Интерференция света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция: Интерференция света

Введение

Цель: Сформировать представление об интерференции как о волновом явлении, сформулировать условия наблюдения интерференции, рассмотреть методы наблюдения интерференции и ее применение.

Оборудование: ПК, проектор, экран, мыльный раствор.

1. Волновая природа света

В 17 веке Гюйгенс создал волновую теорию света. Согласно волновой теории, свет представляет собой упругую волну, распространяющуюся в особой среде - эфире.

Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн даст положение волнового фронта в следующий момент времени.

Волновым фронтом называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени. Принцип Гюйгенса позволяет анализировать распространение света и вывести законы отражения и преломления.

Развитие электродинамики Максвеллом показало, что свет по своей природе является электромагнитной волной.

В оптике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения - инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойствам свет принципиально неотличим от электромагнитных волн других диапазонов - различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны л.

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10-⁹ м.

Самая короткая длина волны видимого света принадлежит фиолетовому цвету (400нм), а самая длинная - красному (750нм).

В вакууме свет распространяется со скоростью . Напомню, что длина волны связана с частотой простым выражением: .

Итак, свет является волной и ему присущи все свойства волны, например, интерференция.

Интерференцией в широком смысле называют усиление или ослабление волн в точке их сложения. В дальнейшем будем рассматривать интерференцию света.

2. Интерференция света

В электромагнитной волне колеблются вектора напряженности электрического поля Е и вектор магнитной индукции магнитного поля В.. Опыт показывает, что в основном действие света определяется вектором напряженности электрического поля Е.

Рассмотрим сложение двух световых волн одинаковой частоты в некоторой точке пространства.

Амплитуда результирующих колебаний определяется выражением

Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды . Поэтому, наблюдаемая при наложении волн интенсивность

Результат сложения зависит от разности фаз . В тех точках пространства, для которых , ; в точках, для которых , .

Таким образом, при наложении световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией волн.

Чтобы усиление или ослабление света было стабильным необходимо, чтобы разность фаз колебаний была постоянна во времени. Волны, поддерживающие постоянную разность фаз в точке сложения, называются когерентными.

Обычные источники света не являются когерентными. Разность фаз некогерентных источников хаотически меняется, в результате чего в среднем равен нулю. Поэтому при наложении двух некогерентных световых волн интенсивность равна сумме интенсивности от каждой волны .

Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обеих интерферирующих волн одинакова I₁=I₂=I₀. Тогда согласно в максимумах I=4I_0, в минимумах же I=0. Для некогерентных волн при том же условии получается всюду одинаковая интенсивность I=2I₀.

Итак, интерференция света - это усиление или ослабление света при наложении когерентных световых волн.

Когерентные волны - волны, поддерживающие постоянную разность фаз в точке сложения.

Когерентные волны можно сказать это согласованные волны, согласованно складываются в некоторой точке.

Условия максимума и минимума света.

Теперь посмотрим, как можно узнать, где свет будет усиливаться, а где ослабляться.

Рассмотрим два источника монохроматических волн.

Свет с определенной длиной волны (постоянной) называется монохроматическим (одноцветным).

Произведение геометрической длины пути l световой волны в данной среде на показатель преломления этой среды n называется оптической длиной пути , а разность оптических длин проходимых волнами путей -- называется оптической разностью хода Д.

Д=n₂l₂ - n₁l₁ - оптическая разность хода.

1. Условие максимума.

Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн

Д = mл (m = 0, ±1, ±2, ...)

то в точке сложения произойдет усиление света. Это условие интерференционного максимума.

2. Условие минимума.

Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн плюс половина волны

Д = mл + л / 2(m = 0, ±1, ±2, ...)

то в точке сложения произойдет ослабление света. Это условие интерференционного минимума

Когерентность. Как видим для наблюдения устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы волны приходили в точку наложения с постоянной разностью фаз. Источники, удовлетворяющие этому условию, называют когерентными. Обычные источники света некогерентны, поскольку процесс излучения света атомами тела имеет случайный характер и ограничен во времени.

Методы наблюдения интерференции света.

Для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел.

Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S₁ и параллельные щели S₂. Таким образом, щели S₁ и S₂ играют роль когерентных источников.

Интерференционная картина наблюдается на экране, расположенном на некотором расстоянии параллельно S₁, и S₂. Юнгу принадлежит первое наблюдение явления интерференции.

Интерференция света в тонких пленках.

При падении световой волны на тонкую прозрачную пластинку (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две световые волны, которые при определенных условиях могут интерферировать.

В результате интерференции света в пленке мыльного пузыря или в масляной пленке на воде наблюдаются разноцветные линии. Цветные линии соответствуют усилению света определенной волны (красный, зеленый, голубой и т.д.) в пленке при условии равной толщины или равного наклона.

3. Применение интерференции

Просветление оптики.

Явление интерференции применяется для улучшения качества оптических приборов и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы сопровождается отражением 4 % падающего потока (при показателе преломления стекла 1,5). Так как современные объективы состоят из большого количества линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Для устранения этого и других недостатков осуществляют так называемое просветление оптики. Для этого на свободные поверхности линз наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы. При отражении света от границ раздела воздух-пленка и пленка-стекло возникает интерференция отраженных лучей. Толщину пленки d и показатели преломления стекла и пленки n подбираются так, чтобы отраженные волны гасили друг друга.

Так как добиться одновременного гашения для всех длин волн невозможно (показатель преломления зависит от длины волны), то это делается для цвета с (к нему наиболее чувствителен глаз). Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синевато-красный оттенок. гюйгенс интерференция электродинамика

Интерференционные светофильтры. Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной ). При прохождении света возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, которые при оптической толщине пленок будут взаимно усиливаться, т.е. коэффициент отражения возрастает. Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров.

Интерферометры.

Явление интерференции применяется в очень точных измерительных приборах - интерферометрах.

Применение интерферометров весьма многообразно. Они применяются для точного (порядка 10⁷ м) измерения длин, измерения углов, определения качества оптических деталей, исследования быстропротекающих процессов и др.

Таким образом:

- Интерференцией волн - это явление, возникающее при наложении световых волн, в результате которого происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности.

- Основным условием интерференции является когерентность волн.

Размещено на Allbest.ru