Презентация на тему "Интерференция. Дифракция"

Интерференция механических волн.Сложение волн
Что происходит со звуковыми волнами при
беседе нескольких человек, когда играет оркестр,
поет хор и т.д.?
Что мы наблюдаем, когда в воду одновременно
падают два камня
или капли?

Проследим это на механической модели

Мы наблюдаем
чередование
светлых и темных
полос.
Это означает, в что
любой точке
поверхности
колебания
складываются.

d1
d2
d
d1
d2
Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность
хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке равна целому
числу длин волн: Где k = 0,1,2…Минимальна если нечетному числу
полуволн.
d k
d (2k 1)
2

Интерференция.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется
постоянное во времени распределение амплитуд
результирующих колебаний, называется интерференцией.

Когерентные волны.

Для образования устойчивой
интерференционной картины
необходимо, чтобы
источники волн имели
одинаковую частоту и
разность фаз их
колебаний была постоянной.
Источники, удовлетворяющие
этим условиям, называются
когерентными.

Интерференция света

Для получения устойчивой интерференционной
картины нужны согласованные волны. Они должны
иметь одинаковую длину волны и постоянную
разность фаз в любой точке пространства.

Интерференция в тонких пленках.

Томас Юнг первым объяснил
почему тонкие пленки
окрашены в разные цвета.
Интерференция световых
волн - сложение двух волн,
вследствие которого
наблюдается устойчивая
во времени картина усиления
или ослабления световых колебаний в различных точках
пространства.

Схема опыта Юнга

Наблюдение интерференции в лабораторных условиях

Интерференционные максимумы и минимумы

Интерференционные максимумы наблюдаются в
точках, для которых разность хода волн ∆d равна
четному числу полуволн, или, что то же самое, целому
числу волн:
d 2k k ,
2
(k 0,1,2,3,...)
Амплитуда колебаний среды в данной точке
минимальна, если разность хода двух волн, равна
нечётному числу полуволн:

Мыльные пузыри

Кольца Ньютона

Плоско выпуклая линза с
очень малой кривизной
лежит на стеклянной
пластинке. Если её
осветить
перпендикулярным
пучком однородных
лучей, то вокруг темного
центра появится система
светлых и темных
концентрических
окружностей.

Расстояние между
окрашенными кольцами
зависит от цвета; кольца
красного цвета отстоят друг
от друга дальше, чем
кольца голубые. Кольца
Ньютона можно также
наблюдать в проходящем
свете. Цвета в проходящем
свете являются
дополнительными к цветам
в отраженном свете.

Если поместить между
пластинкой и линзой
какую-нибудь жидкость, то
положение колец
изменится (ρ станет
меньше). Из отношения
обоих значений λ для
одного цвета (одинаковая
частота) можно определить
скорость света в жидкости.

Дифракция- отклонение от прямолинейного распространения волн.

Дифракция световых волн

Опыт Юнга

Теория Френеля.

Волновая поверхность в любой момент времени
представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а
результат их интерференции.

Просмотр через капрон,
органзу
Круглое отверстие
Круглый экран

Дифракционная решёткаоптический прибор,
представляющий собой
совокупность большого
числа параллельных,
равноотстоящих друг от
друга штрихов
одинаковой формы,
нанесённых на плоскую
или вогнутую оптическую
поверхность.

Расстояние, через которое повторяются штрихи на решётке, называют периодом дифракционной решётки. Обозначают буквой d. Если

известно число штрихов (N), приходящихся на 1 мм
решётки, то период решётки находят по формуле: d = 1 / N мм.
Формула дифракционной решётки:
где
–
–
–
–
- угол
d - период решётки,
α - угол максимума
данного цвета,
k - порядок
максимума,
λ - длина волны.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

2 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Сложение волн. Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Что при этом происходит? Каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя так, будто другой волны не существовало. Если две волны встречаются в одном месте своими гребнями, то в этом месте возмущение усиливается. Если гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность не будет возмущена.

3 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной волны в отсутствие другой.

