В практической жизни дифракция света почти никогда не наблюдается. Причина этого заключается в том, что большинство окружающих тел намного длиннее длины волны света. В этом случае дифракцию может наблюдаться только при следующем условии что световаЯ волна, которая прошла через дифракцию, отражается от достаточно удаленного (несколько десятков метров) экрана.
Дифракция света.
Объекты кодирования ЕГЭ: дифракция света, дифракционная решётка.
Если на пути волны есть препятствие, то возникает дифракция — Отклонение волны от прямолинейного распространения. Это отклонение не ограничивается отражением или преломлением, а также Дифракция возникает, когда волна проходит край препятствия и попадает в область геометрической тени.
Предположим, что плоская волна попадает на экран с относительно узкой щелью (рис. 1). На выходе из щели возникает волна расходимости, которая становится тем сильнее, чем меньше ширина щели.
 |
| Рисунок 1: Дифракция на щели |
Вообще, дифракционЧем меньше препятствие, тем сильнее эти эффекты. Это очень важно дифракция если размер препятствия меньше одной длины волны или порядка одной длины волны. Именно такому ширина щели на рисунке 1.
Дифракция и интерференция присущи всем формам волн, будь то механические или электромагнитные. Видимый свет является частным случаем электромагнитных волн, поэтому неудивительно, что можно наблюдать дифракцию света.
Итак, на рисунке 2 показано изображение видимого в электромагнитных волнах. дифракционИзображение на рисунке получено лазерным лучом, проходящим через небольшое отверстие диаметром 0,2 мм.
 |
| Рисунок 2. Преломление лазерного луча в отверстии. |
Мы видим, как и предполагалось, центральную яркую точку; вдали находится темная область, геометрическая тень. Но вокруг центральной точки нет четкой границы. света и тень! — чередуются светлые и темные кольца. Чем дальше от центра, тем меньше яркость. светлые кольца становятся менее яркими; они постепенно исчезают в области тени.
Это напоминает интерполяцию, не так ли? Именно так; эти кольца представляют собой максимальные и минимальные помехи. Какие волны здесь интерферируют? Скоро мы разберемся в этом вопросе и выясним, почему он вообще наблюдается. дифракция.
Но сначала мы должны упомянуть первый классический эксперимент по интерференции. света — Эксперимент Юнга, в котором феномен дифракции.
Опыт Юнга.
Каждый эксперимент с помехами света содержит одну возможность, две последовательные световыx волны. В эксперименте с зеркалом Френеля, как вы помните, когерентными источниками были два изображения одного и того же источника, полученные в обоих зеркалах.
Самая простая идея, которая пришла нам в голову, заключалась в следующем. Мы просверливаем два отверстия в куске картона и подвергаем его воздействию солнечной радиации. Эти отверстия были бы последовательными вторичными источниками света, потому что основным источником является солнце. Поэтому в области перекрывающихся лучей, выходящих из отверстий, на экране должна наблюдаться интерференционная картина.
Такой эксперимент был проведен задолго до Юнга итальянским ученым Франческо Гримальди (который был дифракцию света). Однако никаких помех обнаружено не было. На этот вопрос нелегко ответить, потому что Солнце — не точечный, а протяженный источник. света (угловой размер Солнца составляет 30 угловых минут). Солнечный диск состоит из множества точечных источников, каждый из которых создает на экране свою интерференционную картину. При наложении эти отдельные узоры «размываются», и в результате получается равномерное освещение наложенной области лучей на экране.
Но если Солнце слишком «большое», необходимо искусственно создать точечный источник первичной энергии. Для этого в эксперименте Юнга используется небольшая временная диафрагма (рис. 3).
 |
| Рисунок 3: Схематическое изображение эксперимента Юнга. |
Плоская волна попадает в первое отверстие, и за отверстием появляется конус. светововторой конус, который расширяется через первый. дифракции. Он достигает следующих двух отверстий, которые являются источниками двух когерентных световыx конусов. Из-за точечного характера первичного источника в области перекрывающихся конусов теперь будет наблюдаться интерференционная картина!
