Урок на тему "Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція та дифракція"

Тема розділу: Хвильова та квантова оптика

Тема уроку: Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція та дифракція.

Мета уроку: сформувати уявлення про явища інтерференції та дифракції.

•                 ознайомити учнів зі способами одержання системи когерентних хвиль; зясувати умови спостереження інтерференції та дифракції світла.
•                 розвивати образне та критичне мислення, творчу уяву.
•                 виховувати почуття відповідальності, працелюбності, самостійності та уважності.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Вид уроку: набуття нових знань.

Міжпредметні зв’язки з предметами та професійні зв’язки: обладнання, хімія, біологія, матеріалознавство, перукарська справа.

Методи проведення уроку: евристичне бесіда, демонстрація, показ презентації.

Обладнання: комп’ютер, проектор, мультимедійна дошка, підручних, таблиці.

Хід уроку

1.            Організаційний момент

Перевірка присутніх та відсутніх на уроці

2.            Актуалізація опорних знань:

Фронтальне опитування:

1.               Які уявлення про природу світла нам уже відомі?
2.               Які властивості світла?
3.               Від чого залежить кут заломлення світла?

3. Повідомлення теми, мети й завдань уроку.

Тема: «Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція та дифракція».

Мета уроку: сформувати уявлення про явище інтерференції та дифракції.

4.       Мотивація навчальної діяльності:

Попередньо ми мали справу з однією хвилею, що поширюється від джерела. Але дуже часто в середовищі одночасно поширюється кілька різних хвиля.

Також ми ознайомилися з хвилями, які поширюються в однорідному середовищі. Тепер подивимося, що відбувається з хвилями, коли їх напрямляють на перешкоду, наприклад на тверду стінку.

5.       Сприймання й первинне осмислення нового матеріалу.

План вивчення теми:

1.               Історія відкриття інтерференції.
2.               Інтерференція світла та когерентні хвилі.
3.               Дослід Томаса Юнга.
4.               Умови максимума та мінімума інтерференції.
5.               Застосування інтерференції та прояв її у природі.
6.               Відкриття явища дифракції.
7.               Дифракція та її практичне застосування.

1.               Історія відкриття інтерференції.

Вперше явище інтерференції було незалежно виявлено Робертом Бойлем (1627—1691) і Робертом Гуком (1635—1703). Вони спостерігали виникнення різнобарвного забарвлення тонких плівок (інтерференційних смуг), подібних до олійних або бензинових плям на поверхні води.

2.               Інтерференція світла — перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) декількох світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Інтерференція хвиль — це явище, яке виникає в результаті процесу накладання декількох когерентних хвиль і полягає у збільшенні амплітуди коливань в одних ділянках простору і зменшенні — в інших.

Когерентні хвилі – це хвилі у яких однакова частота і фаза коливань з часом не змінюється.

3.               Дослід Томаса Юнга.

У 1801 році Томас Юнг (1773-1829), ввівши «Принцип суперпозиції», першим пояснив явище інтерференції світла, запропонував термін «інтерференція» (1803) і пояснив «квітчастість» тонких плівок. Він також виконав перший демонстраційний експеримент зі спостереження інтерференції світла, отримавши інтерференцію від двох щілинних джерел світла (1802). Пізніше цей дослід Юнга став класичним.

4.               Умови максимума та мінімума інтерференції.

Максимум інтенсивності світла в інтерференційній картині спостерігається в тих місцях, для яких оптична різниця ходу інтерферуючих променів дорівнює парному числу півхвиль:

Δ = ±kλ  (k = 0,1,2,…).

Мінімум інтенсивності спостерігається при оптичній різниці ходу, що дорівнює непарному числу на півхвиль:

Δ = ±(2k+1)λ/2.

5.               Інтерференція світла в тонких плівках

Отримати стійку інтерференційну картину для світла від двох розділених у просторі і незалежних один від одного джерел світла не так легко, як для джерел хвиль на воді. Атоми випромінюють світло цугами дуже малої тривалості, і когерентність порушується. Порівняно просто таку картину можна отримати, зробивши так, щоб інтерферували хвилі одного і того ж цуга. Так, інтерференція виникає при розділенні початкового променю світла на два промені при його проходженні через тонку плівку, наприклад плівку, що наносять на поверхню лінз у просвітленних об'єктивах.

Прояви інтерференції в природі:

•                 Веселкові кольори тонких плівок

•                 Просвітлення оптики

Поліпшення якості лінз за рахунок зменшення втрат інтенсивності  при відбиванні називається просвітленням оптики. 

Для просвітлення оптики використовуються тонкі плівки, матеріал яких підбирається так, щоб при нанесенні їх на поверхню лінзи для відбитих променів виконувалася умова мінімуму інтенсивності. Для просвітлення оптики показник заломлення плівки  повинен бути трохи меншим за показник заломлення того матеріалу з якого виготовлено лінзу.

Отримання інтерференційної картини:

•                 Кільця Ньютона

Іншим методом одержання стійкої інтерференційної картини для світла служить використання повітряних прошарків, засноване на однаковій різниці ходу двох частин хвилі: однієї − відразу відбитої від внутрішньої поверхні лінзи і інший − що пройшла повітряний прошарок під нею і лише потім відбилася. Її можна отримати, якщо покласти плосковипуклу лінзу на скляну пластину опуклістю вниз. При освітленні лінзи зверху монохроматичним світлом утворюється темна пляма в місці достатньо щільного зіткнення лінзи і пластинки, оточене чергуючимися темними і світлими концентричними кільцями різної інтенсивності. Темні кільця відповідають інтерференційним мінімумам, а світлі − максимумам, одночасно темні і світлі кільця є ізолініями рівної товщини повітряного прошарку. Вимірявши радіус світлого або темного кільця і ​​визначивши його порядковий номер від центру, можна визначити довжину хвилі монохроматичного світла. Чим крутіше поверхня лінзи, особливо ближче до країв, тим менше відстань між сусідніми світлими або темними кільцями.

