Дифракція світла
2-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
5. Хвильова й квантова оптика
УРОК 11/69
Тема. Дифракція світла
Мета уроку: ознайомити учнів з явищем дифракції світла й умовами її спостереження.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 3 хв. | 1. Що називають інтерференцією світла? 2. Що таке інтерференційний максимум? мінімум? 3. Застосування інтерференції світла. |
Демонстрації | 5 хв. | Відео-фрагменти фільму “Дифракція |
Вивчення нового матеріалу | 25 хв. | 1. Дифракція світла. 2. Принцип Гюйгенса-Френеля. 3. Дифракційна решітка. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Дифракція світла
Наявність чіткої тіні за освітленим об’єктом видавалася вагомим доказом прямолінійного поширення світла. Проте що далі перебуває від об’єкта його тінь, то більш розпливчастими стають її обриси.
Якщо на шляху пучка світла поставити невелике непрозоре
Досліди італійського вченого Гримальді в середині XVII ст. свідчили про те, що навіть в однорідному середовищі світло не завжди поширюється прямолінійно: поблизу країв перешкод воно загинається, відхиляючись від прямолінійного поширення.
O Дифракція світла – це явище огинання границь непрозорих тіл – країв отворів, вузьких щілин і екранів, тобто порушення прямолінійності світла.
Дифракція майже не помітна, коли ширина отвору набагато перевищує довжину хвилі. Натомість коли ширина отвору набагато менша за довжину хвилі, дифракція найбільш помітна. Із цієї причини не можна одержати пучок світла, товщина якого менша від довжини хвилі.
2. Принцип Гюйгенса-Френеля
Кількісну теорію дифракції розробив Френель, сформулювавши принцип, що згодом одержав назву принципу Гюйгенса-Френеля.
O Кожна точка хвильової поверхні є джерелом вторинної хвилі; вторинні джерела світла, які розташовані на одній хвильовій поверхні, є когерентними; хвильова поверхня в будь-який момент часу є результатом інтерференції вторинних хвиль.
Принцип Гюйгенса-Френеля зручний для опису поширення як механічних, так і електромагнітних хвиль.
Голландський фізик Х. Гюйгенс знайшов простий геометричний спосіб знаходження фронту хвилі в момент часу t + ?t, якщо відомо його положення в момент t. Для цього необхідно побудувати “огинальну” поверхню для “вторинних” сферичних хвиль (тобто поверхню, дотичну до всіх цих хвиль).
3. Дифракційна решітка
O Дифракційна решітка – це спектральний прилад, що використовують для розкладання світла в спектр і вимірювання довжини хвилі.
Назвемо періодом d дифракційної решітки сумарну ширину щілини й непрозорого проміжку: d = a + b.
Розглянемо вторинні світлові хвилі від точок A1 і A2 , які поширюються під кутом ф до напрямку первинної хвилі. Різниця ходу цих хвиль:
Отже, умова взаємного посилення двох вторинних хвиль має вигляд:
Де k = 0, 1, 2, …
Якщо ця умова виконується, то відповідні хвилі від точок A3, A4, … An теж мають однакові фази з розглянутими хвилями. Таким чином, рівність dsin? = k? є умовою максимуму освітленості. Значення k визначає порядок дифракційного максимуму. У всіх напрямках, для яких кут? не відповідає отриманій формулі, світлові хвилі практично не поширюються.
Положення максимумів світла не залежить від кількості щілин, а залежить тільки від довжини хвилі. Що менше довжина хвилі випромінювання, то меншому значенню кута відповідає положення максимуму. Таким чином, видиме оптичне випромінювання розтягується в спектр так, що внутрішнім краєм його є фіолетове, а зовнішнім – червоне оптичне випромінювання. Значення k = 0 відповідає максимуму за напрямком? = 0 для всіх довжин хвиль. Тому нульовий спектр являє собою біле зображення щілини.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. За яких умов дифракція хвиль проявляється особливо чітко?
2. Чому за допомогою мікроскопа не можна побачити атом?
3. Як за допомогою принципу Гюйгенса можна знайти нове положення фронту хвилі?
4. Як можна визначити положення фронту сферичної хвилі?
Другий рівень
1. Чому штрихи на дифракційній решітці повинні розташовуватися щільно один біля одного?
2. У яких випадках справедливі закони геометричної оптики?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Що ви побачите, подивившись на електричну лампочку крізь пташине перо?
2. Якщо, зіщуливши око, дивитися на нитку лампочки накалювання, то нитка здається облямованою світлими відблисками. Чому?
3. Решітки мають 50 і 100 штрихів на 1 мм. Яка з них дасть на екрані ширший спектр за інших рівних умов?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. На дифракційну решітку, що має N = 200 штрихів на міліметр, нормально падає світло довжиною хвилі? = 500 нм. Визначте:
А) найбільший порядок спектра;
Б) кут, під яким спостерігають максимум другого порядку.
Розв’язання. Формула дифракційної решітки має вигляд:
Де 
Звідси одержуємо:
Максимальному k відповідає sin? = 1, отже, 
Визначаємо значення шуканих величин:
2. Знайдіть найбільший порядок спектра для жовтої лінії натрію довжиною хвилі 589 нм, якщо період дифракційної решітки 2 мкм.
3. Дифракційна решітка, що має 100 штрихів на 1 мм, віддалена від екрана на 1,8 м. На якій відстані від центральної щілини перебуває перший максимум освітленості, якщо на решітку падає монохроматичне світло довжиною хвилі 410 нм?
4. Для вимірювання довжини світлової хвилі застосовують дифракційну решітку, що має 1000 штрихів на 1 мм. Максимум першого порядку на екрані отриманий на відстані 24 см від центрального. Визначте довжину хвилі, якщо відстань від дифракційної решітки до екрана 1 м.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Дифракція світла – це явище огинання границь непрозорих тіл – країв отворів, вузьких щілин і екранів, тобто порушення прямолінійності світла.
– Принцип Гюйгенса: кожну точку фронту хвилі можна розглядати як джерело вторинних хвиль. Нове положення фронту хвилі постає як огинаюча цих вторинних хвиль.
– Дифракційна решітка – це спектральний прилад, що служить для розкладання світла в спектр і вимірювання довжини хвилі.
– Умова спостереження дифракційного максимуму:
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 45; підр-2: § 21 (п. 3).
2. Зб.:
Рів1 № 14.14; 14.15; 14.16.
Рів2 № 14.39; 14.40; 14.41; 14.42.
Рів3 № 14.52, 14.53; 14.54; 14.55.
