Без имени

  ПЛАН –КОНСПЕКТ УРОКА ПО ТЕМЕ «ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА». 

  Цель урока : продолжить формирование понятия интерференции, полученное при изучении механических волн ; продолжить формирование представлений о единстве электромагнитных волн и света ; раскрыть отношение теории и опыта при становлении волновой теории света.

  Оборудование : школьный графопроектор, приборы для демонстрации из набора «Волновая оптика» , L –микро, мыльный раствор.

Повторение изученного материала.

  Свет … С глубокой древности лучшие умы человечества пытались постичь его  тайны. Понять, что это такое. Первые теории о природе света –корпускулярная и волновая - появились в середине 17 века.

?  Что это были за теории?

  В 1966 году Ньютон проделал опыт, который вошёл в десятку самых  красивых экспериментов.

?  Расскажите о нём.

?  Какие лучи из всего спектра преломились сильнее?

?  От чего зависит степень преломления светового луча?

?  Какой вывод мы можем сделать из этого?

?  По какой формуле мы определяем показатель преломления луча?

    nф  vф =nкр vкр  vф < vкр  nф > nкр

?  Что значит «тело окрашено в зелёный цвет» , чёрный, белый.

?  Какой свет мы называем монохроматическим?

  Ньютон гениально провёл опыт, но, будучи сторонником корпускулярной теории, не смог его объяснить. Почему так долго была в тени волновая теория? Есть свойства, присущие только волнам.

?  Что это за явления?

  Любому волновому процессу  присущи явления интерференции и дифракции. Но почему же так долго учёные не могли  их обнаружить у световых волн.

Давайте вспомним, когда мы наблюдаем явление интерференции механических волн. Что происходит с частицей среды, до которой одновременно дошли две волны. Приложение

?  Какое условие должно выполняться, чтобы мы могли наблюдать устойчивую интерференционную картину?

?  Что такое когерентные волны? 

2 . Объяснение нового материала.

  Следовательно, для того, чтобы наблюдать устойчивую интерференционную картину световых волн, нужны были когерентные источники света. Остановимся поподробнее на этом вопросе. Интерференционную картину нельзя наблюдать, пользуясь двумя независимыми источниками. Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно сделать разность фаз постоянной. Дело в том, что каждый атом светящегося тела излучает свет очень недолго, в лучшем случае в течение времени порядка 10-8сек. Затем этот же или другой атом может снова возбудиться и начнёт излучать, но начальная фаза нового колебания уже не будет прежней. Следовательно, начальная фаза суммарной волны, излучаемой  всем источником быстро и непредсказуемо меняется. Если имеется две волны, излучаемые двумя разными источниками, то разность фаз между ними всё время изменяется. Поэтому такие волны некогерентны. Некогерентные волны также интерферируют, но положение интерференционной картины  быстро ( 108раз в сек ) изменяется, наблюдать её нельзя, экран кажется равномерно освещённым.

  Для наблюдения интерференционной  картины надо обеспечит когерентность двух волн. Это можно сделать различными способами. Например :

Опыт Юнга :  Приложение

В своём опыте  Юнг разделил свет, исходящий от одного источника монохроматического света, на две части при помощи экрана с двумя близко расположенными щелями. Получилось два когерентных источника, на экране образовалась устойчивая интерференционная картина. Посмотрите на рисунок и скажите, что наблюдается на экране?  Интерференционная картина света – это чередующиеся тёмные и светлые полосы. Используя условие макс и мин, Юнг впервые определил длину световой волны. Она оказалась для красных волн  примерно 350 нм, для фиолетовых 750 нм.

