одержання системи коге¬рентних хвиль; з'ясувати умови спостереження інтерферен¬ції та дифракції світла. Розвивати образне та критичне мис¬лення, творчу уяву. Виховувати почуття відповідальності, праце¬любність, самостійність, уважність.
Обладнання: плакат, підручник
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу
Орієнтовний план проведення уроку
І. Організаційна частина (2 хв)
ІІ. Повторення вивченого матеріалу й набутих знань і умінь (5 хв)
ІІІ. Мотивація навчальної діяльності (2 хв)
IV. Оголошення теми й мети уроку (2 хв)
V. Вивчення нового матеріалу (30 хв)
VI. Підведення підсумків роботи (4 хв)
Хід уроку
І. Організаційна частина
• Перевірка присутніх.
• Призначення чергових.
ІІ. Актуалізація опорних знань учнів
Учитель проводить усне опитування учнів.
1. Які приклади ви можете навести на підтвердження прямолінійного по¬ширення світла?
2. Чому утворення тіні є доказом прямолінійності поширення світла?
3. Що таке тінь і півтінь?
4. Які явища відбуваються під час переходу світла з одного середовища
в інше?
5. Чим зумовлене заломлення світла на межі розділу двох прозорих сере¬довищ?
6. У якому випадку відносний показник заломлення є більшим за одини¬цю? В якому — меншим за одиницю?
ІІІ. Мотивація навчальної діяльності
Ми з вами на попередніх уроках ознайомились з теоріями становлення поняття світла. І розглянули відповідну теорію, що світло це електромагнітна хвиля. Через які такі експерименти та явища виникла ця теорія ми з вами зараз дізнаємося.
IV. Повідомлення теми, мети, завдань уроку
V. Вивчення нового матеріалу
1. Принцип незалежності світлових пучків. Звертаємо увагу учнів на те, що світлові пучки, поширюючись від різних джерел світла, не впли¬вають один на одного. Вони поширюються крізь одну частину простору без взаємних перешкод, без викривлень. Цікавим є такий дослід. За допо¬могою двох проекційних апаратів на екрани проектуються два різні діа¬позитиви. У разі взаємного перетинання світлових пучків зображення на екранах не спотворюються. Вони будуть такими самими, як під час про¬ектування кожного кадру окремо. У цьому й полягає принцип незалежно¬сті світлових пучків.
Світлові пучки, зустрічаючись, не впливають один на одного.
Спробуємо визначити сферу застосування цього принципу. Якщо дво¬ма стрижнями одночасно торкнутися поверхні води, то від кожного з них побіжить колова хвиля, що проходитиме крізь іншу так, начебто її й нема.
Аналогічно поширюються звукові хвилі (приклад з оркестром) і радіо¬хвилі.
Досліди показують, що хвилі підкоряються принципові суперпозиції: хвилі не взаємодіють одна з одною та поширюються незалежно одна від одної.
2.Інтерференція хвиль. Оскільки хвилі не взаємодіють одна з одною,
то кожна частина простору, куди надходять дві або кілька хвиль, братиме
участь у коливаннях, викликаних кожною хвилею окремо.
Щоб знайти результуючий зсув у даній точці простору, треба знайти зсув, викликаний кожною хвилею, а потім скласти їх чи то векторно, якщо вони поширюються в різних напрямах, чи то алгебраїчно, якщо — уздовж однієї прямої.
Додавання в просторі хвиль, за яких утворюється постійний у часі роз¬поділ амплітуд результуючих коливань, називається інтерференцією (від лат. inter — взаємно, між собою і ferio — ударяю, уражаю).
Інтерференцією хвиль називається явище підсилення коливань в од¬них точках простору Послаблення в інших у результаті накладання двох або кількох хвиль, які надходять у ці точки,
3.Когерентність хвиль. Інтерференція — загальна властивість хвиль
будь-якої природи. Стійка в часі інтерференційна картина може спосте¬рігатися тільки у разі додавання корельованих (взаємозалежних) коли¬вань, які називаються когерентними хвилями (від лат. cohaerens — той,
що перебуває у зв'язку).
Когерентні (зв'язані) хвилі — це хвилі, що мають однакову частоту та незмінний зсув фаз у кожній точці простору.
Когерентні джерела — це джерела, що мають однакову частоту та незмінний зсув фаз у часі.
