План-конспект урока. физика. 11 класс. тема Световые волны

Урок

Световые волны

Цель урока: рассмотреть суть понятия световых волн, интерференцию и дифракцию световых волн, изучить условия их возникновения; рассмотреть устройство и принцип действия дифракционной решетки.

План урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Изучение нового материала

1.) Интерференция света

2.) Дифракция света

3.) Дифракционная решетка

4. Закрепление изученного материала

5. Домашнее задание: § 16, № 11.15, № 11.20, № 11.25, № 11.27

6. Итог урока

Ход урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Изучение нового материала

Рассматривая свет, мы с вами говорили о том, что свет обладает двойственной природой (корпускулярно - волновой дуализм). То есть свет одновременно рассматривается как поток световых частиц (корпускул), так и как электромагнитная волна. Сегодня на уроке мы с вами познакомимся с основами волновой или электромагнитной теорией света. Итак, тема урока «Световые волны».

Согласно электромагнитной теории света свет представляет собой поперечную электромагнитную волну.

СВЕТ - это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом.

Интервал частот световых волн : 4,010¹⁴ Гц 7,510¹⁴ Гц

Скорость распространения световых волн в вакууме: с=310⁸м/с

А для любой волны (механической и электромагнитной) справедливы такие интересные свойства, как интерференция и дифракция.

Интерференция световых волн

Интерференция - это явление сложения в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний.

Рассмотрим две волны, распространяющиеся в пространстве от двух источников О₁ и О₂.

Пусть эти источники волн будут когерентными, только в этом случае возможно наблюдение устойчивой интерференционной картины.

Когерентные источники - это источники волн с одинаковой частотой и с постоянной разностью фаз.

Пусть эти рассматриваемые когерентные волны встречаются в точке М, в этой точке происходит сложение этих волн. Результат сложения волн, приходящих в точку М, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d₁и d₂, волны имеют разность хода Δd= d₂- d_{1 .}

Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна по сравнению с первой ровно на один период. Следовательно, в этом случае гребни, как и впадины обеих волн совпадают.

То же самое будет происходить, если на отрезке Δd укладывается не одна, а любое целое число длин волн. В этом случае говорят, что выполняется условие максимумов интерференции.

Условие максимумов интерференции

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

Δd=kλ_, где k=0,1,2….

В случае если на отрезке Δd укладывается половина длины волны, то вторая волна отстаёт от первой на половину периода, то колебания будут происходить в противофазе и будет выполняться условие минимумов.

Условие минимумов интерференции

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу длин волн:

_, где k=0,1,2….

Если разность хода Δd= d₂- d₁принимает промежуточное значение между λ и, то и амплитуда результирующего колебания принимает некоторое промежуточное значение между удвоенной амплитудой и нулём.

Интерференция - одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков - все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис.)

Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис.)

Ньютон не смог объяснить с точки зрения корпускулярной теории, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов.

Английский учёный Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения «колец Ньютона» интерференцией световых волн, отраженных от нижней поверхности линзы и поверхности лежащего под линзой стекла.

Юнг так же выяснил, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длинны.

Дифракция световых волн

Как мы с вами знаем свет - это электромагнитная волна. Именно по этому можно говорить о том, что для световых волн наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света.

Дифракция - это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые препятствия и огибание волной малых препятствий.

Наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что дифракция наблюдается только, если размеры препятствий сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала.

Если обозначить через d - размер препятствия,

λ - длина волны

тогда условие возникновения дифракции можно записать в виде:

d<λ - условие проявления дифракции.

В чём причина возникновения явления дифракции?

На этот вопрос даёт ответ голландский физик и математик Христиан Гюйгенс. Он сформулировал закон распространения электромагнитных волн, который помогает объяснить явление дифракции. Этот закон получил название «принцип Гюйгенса».

Принцип Гюйгенса:

Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн, а поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Фронт волны - это совокупность точек пространства, до которых в данный момент дошла волна.

Таким образом, согласно принципу Гюйгенса частицы среды, до которых доходят колебания, в свою очередь, колеблясь, приводят в движение соседние частицы среды, с которыми они взаимодействуют. Вторичные волны, испускаемые частицами среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны.

4. Закрепление пройденного материала

№ 1. Разность хода лучей от двух когерентных источников света с длиной волны 600 нм, сходящихся в некоторой точке, равна 1,5 × 10^-6 м. Будет ли наблюдаться усиление или ослабление света в этой точке?

№2. Два когерентных источника света S₁ и S₂ с длиной волны 0,5 мкм находятся на расстоянии 2 мм друг от друга. (см. рисунок.) Экран расположен на расстоянии 2 м от S₁. Что будет наблюдаться в точке А экрана - усиление или ослабление света?

№ 3. Две когерентные световые волны красного света (λ=760 нм) достигают некоторой точки с разностью хода 2 мкм. Что произойдет в этой точке: усиление или ослабление волн?

Решить задачи № 11.16, 11,17, 11.28, 11.29, 11.23