Методична розробка теоретичного заняття

на тему: «Інтерференція світлових хвиль»

Дисципліна Фізика

Тема: «Інтерференція світлових хвиль»

Кількість навчальних годин: 2

І. Актуальність теми

Електромагнітні коливання поширюються в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Процес поширення змінного електромагнітного поля у просторі називають електромагнітною хвилею. Усім хвильовим процесам властиві явища інтерференції та дифракції. Детальніше розглянемо їх.

ІІ. Мета заняття

Познайомити студентів із фізичними явищами: інтеференцією, дифракцією;

Формувати навички узагальнення і систематизації під час пояснення фізичних явищ.

Навчальна:

• ознайомити студентів із способами одержання системи когерентних хвиль; з'ясувати умови спостереження інтерференції та дифракції світла.

Розвиваюча:

• розвивати творчі здібності студентів, образне та критичне мислення, творчу уяву.

Виховна:

• Розвивати кругозір, логічне та абстрактне мислення.
•  Виховувати почуття відповідальності, працелюбність, самостійність, уважність.

Студенти повинні знати:

• принципи поширення хвиль, явище інтерференції та дифракції.
• Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла

Студенти повинні вміти:

• розв’язувати графічні задачі,  переводити фізичні величини в систему СІ.
• Застосовувати закони відбивання і заломлення світла

IІІ. План та організаційна структура заняття

ІV. Матеріали методичного забезпечення заняття

1. Принцип незалежності світлових пучків. Звертаємо увагу учнів на те, що світлові пучки, поширюючись від різних джерел світла, не впливають один на одного. Вони поширюються крізь одну частину простору без взаємних перешкод, без викривлень. Цікавим є такий дослід. За допомогою двох проекційних апаратів на екрани проектуються два різні діапозитиви. У разі взаємного перетинання світлових пучків зображення на екранах не спотворюються. Вони будуть такими самими, як під час проектування кожного кадру окремо. У цьому й полягає принцип незалежності світлових пучків.

Світлові пучки, зустрічаючись, не впливають один на одного.

Спробуємо визначити сферу застосування цього принципу. Якщо двома 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 радіохвилі.

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 розподіл амплітуд результуючих коливань, називається інтерференцією (від лат. inter — взаємно, між собою і ferio — ударяю, уражаю).

Інтерференцією хвиль називається явище підсилення коливань в одних точках простору й ослаблення 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 спостерігатися тільки у разі додавання корельованих (взаємозалежних) коливань, 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 величинами — амплітудою, частотою й фазою. В означення когерентності входять 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 картина буде розмитою.

 Незважаючи на те що умова когерентності залишається однаковою для хвиль різної фізичної природи, способи здійснення когерентності, наприклад, для джерел звуку та джерел світла, були зовсім різними. Для одержання когерентних звукових хвиль можна скористатися двома незалежними 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 незалежно 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 спостерігається.

 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 розглядаються два методи: Френеля та Ньютона.

 За допомогою методу Френеля вивчається інтерференційний дослід із дзеркалами або біпризмою Френеля. У першому випадку використовується 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 поверхонь плівки, пояснюється їх приналежністю до одного й того самого світлового пучка.

 Якщо джерела когерентні та синфазні (тобто збігаються за фазою в часі), то в точках середовища, куди хвилі надходять, збігаючись за фазою, 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: Δx = kλ, де Δх — різниця ходу двох хвиль, a k = 0, 1,2, ... .

 Амплітуда коливань середовища в даній точці мінімальна, якщо різниця ходу двох хвиль, які збуджують коливання в цій точці, дорівнює непарному числу півхвиль: Δx = (2k + 1) .

Додаток 1

Питання для актуалізації знань

1. Що таке світло?
2. Чому ми бачимо і біле світло і різнокольорове?
3. Що відбувається зі світловими пучками, коли вони поширюються від різних джерел світла?

Додаток 2

Задачі для розв’язку біля дошки

 Розглянемо дві когерентні світлові хвилі, що їх випромінюють джерела S1 та S2. Область в якій ці хвилі накладаються , називається полем інтерференції , і в ній спостерігається чергування смуг з мах. та мін. інтенсивністю світла. Екран розміщено саме в цій області на відстані l>>d. Положення P на екрані, в якій утворюється мах. чи міn., характеризується координатою у. Визначити координати мах і міn і відстань між сусідніми міn (ширину інтерф. cмуги)

 Визначимо оптичну різницю ходу між променями що їх посилають в точку Р джерела S1і S2.

Додаток 3

Методи утворення когерентних джерел світла.

1. Дзеркало Ллойда.

Питання для підсумку заняття

1. Що називають хвильовим процесом?
2. Чи відбувається поширення енергії у просторі від джерела коливань?
3. За допомогою чого?
4. Що ми знаємо про незалежність поширення хвиль у середовищі?
5. Принцип суперпозиції механічних хвиль?
6. Що називають інтерференцією механічних хвиль?
7. Якщо хвилі  поширюються від двох когерентних джерел, що ми можемо побачити?

V. Література:

1. Божинова Ф.Я., Каплун С.В., Кірюхіна О.О.Лабораторні работи 10 клас. – Харків: «Ранок», 2014. - 48с.
2. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 9 кл. серед. загальноосв. шк.- К.: Освіта, 2002. 
3. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983.
4. Коршак Е.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика 10 клас. – Київ: «Генеза»,  2011. - 191 с.
5. Римкевич А.П., Римкевич П.А. Збірник задач 9-11кл. – Київ, 2011. - 176 с.