Коливання кожної точки середовища характеризуються трьома вели¬чинами — амплітудою, частотою й фазою. В означення когерентності вхо¬дять лише дві останні величини.
Від різниці амплітуд залежить міра різкості інтерференційної картини. Різниця амплітуд має бути такою, щоб за інтенсивністю коливань можна було відрізнити максимуми від мінімумів. Інакше інтерференційна кар¬тина буде розмитою.
Незважаючи на те що умова когерентності залишається однаковою для хвиль різної фізичної природи, способи здійснення когерентності, напри¬клад, для джерел звуку та джерел світла, були зовсім різними. Для одер¬жання когерентних звукових хвиль можна скористатися двома незалеж¬ними джерелами звуку, що здійснюють коливання зі сталою різницею фаз. Незалежні ж джерела світла (крім оптичних квантових генераторів) не дають когерентних хвиль.
Причина полягає в тому, що атоми джерел випромінюють світло неза¬лежно один від одного окремими «обривками» (цугами) синусоїдальних хвиль. І такі цуги хвиль від обох джерел накладаються один на одного. У результаті амплітуда коливань у будь-якій точці простору хаотично змінюється з часом. Отже, ці цуги некогерентні. Ніякої стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освітленості не спостеріга¬ється.
4. Інтерференція світла. Для одержання двох когерентних світлових хвиль можна випромінювання від одного й того самого атома розділити шляхом відбивання або заломлення на два пучки. У школі звичайно роз¬глядаються два методи: Френеля та Ньютона.
За допомогою методу Френеля вивчається інтерференційний дослід із дзеркалами або біпризмою Френеля. У першому випадку використовуєть¬ся явище відбивання, у другому — заломлення.
Використовуючи метод Ньютона, можна розглянути інтерференцію в тонких плівках і за допомогою кілець Ньютона.
Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої та внутрішньої повер¬хонь плівки, пояснюється їх приналежністю до одного й того самого світ¬лового пучка.
Якщо джерела когерентні та синфазні (тобто збігаються за фазою в часі), то в точках середовища, куди хвилі надходять, збігаючись за фа¬зою, утвориться максимум інтерференційної картини.
Амплітуда коливань середовища в даній точці максимальна, якщо різниця ходу двох хвиль, які збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілому числу довжин хвиль: ∆x = kλ , де ∆х — різниця ходу двох хвиль, a k = 0, l, 2, ... .
Амплітуда коливань середовища в даній точці мінімальна, якщо різ¬ниця ходу двох хвиль, які збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу півхвиль: ∆x = (2k + 1)λ/2 .
5. Порушення хвильового фронту в середовищі. Наявність чіткої тіні
за освітленим об'єктом уявлялась вагомим доказом прямолінійного поширення світла. Проте, чим далі від об'єкта знаходиться його тінь, тим
більш розпливчастими стають її обриси. З одного боку, світло проникає
в область геометричної тіні, з іншого боку — ослаблення освітленості
спостерігається в тих частинах простору, де тіні, здавалося б, не повинно бути.
Коли на шляху пучка світла поставити невелике непрозоре тіло, роз¬міри якого порівнювані з довжиною світлової хвилі, то світло, огинаючи краї цього тіла, буде відхилятися від прямолінійного поширення.
Явище огинання механічними хвилями перешкод ми спостерігали ба¬гато разів у житті. Так, морські хвилі вільно огинають камінь з води. За каменем хвилі поширюються так, ніби його й не було. Здатність до оги¬нання перешкоди мають і звукові хвилі. Ми можемо чути сигнал автомо¬біля за рогом будинку, коли самого автомобіля ще не видно.
Відхилення від прямолінійного поширення хвиль, огинання хвилями перешкод, проникнення в область геометричної тіні називається дифрак-\/ цією (від лат. difractus — розламаний).
Це явище властиве усім хвильовим процесам.
Дифракція — це порушення прямолінійності поширення хвиль під час проходження повз перешкоду або крізь отвір.
6. Дифракція світла. Пропускаючи тонкий пучок світла крізь маленький отвір, можна спостерігати порушення закону прямолінійного поширення світла. Досліди Т. Юнга, дослідження О. Френеля, принцип X. Гюйгенса дали пояснення прямолінійному поширенню світла в однорідному середовищі на основі хвильової теорії.