Бипризма Френеля : Приложение .А чуть позже во Франции независимо от Юнга  Френель тоже пытается доказать волновую природу света. Он не знает английского, поэтому не знаком с его трудами и  очень тяжело воспринимает известие о том, что всё, что он открыл было до него открыто Юнгом. Но он не пал духом. Френель изобретает прибор, до сих пор носящий его имя, и осваивающий новые специальности. Ещё совсем недавно при использовании плёночных фотоаппаратов необходимо было регулировать резкость изображения.  Теперь это делает маленький, гениально простой, но очень умный прибор, который не изменился за 250 лет. Это бипризма Френеля. Учёный создал её для наблюдения интерференционной картины. Уже само название говорит о том, что там две призмы с очень маленьким углом преломления, склеенные основаниями.

Демонстрация опыта с бипризмой Френеля (L микро )

  Лучи, проходящие через две половинки  бипризмы, отклоняются в противоположные стороны, их продолжения пересекаются в одной точке и вместо одного действительного мы получаем два мнимых изображения. В области, где накладываются волны о обоих источников, наблюдается интерференционная картина. Когерентность источников здесь обеспечена. Угол отклонения луча бипризмой зависит только от преломляющего угла призмы и её показателя преломления. Следовательно, продолжения всех лучей, преломлённых одной половинкой бипризмы, пересекутся в точке S1  , а другой  - в точке  S2 .

2.Зеркало Ллойда. Интерференционная схема с зеркалом Ллойда использует те же принципы, что и с бипризмой Френеля. Часть пучка света точечного источнка попадает на экран непосредственно, а другая часть – после отражения в плоском зеркале. На светлом пятне на экране появляется тень от зеркала, а выше возникло ещё одно освещенное пятно – отражение от зеркала. Если плавно поворачивать зеркало, то пятна совместятся и появится интерференционная картина.

Демонстрация опыта с зеркалом Лойда (L микро )  Приложение

3.Тонкие плёнки

Кто из нас не видел радужные круги на асфальте? И здесь мы видим проявление интерференции света. Причина –тонкая плёнка бензина на асфальте

Приложение   Приложение

3.Кольца Ньютона. В бипризме Френеля используется преломление лучей, в зеркале Ллойда – отражение. В 17 веке Ньютон проводит эксперимент, положивший начало современной оптике. ОН наблюдал явление, которое до сих пор называют кольца Ньютона. Несмотря на название, первым обнаружил эти кольца в 1663 г англичанин Роберт Бойль, затем повторил Роберт Гук. Когда-то Ньютон произнёс слова, ставшие крылатыми : «Я потому стою высоко, что стал на плечи гигантов».

  В отличие от своих предшественников, Ньютон подробно исследовал это явление, обнаружил закономерности, объяснил их на основе корпускулярной теории света  . В чём же удивительность этого простого эксперимента? Две стеклянные пластины зажаты в оправе. Одна из них слегка выпуклая, так что пластины касаются друг друга в какой-то точке. И в этой точке наблюдается нечто странное : вокруг неё возникают кольца. Выясним причину такого явления. Рассмотрим луч  , падающий на горизонтальную поверхность выпуклой пластины. Приложение

Часть этого луча 1  отражается от внутренней поверхности выпуклой пластины, остальная-2, проходя  через прослойку воздуха, отражается от горизонтальной поверхности другой пластины, вновь проходит воздушную прослойку, попадает на выпуклую часть линзы,  вновь в ней преломляется и выходит наружу. Лучи 1 и 2 когерентны, так как это две части одного луча. На рисунке видно, что между ними существует некоторое расстояние. На самом деле верхняя пластинка имеет очень маленькую кривизна, следовательно, лучи 1 и 2 совпадают. Происходит интерференция, результат которой зависит от разности хода волн 1 и 2 . Если она равна целому числу длин волн, то в этой точке будет увеличение яркости, если нечётное число полуволн – темнота. Через сто с лишним лет Томас Юнг «пролил свет» на причину этого явления, назвав её интерференцией.

  Демонстрация колец Ньютона с помощью графорпоектора (L микро )

?  Как вы думаете, от чего зависит результат интерференции в данной точке?

?  А что, если осветить пластинки белым светом, который имеет сложную?

