Урок "Інтерференція світла"

Урок на тему: “Інтерференція”

(підготувала викладач фізики та астрономії

к.т.н. Бехтір Олена Володимирівна)

Мета: ознайомити учнів з умовами виникнення інтерференції та дати основні поняття про когерентність хвиль та інтерференцію світла

Тип уроку: комбінований урок.

Демонстрації:

- презентація “Інтерференція світла”

- фрагменти відеофільму “Інтерференція”

- інтерактивна симуляція “Інтерференційний експеримент Юнга”

 

Зміст уроку

1.  Організаційний момент (перевірити наявність учнів та їх готовність до уроку)

2. Ознайомлення учнів з темою та метою уроку. Мотивація навчання. Актуалізація опорних знань.

3. План викладення нового матеріалу

3.1 Основні поняття про інтерференцію світла.

3.2 Дослід Юнга.

3.3 Когерентність.

3.4 Умови максимуму та мінімуму інтерференційної картини.

3.5 Практичне застосування інтерференції

3.6 Розв’язування задач

4. Пояснення вчителя. Розгляд основних питань. Виклад нового матеріалу. Застосування технічних засобів. Робота з елементами презентацій, інтерактивною симуляцією, відеоматеріалом.

4.1 Основні поняття про інтерференцію

Показую слайди №1-2 презентації.

 Слово “інтерференція” запровадив в оптику в 1801 році англійський учений  Юнг.

 У перекладі з англійської (interference) це слово  означає “втручання”, “зіткнення”, “зустріч”.

Юнг використав його в розумінні “зустріч променів”, “перетин променів”.

 

Показую слайд №3 презентації.

 Інтерференція — це явище, яке виникає при взаємодії світлових хвиль. У результаті інтерференції можна спостерігати характерну картину, що являє собою закономірне чергування максимумів та мінімумів (світлих та темних смуг або кілець).

Суть явища інтерференції полягає в тому, що в одних місцях світлові хвилі підсилюють одна одну, а в інших послаблюють, у результаті чого ми бачимо чергування темних та світлих смуг або кілець.

 

Показую слайд №4 презентації.

 На малюнку 1 схематично показано, як хвилі підсилюють і гасять одна одну.

           Малюнок  1 — Взаємодія когерентних хвиль

 

Юнг так сформулював закон, який він відкрив: “Скрізь, де дві частини одного й того самого світла потрапляють в око різними шляхами, або точно, або дуже близькими напрямами, світло сильніше там, де різниця шляхів є цілим кратним певної довжини, і слабкіше в проміжних станах частин, що інтерферують; ця довжина різна для світла різних кольорів”.

Хвильовим процесом називають процес розповсюдження коливань. Коливання являють собою періодичні зміни певної величини.

Електромагнітні хвилі – це швидкозмінні електричні та магнітні поля, які змінюються в залежності від властивостей джерела світла та середовища, де вони розповсюджуються. Тобто процес розповсюдження електромагнітного поля в просторі являє собою електромагнітні хвилі.

 Якщо по осі абсцис відкласти поточний час , а по осі ординат – зміщення точки, що коливається, то розповсюдження світлової хвилі можна представити графічно у вигляді синусоїди. Таку хвилю називають гармонійною.

 Період коливань - це час, протягом якого відбувається одне повне коливання. Період коливань виражають у секундах.

 Довжиною хвилі λ називають відстань, яку проходить світлова хвиля за одне повне коливання, тобто протягом одного періоду . Довжина хвилі , де - швидкість розповсюдження хвилі.

 Відстань, що дорівнює λ, відділяє точки, в яких коливання здійснюються в одній фазі.

 Величину ω у застосуванні до коливального руху називають круговою або циклічною частотою, яка показує скільки повних коливань відбувається за 2π секунд. Вимірюється у рад/с.

 Величина називається частотою коливань. Частота ν – обернена періоду, тобто , вона відповідає кількості коливань в одну секунду. Одиниця виміру частоти – Гц.

 У загальному випадку при гармонійному коливальному русі необхідно враховувати початкову фазу коливань , яка визначає стан коливань у початковий момент часу . Тоді фаза коливань записується таким чином:

 

 Введення сталої величини означає зсув графіка на деяку величину.

При складанні двох хвиль однакової частоти має місце явище інтерференції, суть якого полягає в тому, що в одних місцях світлові хвилі підсилюють одна одну, а в інших – послаблюють.

У результаті інтерференції спостерігається характерна картина закономірного чергування максимумів та мінімумів освітленості у вигляді інтерференційних смуг або кілець.

 

4.2 Дослід Юнга

Показую слайд №5 презентації.

Перша експериментальна установка для демонстрації явища дифракції була створена Юнгом у 1802 році. Юнгу вдалося отримати контрастну інтерференційну картину від двох щілин при використанні звичайного джерела світла. На мал. 2 подана принципова схема досліду Юнга.

Малюнок 2 – Схема Юнга

 З центру S малого джерела випромінювання 1 виходить сферична хвиля W, яка потрапляє на два вузьких щілинних отвори S₁ та S₂ в екрані 2, розташованих поруч (на відстані не більше 1 мм один від одного) та однакових відстанях від джерела 1.

 Світлові хвилі досягають малих отворів S₁ та S₂ в однаковій фазі та в один і той же час. Ці отвори працюють як вторинні точкові джерела когерентних хвиль.

