Дифракция света
Определение понятия дифракции света — явления, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Рассмотрение содержания принципа Гюйгенса-Френеля. Анализ процесса прямолинейного распространения волн.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.05.2022 |
| Размер файла | 274,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра информационных технологий и интеллектуальных систем
Реферат по дисциплине: «Физика»
На тему: «Дифракция света»
Подготовила: студентка 1 курса, группы 21ИТ-3
Терещук Дарья Константиновна
Проверила: доцент, к.с.-х.н. Минюк Ольга Николаевна
2022
Оглавление
Введение
1. Дифракция света
2. Принцип Гюйгенса-Френеля
3. Дифракционная решетка
Заключение
Список использованных источников
Введение
Окружающий мир по своей природе является материальным. Физика -- это наука, которая изучает самые общие формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и другие) и их взаимные преобразования. Материя может существовать в двух формах: в виде вещества и поля. К первой форме материи относятся, например, электроны, протоны, атомы, молекулы и все вещества, из которых они построены. Ко второй-электромагнитные, гравитационные поля. Разные виды материи могут переходить друг в друга.
Большинство фактических сведений о природе и окружающих явлениях человек получил с помощью зрительного восприятия, созданного светом. Раздел физики, в котором изучают световые явления, называется оптика.
Свет по своей природе - явление электромагнитное, но оно одновременно проявляет волновые и квантовые свойства. С уменьшением длины волны все четче проявляются квантовые свойства света.
С точки зрения современных теорий неправильно было бы противопоставлять волновые и квантовые свойства света. Напротив, их можно сравнивать и сочетать на основе теории относительности и современных положений квантовой физики. С позиций современной физики нет разногласий между квантовыми и волновыми представлениями о свете - это разные свойства одного явления, и в этом состоит диалектическое единство материи.
Явления, в которых свет больше всего проявляет свои волновые свойства, рассматривает волновая оптика.
1. Дифракция света
Дифракция света -- явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.
Изначально под ней подразумевалось преломление световой волной препятствия. Однако сегодня данное толкование считается частичным. С более подробным изучением передвижения волны света под дифракцией стали подразумеваться разнообразные формы распространения света в неоднородной среде. Это может быть, как огибание препятствия, так и преломление волны из-за него. Кроме того, свет может переходить от точки к точке постепенно. Это образует криволинейный волновой пучок, что связано не с дифракцией, а с геометрической оптикой.
Таким образом, в волновой теории под дифракцией понимается любое отклонение от норм геометрической оптики. Суть процесса заключается в том, что свет при входе в геометрическую тень огибает препятствие.
Главным условием для возникновения дифракции является наличие препятствия и первоисточника света.
Длина препятствия не должна быть больше длины волны. В противном случае волна просто рассеется или будет заметна только вблизи. Чтобы можно было заметить постоянную картину дифракции, волны должны быть от разных источников. Этого добиться несложно: достаточно иметь один источник света и несколько препятствий. Когда волна попадает на препятствие, она становится новым световым источником. В результате данного взаимодействия световых волн от разных препятствий можно получить устойчивую дифракционную картину.
Так для возникновения дифракции длина световой волны должна быть соразмерна длине препятствия. Если размеры препятствия больше длины волны, то образуется тень, поскольку волны за нее не проникают. Если размер препятствия слишком мал, то свет с ним не взаимодействует. Чем меньше отверстие препятствия, тем быстрее световая волна расходится в стороны.
Получается, что дифракционное изображение напрямую связано с геометрическими особенностями препятствия.
2. Принцип Гюйгенса-Френеля
Среда называется однородной, если ее физические свойства по всему объему одинаковы во всех точках пространства. Среда называется изотропной, если ее физические свойства одинаковы по всем направлениям в пространстве.
Закономерности распространения волн любой природы в различных средах носят универсальный характер. Рассмотрим процесс распространения волн на поверхности воды.
Волны, возбуждаемые точечным источником S, распространяются на поверхности воды по всем направлениям с одинаковой по модулю скоростью v. Следовательно, фронт волны в этом случае будет иметь вид окружности (рисунок 1). Соответственно, если волна будет распространяться в однородной изотропной среде по всем направлениям в пространстве, то ее волновой фронт будет иметь вид сферической поверхности.