?  Для какого количества волн из всего спектра может выполниться условие max?

  Следовательно, в этой точке будет наблюдаться яркое пятно определённого цвета. Для луча, упавшего рядом ближе к центру или дальше от него,  разность хода будет уже другая, поэтому  пятно будет уже другого цвета. И мы наблюдаем радужную окраску колец.  Эту картину можно наблюдать в проходящем и отражённом свете. Чем дальше от центра, тем круче становится воздушный клин, тем расстоянии между кольцами будет меньше. 

  При небольшом изменении выпуклой поверхности интерференционная картина легко искажается, поэтому кольца Ньютона можно использовать при контроле качества шлифовки плоских или сферических поверхностей.

  Известно, что Торричелли сам изготовлял линзы для оптических приборов. В Музее истории науки во Флоренции хранится его линза диаметром 83 миллиметра, изготовленная им за год до смерти. Уже после его кончины флорентийские астрономы вставили эту линзу в телескоп и направили его на Сатурн. Они не только увидели кольцо Сатурна, из-за которого тогда было столько споров, но даже тень от кольца на диске планеты.

  Без малого через 300 лет после этого наши современники физики взяли линзу из музея и решили сравнить с нынешними линзами при помощи дифракционной решетки, которая способна обнаружить в теле линзы неоднородности размером около одной десятитысячной миллиметра. Как писал несколько лет назад французский журналист Мишель Рузе: «В результате такого дифракционного исследования выяснилось, что линза Торричелли превосходит по своим качествам современную линзу».

  В записях Торричелли есть строчка: «И ангел был бы не в состоянии изготовить лучших сферических зеркал». Что это, похвальба? У него было слишком много своих пороков, чтобы ему нужно было приписывать чужие: Торричелли отличался в научных публикациях большой скромностью и сдержанностью. Значит, он знал, как делать сверхточные линзы, прибегая к, казалось бы, совершенно недостижимым в его время измерениям миллионных долей сантиметра! Как?..

  «К крайнему моему сожалению, я не могу раскрыть мой секрет, так как великий герцог предписал мне молчать о нем...» — писал Торричелли. Правда, в одном из писем к другу есть намек, что он использовал открытое и засекреченное им явление, которое мы называем сегодня интерференционными кольцами. Известно, что после смерти Торричелли разгадка его секрета хранилась в шкатулке, которая долго бродила среди его друзей. Потом ее потеряли. Лишь через 300 лет опубликованы были рукописи Торричелли, но той, которая была спрятана в шкатулке, среди них нет. И до сих пор никто не знает, где она. И до сих пор никто не знает, где могила гениального флорентийца. Поэтому, когда я смотрю на его портреты, мне всегда кажется, что над задорной эспаньолкой прячется в его мушкетерских усах улыбка, кажется, что Эванджелиста Торричелли смеется над нами.

  Теорию света Ньютона подверг резкой критике выдающийся немецкий поэт Гёте. Может быть не все знают, что Гёте был и видным естествоиспытателем. Он писал : «Утверждение Ньютона – чудовищное предположение. Не может быть, что самый прозрачный, самый чистый цвет – белый – оказался смесью цветных лучей».

А сейчас проведём небольшой эксперимент. Перед вами мыльный раствор и лист бумаги. Сверните лист в трубочку, окуните в мыльный раствор и подуйте. Давайте попробуем внимательно рассмотреть мыльный пузырь. Что вы видите?

Правильно, радужную окраску. Попробуем разобраться. Приложение  

  Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь. пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения. Приложение Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют. Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. 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.

  Интерференция в природе  Приложение  

Задание на дом : §16

Список используемых сайтов :

http://science. kamchatgtu. ru/

http://www. /

http://novmysl. finam. ru/

http:///

http://www. chitalnya. ru/

http://commons. wikimedia. org/wiki

http://fizportal. ru/taxonomy/term/212