Відповідно до ідеї Френеля хвильова поверхня в будь-який момент часу являє собою не просто обвідну вторинних хвиль, а результат їхньої інтер¬ференції.
Через дуже малу довжину світлової хвилі кут відхилення світла від на¬пряму прямолінійного поширення невеликий. Тому для кращого спосте¬реження за дифракцією потрібно або використовувати незначні перешко¬ди, або розташовувати екран далеко від перешкод.
Дифракція — це явище огинання світлом меж непрозорих тіл — кра¬їв отворів, вузьких щілин й екранів, тобто порушення прямолінійності світла.
Дифракція світла визначає межі застосовності геометричної оптики. Виявляється, закон прямолінійного поширення світла й інші закони гео¬метричної оптики виконуються досить точно лише в тому випадку, коли розміри перешкод на шляху поширення світла набагато більші за довжи¬ну світлової хвилі. Огинання світлом перешкод обмежує розділювлльну здатність найважливіших оптичних інструментів — телескопа й мікро¬скопа.
7. Дифракційна решітка. Перед ознайомленням з дифракційною ре¬шіткою слід розглянути дифракційні картини в паралельних пучках спо¬чатку від однієї щілини, а потім від двох.
Дифракційна решітка — скляна тонка пластинка, на яку нанесено па¬ралельні штрихи з проміжками між ними. Ширина щілини й штриха по¬значається d і називається сталою решітки (або періодом решітки).
Дифракційна решітка служить для розкладання світла в спектр і ви¬мірювання довжини хвилі. Якщо на дифракційну решітку падає плоска монохроматична хвиля довжиною А., то відповідно до принципу Гюй-генса — Френеля кожну точку фронту хвилі можна прийняти за джере¬ло вторинних хвиль, які поширюються в усі боки. Хвилі, що йдуть від решітки у напрямі нормалі до решітки, мають однакові фази. Лінзою вони зведуться в одну точку, де в результаті інтерференції амплітуди цих хвиль додадуться. У цій точці буде спостерігатися вузька смужка моно¬хроматичного світла.
Хвилі, що йдуть під яким-небудь кутом ф у напрямі нормалі до решіт¬ки і мають сталу різницю фаз, також будуть зведені в одній точці (й у си¬метричній їй), де вони будуть інтерферувати. Умова спостереження диф¬ракційного максимуму запишеться так:
dsinφ = kλ , де k = 0, 1, 2, ... .
Звідси випливає, що положення максимумів світла залежить не від числа щілин, а тільки від довжини хвилі. Чим менша довжина хвилі ви¬промінювання, тим меншому значенню кута відповідає положення мак¬симуму. Таким чином, видиме оптичне випромінювання розтягається в спектр так, що внутрішнім краєм його є фіолетове оптичне випроміню¬вання, а зовнішнім — червоне. Значення k = 0 відповідає максимуму за напрямом для всіх довжин хвиль. Тому нульовий спектр являє со¬бою біле зображення щілини.
VІ. Заключний етап заняття
1.Закріплення матеріалу
1. Що є наслідком взаємодії хвиль?
2. Чи буде спостерігатися на поверхні води інтерференційна картина, якщо кинути у воду два камені одночасно?
3. Чи буде спостерігатися на поверхні води інтерференційна картина, якщо кинути у воду жменю піску?
4. Чому штрихи на дифракційних решітках мають розташовуватися гу¬сто один біля одного?
5. Чи залежить положення головних максимумів дифракційного спектра від кількості щілин решітки?
6. Чому дифракційні спектри всіх порядків починаються з фіолетової смуги, а закінчуються червоною?
7. Чому в центральній частині спектра, отриманого на екрані під час освітлення дифракційної решітки білим світлом, завжди спостеріга¬ється біла смуга?
2. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал з підручника:
Коршак Є.В. ЛяшенкоО.І. «Фізика-11» §57,58
Виконати завдання:
1. Чим зумовлюється райдужне забарвлення тонких нафтових плівок?
2. Чому товстий шар нафти не має райдужного забарвлення?
3. Решітки мають 50 і 100 штрихів на 1 мм. Яка з них дасть на екрані більш широкий спектр за інших однакових умов?
4. Знайдіть найбільший порядок спектра для жовтої лінії натрію з довжи¬ною хвилі 589 нм, якщо період дифракційної решітки 2 мкм. (Відпо¬відь: 3.)
|
>
Немає коментарів:
Дописати коментар