Рисунок 1 - Перемещение фронта волны
Общие закономерности процесса распространения волн объяснил Гюйгенс, сформулировав в «Трактате о свете» принцип, позволяющий определить положение волнового фронта с течением времени. Согласно принципу Гюйгенса:
· каждая точка среды, которой достиг волновой фронт в момент времени t, становится источником вторичных сферических волн. Новое положение волнового фронта через промежуток времени ф определяется огибающей волновых фронтов вторичных волн в момент времени t + ф.
Принцип Гюйгенса объясняет прямолинейное распространение волн в однородной среде. Поскольку в такой среде радиусы фронтов вторичных волн (v?t) одинаковы на всех участках (рисунок 2), то волновой фронт (А'В') плоской волны с течением времени перемещается в одном и том же направлении, оставаясь параллельным своему начальному положению АВ.
Рисунок 2 - Прямолинейное распространение волн (формулирование фронта плоской волны)
Однако различные волны в однородной среде не всегда распространяются прямолинейно, поскольку наблюдаются отклонения от закона прямолинейного распространения. Действительно, стоя за углом дома, мы хорошо слышим, что едет автомобиль, хотя не видим его, поскольку находимся в области «тени». Таким образом, звуковые волны как бы «заворачивают за угол», в то время как световым волнам этого сделать не удается.
Явление отклонения распространения волн от прямолинейного вблизи краев препятствий и огибания волнами препятствий получило название дифракции (рисунок 3).
Рисунок 3 - Дифракция волн на различных препятствиях
Принцип Гюйгенса позволяет находить только направление распространения волнового фронта и не затрагивает вопрос об амплитуде волны, а, следовательно, и об интенсивности распространяющихся по разным направлениям волн.
Изучая дифракцию света, французский физик Огюстен Жан Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн, которые являются когерентными. Принцип Гюйгенса -- Френеля позволил охарактеризовать явление дифракции количественно:
· все вторичные источники, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Для расчета амплитуды огибающей волны в данной точке пространства следует учесть интерференцию вторичных волн от всех участков волнового фронта в начальном положении.
Таким образом, согласно Френелю, дифракция света объясняется интерференцией вторичных волн от различных участков начального положения волнового фронта. Для наблюдения дифракции света используется дифракционная решетка.
3. Дифракционная решетка
Дифракционной решеткой называют оптический прибор, предназначенный для очень точного измерения длин волн и разложения света в спектр.
Дифракционная решетка состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов (щелей), нанесенных на стеклянную или металлическую поверхность. Длина решеток составляет 10--15 см. Они содержат 10 000--20 000 штрихов на 1 см.
Есть целых два вида дифракционных решеток: прозрачная и отражающая.
Прозрачная решетка представляет собой прозрачную тонкую пластину из стекла или прозрачного пластика, на которую нанесены штрихи. Штрихи эти как раз и являются препятствиями для световой волны, сквозь них она не может пройти. Ширина штриха - это и есть, по сути, период дифракционной решетки d. А оставшиеся между штрихами прозрачные зазоры - это щели. Такие решетки наиболее часто применяются при выполнении лабораторных работ.
Отражающая дифракционная решетка - это металлическая либо пластиковая и отполированная пластина. Вместо штрихов на нее нанесены бороздки определенной глубины. Период d соответственно это расстояние между этими бороздками. Простым примером отражающей дифракционной решетки может быть оптический CD диск.
Рассмотрим дифракционную решетку, представляющую собой систему из N одинаковых равноотстоящих параллельных щелей (прозрачные участки) в плоском непрозрачном экране (рисунок 4). Если ширина каждой щели b, ширина непрозрачной части между щелями а, то величина d = a + b называется постоянной решетки или ее периодом.
Рисунок 4 - Условие образования главных максимумов на дифракционной решетке
Пусть на решетку, постоянная которой равна d, падает плоская волна, длина которой л. Из принципа Гюйгенса следует, что волны, дифрагировавшие на щелях, распространяются за ней по всем направлениям.
Собирающая линза фокусирует параллельные лучи (вторичные волны) в одну точку на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы. Далее вторичные волны, испущенные разными щелями, интерферируют на экране, усиливая или ослабляя друг друга в зависимости от разности хода между ними. Таким образом, на экране получается дифракционная картина в виде системы светлых и темных полос.
Наиболее яркие дифракционные максимумы получили название главных дифракционных максимумов. Условие образования главных дифракционных максимумов, наблюдаемых под углами с использованием дифракционной решетки, имеет вид:
dsinб=mл
Здесь m = 0, ±1, ±2, ... -- порядок максимума, или порядок спектра,
л -- длина волны падающего излучения.