 Світлові пучки від отворів S₁ та S₂ перекриваються позаду екрану 2 та інтерферують. Стійку інтерференційну картину можна спостерігати на екрані 3. Ця інтерференційна картина складається з темних та світлих прямих інтерференційних смуг, які знаходяться на однакових відстанях одна від одної та розташовані паралельно щілинам S₁ та S₂.

 Робота з інтерактивною симуляцією “Інтерференційний експеримент Юнга”

https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=opt_interference&l=ua

 

Стійку у часі та досить контрастну інтерференційну картину дають лише когерентні хвилі, тобто хвилі з однаковою частотою та сталою різницею фаз.

 

4.3 Когерентність

Показую слайд №6 презентації.

 Для того, щоб зрозуміти, що таке когерентність давайте пригадаємо, що відбувається, коли ми кидаємо камінець у воду. У місці падіння камінця у воду розходяться колами хвилі.

 Якщо  у воду кинути одночасно два камінці так, щоб вони впали поруч, то можна побачити як переплітаються дві системи хвиль. Однак ця картина дуже швидко щезає.

 Для того, щоб створити стійке переплетіння хвиль (їхню інтерференцію) потрібно, щоб джерела посилали імпульси неперервно та узгоджено, тобто щоб хвилі однакової довжини виходили зі сталою різницею фаз.

 Таку узгодженість джерел називають когерентністю.

 Прикладом джерела когерентного випромінювання є лазер.

 

4.4 Умови максимуму та мінімуму інтерференційної картини

Показую слайд №7 презентації.

 У точках зустрічі хвиль, для яких різниця ходу дорівнює цілому числу довжин хвиль (- умова максимуму), коливання знаходяться у співпадаючих фазах, а тому спостерігаються максимуми результуючої інтенсивності.

При різниці ходу хвиль, що складаються, у непарну кількість на півхвиль, коливання, які складаються, будуть у протилежних фазах, тобто результуюча інтенсивність буде дорівнювати нулю ( - умова мінімуму).

 

4.5 Практичне застосування інтерференції.

 Інтерферометри — це прилади, які дозволяють робити різні оптичні  вимірювання з високою точністю; їх нині використовують в науці та техніці.

 

Показую фрагмент відеофільму “Інтерференція”

https://www.youtube.com/watch?v=_kf7guE1AMw&t=8s

 

 

4.6 Розв’язування задач

 

Показую слайд №8 презентації. 

 Задача №1. Знайти всі довжини хвиль видимого діапазону спектра, які при оптичній різниці ходу 1,8 мкм променів, що інтерферують, будуть:

а)  максимально підсилені

б) максимально послаблені

Дано:

Знайти:

Розв’язок:

Видимий діапазон 0,4-0,76 мкм.

а) Умова максимуму: , звідси , де

- видимий діапазон

- видимий діапазон

б) Умова мінімуму: , звідси , тобто , де

 

- видимий діапазон

- видимий діапазон

- видимий діапазон

Відповідь: максимально підсилені будуть довжини хвиль 0,6мкм та 0,45мкм, а максимально послаблені — 0, 72мкм, 0,514мкм та 0,4мкм.

 

Показую слайд №9 презентації.

 Задача №2. На відстані від екрана розміщено два когерентних джерела світла S₁ та S₂, з довжиною хвилі .  Відстань між джерелами . Чому дорівнює відстань між найближчими максимумами освітленості на екрані?

Дано: , ,

Знайти:

Розв’язок:

Будемо для зручності вважати, що хвилі випромінюються з однаковими фазами. Тоді в рівновіддаленій від джерел точці О буде максимум освітленості, а в точці М наступного максимуму різниця ходу хвиль дорівнюватиме довжині хвилі .

Оскільки і , де і , дістаємо .

Скориставшись малістю та у порівнянні з , можна спростити останнє рівняння. Помноживши та розділивши його ліву частину на “спряжений” вираз , який приблизно дорівнює ,  дістаємо . Звідки обчислюємо

Відповідь: 2 мм.

 

 

5. Розвиток логічного мислення учнів. Закріплення вивченого матеріалу.

Розгадування кросворду.

 

Показую слайд №10 презентації.

 

Доступ до кросворду до посиланням https://onlinetestpad.com/f5e7qp6nwexu6

 

6. Підсумок уроку.

Підводимо підсумок: про що ми дізналися під час цього уроку?

 

1. Інтерференцією хвиль називається явище підсилення коливань в одних точках простору й ослаблення в інших у результаті накладання двох або декількох хвиль, які надходять у ці точки.
2. Когерентні хвилі — це хвилі, що мають однакову частоту й незмінний зсув фаз у кожній точці простору.
3. Умова максимуму інтерференційної картини:  , де - різниця ходу двох хвиль, .

 

4. Умова мінімуму інтерференційної картини:

 

7. Домашнє завдання.

 

7.1 Прочитати §33, стор. 125-129

7.2 Розв’язати задачу № 2.86, стор. 137.

 

Підручник:

Сиротюк В.Д. Фізика і астрономія (рівень стандарту, за навч. програмою авт. кол. під керівництвом Ляшенка О.І.): підруч. для 11-го кл. закл. заг. Серед. освіти / Володимир Сиротюк, Юрій Мирошніченко. - Київ: Генеза, 2019. - 368 с.: іл.

Скачати можна за посиланням: 11-klas-fizika-astronomiia-syrotuk-2019.pdf