Урок 20. Проявление волновых свойств света
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 20. Проявление волновых свойств света

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Как зависит расстояние между интерференционными максимумами после прохождения дифракционной решётки от длины волны света и периода решётки?
В чём особенности CD и DVD дисков?

Глоссарий по теме:

Интерференция света – сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.

Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр – это пластинка с большим числом чередующихся прозрачных и непрозрачных полос

Основная и дополнительная литература по теме урок:

Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 104-105, 90-93.

Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Энциклопедия для детей. [Т. 16] Физика. В 2ч. – М.: Аванта +, 2008

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Мы много говорили на уроках о волновых свойствах света интерференции и дифракции. О приборах, которые используют эти свойства. Немного повторим, и начнём с интерференции света. При интерференции происходит усиление и ослабление волн при их наложении. Необходимо, чтобы волны были когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность хода должна быть кратной четному числу длин полуволн (формула 1).

Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность хода должна быть кратной нечетному числу длин полуволн (формула 2).

Различные цвета тонких пленок — результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхностей пленки. При отражении от верхней поверхности пленки происходит потеря полуволны. Следовательно, оптическая разность хода (формула 3)

Тогда условие максимального усиления интерферирующих лучей в отраженном свете следующее (формула 4)

Если потерю полуволны не учитывать, то (формула 5)

Проведём исследование интерференции света с помощью дифракционной решётки. Вспомним, что же такое дифракционная решётка. Дифракционная решётка – это пластинка с большим числом чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Проверим как зависит расстояние между интерференционными максимумами на экране от длины световой волны и периода дифракционной решётки. Увеличивая постепенно длину световой волны от 380 до 760 нм мы видим, что расстояние между максимумами интерференции увеличивается от 1,9 см до 3,8 см.

Можем сделать вывод, расстояние между интерференционными максимумами на экране прямо пропорционально длине световой волны.

Увеличивая период дифракционной решётки от 10мкм до 25мкм, мы наблюдает как уменьшается от 1,9 до 0,76см расстояние между интерференционными максимумами на экране, следовательно, можем сделать вывод, что расстояние между интерференционными максимумами на экране обратно пропорционально периоду дифракционной решётки.

Обратимся к формуле дифракционной решётки и сравним полученные нами результаты с теорией (формула 6).

k·λ=d·sinφ (6)

Смело можем утверждать, что расстояние между интерференционными максимумами прямо пропорционально длине волны падающего света и обратно пропорционально периоду дифракционной решётки.

Проведём второй опыт с CD и DVD дисками и лазерной указкой. Диски переливаются всеми цветами радуги. Вы видите цвет отраженного от них света из-за того, что диски представляют собой дифракционные решетки, работающие на отраженном свете. Положим диски на стол оптическими дорожками вверх, перпендикулярно поверхности стола установим экран. Направим луч от лазерной указки под углом около 45° к плоскости диска. На экране наблюдаем интерференционную картину. Опыт проведем поочерёдно с CD и DVD дисками и сравним результаты (рисунок 1).

Рис.1 Схема опыта с оптическим диском и лазерной указкой.

Для наглядности диск помещаем в аквариум с водой. От разных дисков луч отражается и образует максимумы интерференции под разными углами, которые различаются примерно в два раза (см. рисунок 2).

Рис. 2 Результаты опыта с лазерными дисками

Можно сделать вывод, что период дифракционной решётки, образованной DVD диском больше, чем период дифракционной решётки CD диска, то есть оптические дорожки на DVD диске расположены более плотно.

Проведите дома опыты самостоятельно, но будьте внимательны и осторожны, лазеры даже самой маленькой мощности могут представлять опасность для зрения. Попадая в глаза лазерный луч может привести к ожогу сетчатки и потере зрения. Зеркальные отражения лазерного луча также опасны, как и сам луч.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Вставьте слова в предложение: «Расстояние между интерференционными максимумами прямо пропорционально___________ и обратно пропорционально________________.

Варианты ответа: скорости распространения волны, длине волны, периоду дифракционной решётки, расстоянию между штрихами дифракционной решётки

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации варианты) длине волны, периоду дифракционной решётки ИЛИ длине волны, расстоянию между штрихами дифракционной решётки

2. Ответьте на вопросы:

В опыте с дифракционной решёткой максимумы для различных длин волн не совпадают. Но один из максимумов для всех длин волн расположен в одной точке. Что это за максимум?
В опыте с дифракционной решёткой длина волны меняется с 500 нм на 650 нм. Как изменилось расстояние между максимумами на экране?
На дифракционную решетку, имеющую 500 штрихов на 1 мм, падает монохроматический свет длиной волны 500 нм. Свет падает на решетку перпендикулярно. Какой наибольший порядок спектра можно наблюдать?

Если правильно ответите на все вопросы, появятся слова – волновые оптические явления

Правильные ответы:

1. главный

2. увеличилось

3. 4.