Полученное условие образования главных дифракционных максимумов имеет наглядный физический смысл: на отрезке, равном разности хода от соседних щелей Дl=dsinб=mл укладывается целое число длин волн.
В этом случае вторичные волны от всех щелей решетки приходят в точку наблюдения синфазно (с фазами, отличающимися на число, кратное 2pi) и усиливают друг друга.
Таким образом, дифракционная картина на экране представляет собой чередующиеся максимумы и минимумы интенсивности излучения. Центральный максимум (m = 0) называется нулевым. Дифракционные максимумы, соответствующие m= 1, образуют спектр первого порядка, m = 2 -- спектр второго порядка и т. д. (рисунок 5).
Рисунок 5 - Дифракционные спектры, полученные с помощью решетки, содержащей 500 штр/мм
Дифракционные решетки, применяемые для работы в различных областях спектра, отличаются размерами, формой, материалом поверхности, профилем штрихов и их частотой.
Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых очках. дифракция свет оптика
Заключение
Дифракция - отклонение распространения волн от законов геометрической оптики вблизи препятствий (огибание волнами препятствий).
Дифракция объясняется с помощью принципа Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени, т. е. волна заходит в область геометрической тени.
Дифракционные решетки нашли свое применение во многих научных исследованиях. Например, этот прибор лег в основу рентгеноструктурного анализа - самого распространенного метода определения структуры вещества. Этот способ заключается в измерении параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгеновских лучей.
Сегодня изделия дифракционной оптики применяются для научных исследований в области экологии. Например, в составе гиперспектральных камер для оценки качества воздуха. С их помощью определяют состав и состояние объекта съемки, фиксируя спектральные характеристики каждого пикселя на изображении.
Список использованных источников
1. Нагибина, И.М. Интерференция и дифракция света. - М.: Издательство: Машиностроение, 1985. - 360 с.
2. Каули. Дж. Физика дифракции. - М.: Наука, 1979. - 432 с.
3. Кучерук И. М., Горбачук И. Т. Оптика. - К.: Высшая шк., 1995. - 45 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Основы теории дифракции света. Эксперименты по дифракции света, условия ее возникновения. Особенности дифракции плоских волн. Описание распространения электромагнитных волн с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Дифракция Фраунгофера на отверстии.
презентация [1,5 M], добавлен 23.08.2013Дифракция механических волн. Связь явлений интерференции света на примере опыта Юнга. Принцип Гюйгенса-Френеля, который является основным постулатом волновой теории, позволившим объяснить дифракционные явления. Границы применимости геометрической оптики.
презентация [227,5 K], добавлен 18.11.2014Огибание волнами препятствий, встречающихся на пути. Отклонения законов распространения волн от законов геометрической оптики. Принцип Гюйгенса. Амплитуда распространяющихся лучей. Суперпозиция когерентных волн, излучаемых фиктивными источниками.
реферат [428,8 K], добавлен 21.03.2014Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны. Основные виды дифракции. Объяснение проникновения световых волн в область геометрической тени с помощью принципа Гюйгенса. Метод фон Френеля.
презентация [146,9 K], добавлен 24.09.2013Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны - задача изучения дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, увеличение интенсивности света с помощью зонной пластинки.
презентация [146,9 K], добавлен 18.04.2013Перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн от конечного числа дискретных источников. Объяснение дифракции с помощью принципа Гюйгенса. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод сложения амплитуд. Дифракция от круглого отверстия.
презентация [3,7 M], добавлен 25.07.2015Рассмотрение дифракции - отклонения световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий. Волновые свойства света. Принцип Гюйгенса–Френеля. Строение дифракционной решетки.
презентация [1,4 M], добавлен 04.08.2014Понятие дифракции световых волн. Распределение интенсивности света в дифракционной картине при освещении щели параллельным пучком монохроматического света. Дифракционная решетка, принцип Гюйгенса - Френеля, метод зон. Дифракция Фраунгофера одной щели.
реферат [43,7 K], добавлен 07.09.2010Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.
реферат [168,2 K], добавлен 25.11.2008Обзор дифракции в сходящихся лучах (Френеля). Правила дифракции световых волн на круглом отверстии и диске. Схема дифракции Фраунгофера. Исследование распределения интенсивности света на экране. Определение характерных параметров дифракционной картины.
презентация [135,3 K], добавлен 24.09.2013