Томас Юнг провел эксперимент, измерил ширину интерференционных полос, вывел формулу и с ее помощью впервые рассчитал длины волн видимого света света. По этой причине данный эксперимент стал одним из самых известных в истории физики.
Принцип Гюйгенса–Френеля.
Вспомните формулировку принципа Гюйгенса: каждая точка, вовлеченная в волновой процесс, является источником вторичных сферических волн; они распространяются от этой точки, а также от центра во всех направлениях и накладываются друг на друга.
Но естественно возникает вопрос: что означает «перекрытие»?
Гюйгенс свел свой принцип к чисто геометрическому способу, построив новую волновую поверхность как огибающую семейства сфер, исходящих из каждой точки исходной волновой поверхности. Вторичные волны Гюйгенса — это математические сферы, а не реальные волны; их общий эффект проявляется только в огибающей, т.е. в новом положении волновой поверхности.
В таком Принцип Гюйгенса не дал ответа на вопрос, почему при распространении волны не распространяются в обратном направлении. Что осталось необъяснимым, так это и дифракционные явления.
Модификация принципа Гюйгенса была реализована лишь 137 лет спустя. Огюстен Френель заменил геометрические вспомогательные сферы Гюйгенса реальными волнами и предположил, что эти волны взаимодействуют друг с другом.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Каждая точка на поверхности волны служит источником вторичных сферических волн. Все эти вторичные волны когерентны, поскольку исходят от первичного источника (и поэтому могут интерферировать друг с другом); волновой процесс в окружающем пространстве является результатом интерференции вторичных волн.
Идея Френеля придала естественный смысл принципу Гюйгенса. Вторичные волны взаимно усиливают друг друга в огибающей их волновых поверхностей в направлении «вперед» и тем самым обеспечивают дальнейшее распространение волны. Но в «обратном» направлении они накладываются на исходную волну, происходит взаимное затухание, и обратная волна не создается.
В частности, свет Здесь вторичные волны усиливают друг друга. И в тех местах, где вторичные волны затухают, мы видим темные области в пространстве.
Принцип Гюйгенса-Френеля выражает важную физическую идею: волна, удаляющаяся от своего источника, «живет своей собственной жизнью» и не зависит от этого источника. Захватывая новые области пространства, волна продолжает распространяться благодаря интерференции вторичных волн, возбуждаемых в разных точках пространства по мере прохождения волны.
Как принцип Гюйгенса-Френеля объясняет это явление дифракции? Почему, например, случается так, что дифракция в диафрагме? Дело в том, что из бесконечной плоской волновой поверхности падающей волны отверстие диафрагмы отсекает лишь небольшую часть светящии последующий световоПоле возникает в результате интерференции волн вторичного источника, которые находятся уже не во всей плоскости, а только в этом диске. Конечно, новые волновые поверхности уже не являются плоскими; путь лучей искривляется, и волна начинает распространяться в других направлениях, не совпадающих с первоначальным. Волна огибает край отверстия и попадает в область геометрической тени.
Вторичные волны, исходящие из различных точек линии отсечения светлогвзаимодействуют друг с другом относительно диска. Эффект интерференции определяется разностью фаз вторичных волн и зависит от угла отклонения лучей. В результате происходит чередование максимальных и минимальных помех — как показано на рисунке 2.
Френель не только дополнил принцип Гюйгенса важной идеей когерентности и интерференции вторичных волн, но и разработал знаменитый метод решения вторичных волн. дифракционОснован на построении так называемых полос Френеля. так Называются полосами Френеля. Изучение полос Френеля не входит в учебную программу — о них уже можно узнать на уроках физики в средней школе. Здесь стоит лишь упомянуть, что Френель смог объяснить первый закон геометрической оптики, закон линейного распространения, как часть своей теории. света.
На рис. 5 мы видим такой Луч, направленный на из дифракционсерию стандартных решеток. Щели решетки расположены вертикально, и мы видим периодически расположенные вертикальные полосы на экране за решеткой.
