Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок
Наблюдение явлений интерференции и дифракции света
Разделы: Физика
Ход занятия
I. Актуализация знаний по теме “Интерференция света”(повторение изученного материала).
Учитель: Перед выполнением экспериментальных заданий повторим основной материал.
Какое явление называют явлением интерференции?
Для каких волн характерно явление интерференции?
Дайте определение когерентных волн.
Запишите условия интерференционных максимумов и минимумов.
Соблюдается ли закон сохранения энергии в явлениях интерференции?
Ученики (предполагаемые ответы):
– Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных. “Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны”. [8, стр.223]
– Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.
– Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
– На доске ученики записывают условия максимумов и минимумов.
Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.
| рисунок1 [7] – условия максимумов | рисунок2 [7] – условия минимумов |
 , ( )(разность хода волн равна четному числу полуволн) Волны от источников S1 и S2 придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”. А=2Хmax – амплитуда результирующей волны. |  , ()(разность хода волн равна нечетному числу полуволн) Волны от источников S1 и S2 придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”. А=0 – амплитуда результирующей волны. |
— фазы колебаний
— разность фаз
— фазы колебаний
— разность фазИнтерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.
– Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.
Следовательно, в явлениях интерференции и дифракции света соблюдается закон сохранения энергии. В области интерференции световая энергия только перераспределяется, не превращаясь в другие виды энергии. Возрастание энергии в некоторых точках интерференционной картины относительно суммарной световой энергии компенсируется уменьшением её в других точках (суммарная световая энергия – это световая энергия двух световых пучков от независимых источников).
Светлые полоски соответствуют максимумам энергии, темные – минимумам.
Учитель: Переходим к практической части урока.
Экспериментальная работа №1
“Наблюдение явления интерференции света на мыльной пленке”.
Оборудование: стаканы с раствором мыла, кольца проволочные с ручкой диаметром 30 мм. (см. рисунок 3)
Учащиеся наблюдают интерференцию в затемненном классе на плоской мыльной пленке при монохроматическом освещении.
На проволочном кольце получаем мыльную плёнку и располагаем её вертикально.
Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки (см. рисунок 4).
Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h
Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки.
При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – светлые полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки [9].
4. Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы).
5. Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.
Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.
6.Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.
Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.
Экспериментальная работа №2
“Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре”.
1. Учащиеся выдувают мыльные пузыри (См. рисунок 5).
2. Наблюдаем на верхней и нижней его части образование интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины [9].
Экспериментальная работа № 3.
“Наблюдение интерференции света на воздушной пленке”
Чистые стеклянные пластинки учащиеся складывают вместе и сжимают пальцами (см. рисунок №6).
Пластинки рассматривают в отраженном свете на темном фоне.
Наблюдаем в некоторых местах яркие радужные кольцеобразные или замкнутые неправильной формы полосы.
Измените нажим и пронаблюдайте изменение расположения и формы полос.
Учитель: Наблюдения в этой работе носят индивидуальный характер. Зарисуйте наблюдаемую вами интерференционную картину.
Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. (рисунок№ 7).
В проходящем свете условие максимума 2h=kl
II. Актуализация знаний по теме “Дифракция света” (повторение изученного материала).
Учитель: Перед выполнением второй части работы повторим основной материал.
Какое явление называют явлением дифракции?
Условие проявления дифракции.
Дифракционная решетка, ее виды и основные свойства.
Условие наблюдения дифракционного максимума.
Почему фиолетовый цвет ближе к центру интерференционной картины?
Ученики (предполагаемые ответы):
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.
Условие проявления дифракции: d 2.04.2008
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Интерференция света в тонких пленках
Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. На рисунке 17.9 изображена тонкая плоскопараллельная прозрачная пленка, на которую падают лучи света. В точке О свет частично отразится от верхней поверхности пленки (волна \(
1’\)), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С и, преломившись в точке В, выйдет в воздух параллельно волне \(
Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и давать интерференционную картину, которая определяется их оптической разностью хода \(\Delta = n_2(OC+CB)-n_1 \cdot OA \pm \frac<\lambda><2>\) где член \(\frac<\lambda><2>\) — обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела оптически более плотной среды. Если \(
1. Полосы равного наклона.
Как видно из последней формулы, интерференционная картина определяется значениями длины волны \(\lambda\), толщины пластинки h, показателя преломления n и угла падения \(
\alpha\). Для данных \(\lambda\), n и h каждому наклону соответствует своя интерференционная полоса. Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пленку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона.