4 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Интерференция - сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды. Выясним, при каких условиях наблюдается интерференция волн. Одновременно возбудим две круговые волны. В любой точке М складываются колебания, вызванные двумя волнами. Амплитуды колебаний будут различаться, т.к. волны проходят различные пути. Но если расстояние между источниками много меньше путей, то амплитуды можно считать одинаковыми. Результат сложения зависит от разности фаз. Если разность хода равна длине волны, то вторая волна запаздывает на один период, т.е. в этом случае гребни совпадают.

5 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Условие максимумов. Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

6 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Условие минимумов. Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:

7 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Амплитуда колебаний в любой точке не меняется с течением времени. Интерференционная картина – определенное, неизменное во времени распределение амплитуд колебаний. Когерентные волны – волны, созданные источниками волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз их колебаний.

8 слайд

Описание слайда:

Интерференция механических волн. Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с ней происходит? Наличие минимума в данной точке интерфериационной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает вовсе.

9 слайд

Описание слайда:

Интерференция света. Свет представляет собой поток волн, следовательно, наблюдается интерференция света. Но получить интерференционную картину с помощью двух независимых источников света невозможно. Условие когерентности световых волн. Световые волны, излучаемые независимыми источниками света, не согласованы, а для интерференционной картины нужны согласованные волны, т.е. когерентные. Волны от различных источников некогерентны потому, что разность фаз волн не остается постоянной. Временная и пространственная когерентность световых волн.

10 слайд

Описание слайда:

Интерференция света. Интерференция в тонких пленках. Однако мы все наблюдали интерференционную картину, когда в детстве пускали мыльные пузыри. Томас Юнг объяснил возможность объяснения цветов тонких пленок сложением волн, одна их которых отражается от наружной поверхности пленки, а другая – от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных токах пространства.

11 слайд

Описание слайда:

Интерференция света. Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плосковыпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта картина имеет вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона.

12 слайд

Описание слайда:

Интерференция света. Длина световой волны. Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но позволяет измерить длину волны. Вприроде нет никаких красок, есть лишь волны разных длин. Глаз – сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, которому соответствует небольшая разница в длинах световых волн. При переходе из одной среды в другую длина волны изменяется.

13 слайд

Описание слайда:

Некоторые применения интерференции. Существуют специальные приборы – интерферометры: для точного измерения длин волн, показателя преломления газов и других веществ. Проверка качества обработки поверхностей. Просветление оптики (уменьшается доля отражаемой энергии света).

14 слайд

Описание слайда:

Дифракция механических волн. Нередко волна встречает на своем пути препятствия., которые она способна огибать. Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними. Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения волн или огибание волнами препятствий. Она присуща любому волновому процессу. Это явление можно наблюдать, если поставить на пути волны экран с узкой щелью. Если размеры щели меньше длины волны, то хорошо видно, что за экраном распространяется круговая волна. Если размеры щели больше длины волны, то волна проходит сквозь щель, не меняя своей формы, а по краям можно заметить искривление волновой поверхности.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Интерференция механических волн и света. Учитель физики С.В.Гаврилова

Волновая оптика Волновая оптика – раздел оптики, в котором свет рассматривается как электромагнитная волна.

Повторение Что вы знаете про электромагнитные волны? Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Скорость в вакууме самая большая.

Повторение Перечислите свойства электромагнитных волн. Отражаются; Выполняется закон прямолинейного распространения; Преломляются, отражаются, поглощаются; Плоскополяризованные; Интерференция и дифракция;

интерференция Механических волн Света Звука

Волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную разность фаз, называются когерентными.

Явление интерференции возможно, если Наложение когерентных волн Когерентные волны Усиление или ослабление волн в пространстве Постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн называется интерференцией. Условия интерференции

Условия интерференционных максимумов и минимумов Условие максимума Наблюдается светлая полоса d 2 , d 1 геометрический ход лучей; d=d 2 -d 1 геометрическая разность хода - разность расстояний от источников волн до точки их интерференции; Δ d = d∙n - оптическая разность хода – геометрическая разность хода, умноженная на относительный показатель преломления среды. Условие максимума Условие max - амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в данной точке, равна целому числу длин волн.