•                 Застосування інтерференції

Сфери застосування інтерференції:

•                 наука (наприклад, в оптиці для дослідження структури спектрів, для визначення кутових розмірів небесних тіл),
•                 техніка (для поліпшення оптичних приладів шляхом просвітлення їх об’єктивів, для контролю якості шліфовки поверхонь деталей та ін.). 

Інтерферометр — прилад, у якому використовують інтерференцію для вимірювання довжини хвиль світла, показників заломлення прозорих середовищ тощо.

Інтерферо́метр Майкельсо́на — оптичний прилад, призначений для отримання і аналізу інтерференційної картини від когерентних світлових променів, що пройшли різний шлях. Прилад носить ім'я свого винахідника -Альберта Майкельсона.

6. Відкриття явища дифракції

Вікриття дифракції світла відбулося в 17 ст. італійським фізиком і астрономом Ф.Грімальді, а її пояснення було проведене на початку 19 ст. французьким фізиком О. Френелем, що стало одним з основних доказів хвильової природи світла.

7.               Дифракція та її практичне застосування

Дифра́кція — явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад,світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна оминати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо. Явище пояснюється інтерференцією хвиль на краях непрозорих об'єктів або неоднорідностях між різними середовищами на шляху поширення хвилі. Прикладом може бути виникнення кольорових світлових смуг в області тіні від краю непрозорого екрана.

Дифракція добре проявляється тоді, коли розмір перешкоди на шляху хвилі порівняний з її довжиною або менший.

Дифракція акустична — відхилення від прямолінійого поширення звукових хвиль.

Дифракційна ґратка (пристрій для вивчення закономірностей дифракції, дослідження спектрів і вимірювання довжин світлових хвиль) являє собою сукупність великого числа вузьких щілин однакової ширини, відокремлених непрозорими проміжками теж однакової ширини. (Принцип виготовлення сучасних ґраток такий: на загальному непрозорому фоні скла, вкритого тонким шаром алюмінію, мікрорізцем прорізують вузькі «вікна».)
Різні за якістю дифракційні ґратки мають від 300 до 1200 штрихів на міліметр (скла чи алюмінієвого покриття). Сума ширини прозорої ділянки ґратки і ширини непрозорої ділянки — це стала дифракційної ґраткиd.

Формула дифракційної ґратки , де  — ціле число.

Дифракція в природі

Дифракція звукових хвиль часто спостерігається в повсякденному житті, оскільки ми чуємо звуки, які долинають до нас з-за перешкод. Легко спостерігати огинання невеликих перешкод хвилями на воді.

Дифракція і рефракція хвиль на воді

Наукові й технічні використання явища дифракції — різноманітні. Дифракційні ґратки служать для розкладу світла в спектр й для створення дзеркал (наприклад,для напівпровідникових лазерів). Дифракція рентгенівських променів, електронів та нейтроніввикористовується для дослідження структури кристалічних твердих тіл.

Водночас дифракція накладає обмеження на роздільну здатністьоптичних приладів, наприклад, мікроскопів. Об'єкти, розміри яких менші за довжину хвилі видимого світла (400  760 нм) неможливо розглянути в оптичний мікроскоп. Схоже обмеження діє в методілітографії, який широко використовується в напівпровідниковій промисловості при виробництві інтегральних схем. Тому доводиться використовувати джерела світла в ультрафіолетовій області спектру.

6.  Закріплення нового матеріалу.

1.               Чому товстий шар нафти не дає радужного забарвлення?
2.               Для чого застосовують дифракційні гратки?
3.               Чому крила різних комах дають під різним кутом різне забарвлення?

7.  Про що ми дізналися на уроці.

Інтерференція хвиль — це явище, яке виникає в результаті процесу накладання декількох когерентних хвиль і полягає у збільшенні амплітуди коливань в одних ділянках простору і зменшенні — в інших.

Інтерферометр — прилад, у якому використовують інтерференцію для вимірювання довжини хвиль світла, показників заломлення прозорих середовищ тощо.

Дифра́кція — явище, що виникає при поширенні хвиль (наприклад,світлових і звукових хвиль).

8.       Повідомлення домашнього завдання

1.               Вивчити теоретичний матеріал за конспектом.
2.               Підготувати доповідь про метод голографії.

Висновок:

Під час вивчення теми «Світло як електромагнітна хвиля. Інтерференція. Дифракція» учні відкривають для себе дуже багато нового, що вони бачили навколо себе, але ніяк не могли це пояснити, розуміють, що не все так просто у нашій природі та навколо нас.

Учні побачили, що контроль якості оброблювальної поверхні отримується за допомогою «Кілець Ньютона». А кравці і перукарі розуміють, що основним їхнім приорітетом є те, що ножиці повинні мати гладеньку поверхню, інакше ні гарному платтю, ні красивій зачісці не з’явитися на світ, бо витвір мистецтва буде спотворений.

На наших улюблених фотоапаратах та всіх оптичних приладах, який турист повинен взяти із собою, теж відіграє важливу роль знань про «просвітлення оптики».