Лучи 3, наклоненные под другим углом, соберутся в другой точке \(P’.\) Если оптическая ось линзы перпендикулярна поверхности пластинки, полосы равного наклона будут иметь вид концентрических колец с центром в фокусе линзы.
2. Полосы равной толщины.
На рисунке 17.10 изображена клиновидная пластинка (угол \(
\alpha\) между боковыми гранями мал). На нее падает свет, направление распространения которого совпадает с параллельными лучами \(
1»\) дают интерференционную картину в точке А’, которая определяется разностью хода этих лучей и будет зависеть от толщины h клина в месте падения на него луча. Лучи \(
Интерференционные полосы на поверхности пленки имеют одинаковую освещенность на всех точках поверхности, соответствующих одинаковым толщинам пленки, и называются полосами равной толщины.
Примером полос равной толщины являются кольца Ньютона, которые наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис. 17.11, а). Воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения линзы к краям. Отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки световые волны интерферируют между собой. При этом получается следующая картина: в точке соприкосновения наблюдается черное пятно, окруженное рядом концентрических световых и черных колец убывающей ширины (рис. 17.11, б).
Как для полос равного наклона, так и для полос равной толщины, положения максимумов зависят от \(\lambda.\) Поэтому при освещении монохроматическим светом получается система темных и ярких полос, а при наблюдении в белом свете интерференционная картина приобретает радужную окраску. Интерференцию можно наблюдать и в проходящем свете, причем в данном случае не происходит потери полуволны. В результате максимумы интерференции в отраженном свете соответствуют минимумам в проходящем и наоборот.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 508-510.
Как сказал.
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Список лекций по физике за 1,2 семестр
Я учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
Урок 53. (дополнительный материал) Лабораторная работа № 13 «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Лабораторная работа № 13
Тема: «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.
Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала (одна на класс), две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, штангенциркуль, капроновая ткань.
Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.
Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.
Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.
Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.
, ( Δd=d2-d1 )
(разность хода волн равна четному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.
А=2Хmax – амплитуда результирующей волны.
, ( Δd=d2-d1 )
(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.
А=0 – амплитуда результирующей волны.
Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.
Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.
Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).
Дифракция – явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.
Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.
Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Штрихи с определенным и постоянным для данной дифракционной решетки профилем повторяются через одинаковый промежуток d (период решетки). Способность дифракционной решетки раскладывать падающий на нее пучек света по длинам волн является ее основным свойством. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В современных приборах применяют в основном отражательные дифракционные решетки.
Условие наблюдения дифракционного максимума:
Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.
Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.
Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки
Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.
Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.
Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос о длины волн падающего цвета.
Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.
Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.
Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.
Ответьте на вопросы:
Опыт 3. Тщательно протрите две стеклянные пластинки, сложите вместе и сожмите пальцами. Из-за неидеальности формы соприкасающихся поверхностей между пластинками образуются тончайшие воздушные пустоты.
При отражении света от поверхностей пластин, образующих зазор, возникают яркие радужные полосы – кольцеобразные или неправильной формы. При изменении силы, сжимающей пластинки, изменяются расположение и форма полос. Зарисуйте увиденные вами картинки.
Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl
Ответьте на вопросы:
Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).
Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.
Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.
Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.
Опыт 5. Сдвигаем ползунок штангенциркуля до образования между губками щели шириной 0,5 мм.
Опыт 6. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.
Объяснение: В центре краста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.
Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.
Урок по физике на тему: Наблюдение интерференции
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Лабораторная работа по теме : «Наблюдение интерференции и дифракции света»
Цель работы: экспериментально изучить явление интерференции и дифракции.
Оборудование: электрическая лампа с прямой нитью накала, две стеклянные пластинки, стеклянная трубка, стакан с раствором мыла, кольцо проволочное с ручкой диаметром 30 мм., компакт-диск, капроновая ткань, светофильтр.
Теория: Интерференция – явление характерное для волн любой природы: механических, электромагнитных.
Обычно интерференция наблюдается при наложении волн, испущенных одним и тем же источником света, пришедших в данную точку разными путями. От двух независимых источников невозможно получить интерференционную картину, т.к. молекулы или атомы излучают свет отдельными цугами волн, независимо друг от друга. Атомы испускают обрывки световых волн (цуги), в которых фазы колебаний случайные. Цуги имеют длину около 1метра. Цуги волн разных атомов налагаются друг на друга. Амплитуда результирующих колебаний хаотически меняется со временем так быстро, что глаз не успевает эту смену картин почувствовать. Поэтому человек видит пространство равномерно освещенным. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимы когерентные (согласованные) источники волн.
Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Амплитуда результирующего смещения в точке С зависит от разности хода волн на расстоянии d2 – d1.
, ( Δd=d 2 -d 1 )
(разность хода волн равна четному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах и “усилят друг друга”.
А=2Х max – амплитуда результирующей волны.
, ( Δd=d 2 -d 1 )
(разность хода волн равна нечетному числу полуволн)
Волны от источников А и Б придут в точку С в противофазах и “погасят друг друга”.
А=0 – амплитуда результирующей волны.
Интерференционная картина – регулярное чередование областей повышенной и пониженной интенсивности света.
Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн.
Вследствие дифракции свет отклоняется от прямолинейного распространения (например, близи краев препятствий).
Существование этого явления (дифракции) ограничивает область применения законов геометрической оптики и является причиной предела разрешающей способности оптических приборов.
Условие наблюдения дифракционного максимума :
Поэтому фиолетовый цвет в дифракционном спектре располагается ближе к центру.
Опыт 1. Опустите проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка.
Расположите её вертикально. Наблюдаем светлые и тёмные горизонтальные полосы, изменяющиеся по ширине по мере изменения толщины плёнки 
Объяснение. Появление светлых и темных полос объясняется интерференцией световых волн, отраженных от поверхности пленки. треугольник d = 2h. Разность хода световых волн равна удвоенной толщине плёнки. При вертикальном расположении пленка имеет клинообразную форму. Разность хода световых волн в верхней её части будет меньше, чем в нижней. В тех местах пленки, где разность хода равна четному числу полуволн, наблюдаются светлые полосы. А при нечетном числе полуволн – темные полосы. Горизонтальное расположение полос объясняется горизонтальным расположением линий равной толщины пленки.
Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.
Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего цвета.
Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.
Если воспользоваться светофильтрами и освещать монохроматическим светом, то картина интерференции меняется (меняется чередование темных и светлых полос)
Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.
Опыт 2. С помощью стеклянной трубки выдуйте мыльный пузырь и внимательно рассмотрите его. При освещении его белым светом наблюдайте образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз. Их кольцеобразную форму объясняют кольцеобразной формой линий равной толщины.
Ответьте на вопросы:
Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску?
Какую форму имеют радужные полосы?
Почему окраска пузыря все время меняется?
Объяснение: Поверхности пластинок не могут быть совершенно ровными, поэтому соприкасаются они только в нескольких местах. Вокруг этих мест образуются тончайшие воздушные клинья различной формы, дающие картину интерференции. В проходящем свете условие максимума 2h=kl
Ответьте на вопросы:
Почему в местах соприкосновения пластин наблюдаются яркие радужные кольцеобразные или неправильной формы полосы?
Почему с изменением нажима изменяются форма и расположение интерференционных полос?
Опыт 4. Рассмотрите внимательно под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).
Объяснение : Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками в точках А и В. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.
Что вы наблюдаете? Объясните наблюдаемые явления. Опишите интерференционную картину.
Поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света. На мелкоструктурной поверхности проявляются дифракционные и интерференционные явления. Блики компакт- дисков имеют радужную окраску.
Опыт 5. Посмотрите сквозь капроновую ткань на нить горящей лампы. Поворачивая ткань вокруг оси, добейтесь четкой дифракционной картины в виде двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос.
Объяснение : В центре креста виден дифракционный максимум белого цвета. При k=0 разность хода волн равна нулю, поэтому центральный максимум получается белого цвета. Крест получается потому, что нити ткани представляют собой две сложенные вместе дифракционные решетки со взаимно перпендикулярными щелями. Появление спектральных цветов объясняется тем, что белый свет состоит из волн различной длины. Дифракционный максимум света для различных волн получается в различных местах.
Зарисуйте наблюдаемый дифракционный крест. Объясните наблюдаемые явления.
Дифракция на малом отверстии
Чтобы пронаблюдать такую дифракцию, нам потребуется плотный лист бумаги и булавка. С помощью булавки делаем в листе маленькое отверстие. Затем подносим отверстие вплотную к глазу и наблюдаем яркий источник света. В этом случае видна дифракция света
Контрольные вопросы (каждый ученик готовит ответы на вопросы):
Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?
Какова скорость света в вакууме?
Кто открыл интерференцию света?
Чем объясняется радужная окраска тонких интерференционных пленок?
Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?
Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?
Почему видимая радужная окраска мыльной пленки все время меняется?