Условия интерференционных максимумов и минимумов Условие минимума Условие минимума Наблюдается тёмная полоса Условие min - амплитуда колебаний частиц среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу длин полуволн

Распределение энергии при интерференции Волны несут энергию При интерференции энергия перераспре- деляется Концентрируется в максимумах, не поступает в минимумы

История открытия интерференции света Явление интерференции света было открыто в 1802 году, когда англичанин Т. Юнг, врач, астроном и востоковед, человек с очень разносторонними интересами, провёл ставший теперь классическим "опыт с двумя отверстиями". 13 июня 1773 г. – 10 мая 1829 г.

Интерференция света Световые волны от различных источников (кроме лазера) некогерентны Когерентность достигается разделением света от одного источника на части Интерференцией света называется явление наложения световых пучков, в результате которого образуется картина чередующихся светлых и темных полос.

Классический опыт Юнга «Я сделал маленькую дырочку в оконной ставне и покрыл ее куском толстой бумаги, которую я проколол тонкой иглой. На пути солнечного луча я поместил бумажную полоску шириной около одной тридцатой дюйма и наблюдал ее тень или на стене или на перемещаемом экране. Рядом с цветными полосами на каждом краю тени сама тень была разделена одинаковыми параллельными полосами малых размеров, число полос зависело от расстояния, на котором наблюдалась тень, центр тени оставался всегда белым. Эти полосы были результатом соединения частей светового пучка, прошедших по обе стороны полоски и инфлектировавших, скорее дифрагировавших, в область тени». Т. Юнг доказал правильность такого объяснения, устраняя одну из двух частей пучка. Интерференционные полосы при этом исчезали, хотя дифракционные полосы оставались. Этот опыт наглядно доказал, что свет - не поток частиц, как считалось со времен Ньютона, а волна. Только волны, по-разному складываясь, способны и усиливать, и гасить друг друга - интерферировать.

Интерференционная картина: чередующиеся светлые и темные полосы Классический опыт Юнга Волны интерферируют в области перекрытия Условие max: Условие min: d- оптическая разность хода волн - длина волны

цвет Длина волны, нм Частота,ТГц красный 760-620 385-487 Оранже вый 620-585 484-508 жёлтый 585-575 508-536 зелёный 575-510 536-600 голубой 510-480 600-625 синий 480-450 625-667 Фиолето вый 450-380 667-789 Изучая интерференционные полосы, Юнг впервые определил длину и частоту световых волн разного цвета. Современные значения даны в таблице.

С помощью своей теории интерференции Юнг впервые сумел объяснить хорошо известное явление – разноцветная окраска тонких плёнок (масляные плёнки на воде, мыльные пузыри, крылья стрекоз…)

Интерференция в тонких пленках Когерентные световые волны, отражающиеся от верхней и нижней поверхности, интерферируют Результат интерференции зависит от толщины пленки, угла падения лучей и длины волны света В белом света пленка имеет радужную окраску, т.к. толщина пленки неодинакова и интерференционные максимумы для волн разной длины наблюдаются в разных местах пленки

Кольца Ньютона. Волны 1 и 2 когерентны. Волна 1 отражается от границы стекло-воздух Волна 2 – от границы воздух- стекло Интерференци-онная картина возникает в прослойке воздуха между стеклянными пластинами

Спасибо за внимание Д.З. §67- 69

Слайд 2

Интерференция света

• Интерференция - одно из наиболее убедительных доказательств волновых свойств.
• Интерференция присуща волнам любой природы.
• Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Слайд 3

Когерентные волны

• Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн были когерентными.
• Волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз, называются когерентными.
• Все источники света, кроме лазеров, некогерентные.

Слайд 4

Как можно наблюдать интерференцию света?

• Чтобы наблюдать интерференцию света, надо получить когерентные световые пучки.
• Для этого, до появления лазеров, во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получались путем разделения и последующего сведения световых лучей, исходящих из одного источника света.
• Для этого использовались щели, зеркала и призмы.

Слайд 5

Опыт Юнга

• В начале 19-го века английский ученый Томас Юнг поставил опыт, в котором можно было наблюдать явление интерференции света.
• Свет, пропущенный через узкую щель, падал на две близко расположенные щели, за которыми находился экран.
• На экране вместо ожидаемых двух светлых полос появлялись чередующиеся цветные полосы.

Слайд 6

Схема опыта Юнга

Слайд 7

Наблюдение интерференции в лабораторных условиях

Слайд 8

Интерференционные максимумы

Интерференционные максимумы наблюдаются в точках, для которых разность хода волн ∆d равна четному числу полуволн, или, что то же самое, целому числу волн.

Слайд 9

Интерференционные минимумы

Интерференционные минимумы наблюдаются в точках, для которых разность хода волн ∆d равна нечетному числу полуволн.

Слайд 10

Интерференция в тонких пленках

Мы много раз наблюдали интерференционную картину, когда наблюдали за мыльными пузырями, за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды.

Слайд 11

Объяснение интерференции в тонких пленках

• Происходит сложение волн, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а вторая - от внутренней.
• Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка.

Слайд 12

Объяснение цвета тонких пленок

• Томас Юнг объяснил, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн).
• Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины.

Слайд 13

Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки.

Слайд 14

Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Слайд 15

Кольца Ньютона

Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны.

Слайд 16

Интерференционная картина имеет вид концентрических колец.

Слайд 17

Объяснение «колец Ньютона»

• Волна 1 отражается от нижней поверхности линзы, а волна 2 - от поверхности лежащего под линзой стекла.
• Волны 1 и 2 когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1.

Слайд 18

Определение радиуса колец Ньютона

• Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга.
• Эти расстояния являются радиусами темных колец Ньютона, так как линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности.

Слайд 19

Определение длины волны

Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу, где R - радиус кривизны выпуклой поверхности линзы (k = 0,1,2,...), r - радиус кольца.

Слайд 20

Дифракция света

Дифракция света - отклонение волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибание волной малых препятствий.

Слайд 21

Условие проявления дифракции

где d - характерный размер отверстия или препятствия, L - расстояние от отверстия или препятствия до экрана.

Слайд 22

Наблюдение дифракции света

Дифракция приводит к проникновению света в область геометрической тени

Слайд 23

Соотношение между волновой и геометрической оптикой

• Одно из основных понятий волновой теории - фронт волны.
• Фронт волны - это совокупность точек пространства, до которых в данный момент дошла волна.

Слайд 24

Принцип Гюйгенса

Каждая точка среды, до которой доходит волна, служит источником вторичных волн, а огибающая этих волн представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени.

Слайд 25

Объяснение законов отражения и преломления света с точки зрения волновой теории

• Пусть плоская волна падает под углом на границу раздела двух сред.
• Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка этой границы сама становится источником сферических волн.
• Волны, идущие во вторую среду, формируют преломленную плоскую волну.
• Волны, возвращающиеся в первую среду, формируют отраженную плоскую волну.

Слайд 26

Отражение света

• Фронт отраженной волны BD образует такой же угол с плоскостью раздела двух сред, что и фронт падающей волны AC.
• Эти углы равны соответственно углам падения и отражения.
• Следовательно, угол отражения равен углу падения.

Слайд 27

Преломление света

• Фронт падающей волны AC составляет больший угол с поверхностью раздела сред, чем фронт преломленной волны.
• Углы между фронтом каждой волны и поверхностью раздела сред равны соответственно углам падения и преломления.
• В данном случае угол преломления меньше угла падения.

Слайд 28

Закон преломления света

• Расчеты показывают, что отношение синусов этих углов равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.
• Для данных двух сред это отношение постоянно.
• Отсюда следует закон преломления: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно для данных двух сред.

Слайд 29

Физический смысл показателя преломления

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света v в данной среде.

Слайд 30

Вывод

Законы геометрической оптики являются следствиями волновой теории света, когда длина световой волны намного меньше размеров препятствий.

Посмотреть все слайды