Дифракция и интерференция света
Исследование поведения монохроматического пучка света. света, Томас Юнг, разделив его пополам, получил дифракционУзор, появляющийся на экране в виде череды светлых и темных полос. Волновая теория природы света, сформулированный Юнгом, прекрасно объясняет этот феномен. Луч — это волна. света При столкновении с непрозрачным препятствием он изгибается и меняет траекторию. Так что, похоже… дифракция света, при которой свет оба могут полностью закрывать препятствие (если длина волны больше размера препятствия). световоy длина волны больше, чем препятствие) или искривить траекторию (если размер препятствия сравним с длиной волны). световоy длина волны). Примером этого может быть нажатие света через узкие щели или маленькие отверстия, как на фото ниже.
Луч света В пещере, наглядная иллюстрация дифракции света в природе.
А вот более схематичная иллюстрация дифракции.
Физическое явление дифракции света добавляет еще одно важное свойство светововолны — интерференция света. Суть интерференции света это суперпозиция определенных волн световых волн над другими волнами. Результатом может быть искривление синусоидальной формы результирующей волны.
Это схематическая форма интерполяции.
Таким образом, наложенные волны могут одновременно увеличивать мощность всего световои, если амплитуды равны так и обратно пропорционально аннулируют их.
Дифракционная решетка
Как мы писали выше, дифракционРешетка — это простое оптическое устройство, которое изгибает свет в направлении волны. световую волну.
Вот так она выглядит.
Или даже несколько меньшая выборка.
Также дифракционСуществует три параметра, которые могут характеризовать решетку:
- Период d. Он представляет собой расстояние между двумя щелями, через которые проходит свет. Так как длина световой волны обычно находится в диапазоне нескольких десятых микрометра, то величина d обычно имеет 1 микрометр.
- Постоянная решетка а. Это количество прозрачных щелей на длине 1 мм поверхности решетки. Эта величина обратно пропорциональна периоду дифракционной решетки d. Обычно имеет 300-600 мм -1
- Общее количество щелей N. Высчитывается путем умножения длины дифракционДлина решетки с постоянной a. Обычно решетка имеет длину несколько сантиметров, а количество щелей составляет 10-20 тысяч.
Виды решеток
На самом деле существует два типа сетки дифракционСуществует два типа сеток: прозрачные и отражающие.
Прозрачная сетка представляет собой прозрачный тонкий лист стекла или пластика с нанесенными на него штрихами. Эти линии являются именно барьерами для световои волна не может пройти через него. Ширина пути фактически равна периоду дифракционрешетки d. Прозрачные промежутки между линиями — это пробелы. Такие решетки часто используются в лабораторных работах.
Отражающая дифракционРешетка представляет собой полированную металлическую или пластиковую пластину. Вместо стержней они имеют пазы определенной глубины. Период d в каждом случае — это расстояние между этими канавками. Простой пример отражателя дифракционОптический диск CD может представлять собой оптическую решетку.
Такие решетки часто используются при анализе эмиссионных спектров, так Благодаря их структуре, интенсивность максимумов может быть удобно распределена в пользу максимумов более высокого порядка. дифракционРешетка часто используется для анализа эмиссионных спектров.
В одном из предыдущих уроков мы познакомили вас с геометрической оптикой — разделом физики, который изучает законы распространения света в света прозрачных сред и законы отражения от зеркальных поверхностей.
Дифракция света
Дифракция — это явление, присущее всем волновым процессам, аналогичное интерференции. Для лучшего понимания этого явления дифракции света, сначала рассмотрим дифракцию механических волн.
Иногда на пути волны встречаются препятствия разных размеров. Если препятствия небольшие, волны могут легко обойти их и встретиться за ними. Таким образом, океанские волны могут свободно огибать торчащие из воды скалы и расходиться за ними. так, Как будто их вообще не существует. Если размер препятствия больше длины волны, за ним образуется «тень» — область, через которую волны не могут проникнуть.
На рисунке ниже видно, что волны распространяются за небольшими скалами так как будто их не существует. Но за большим валуном поверхность воды спокойна — волны не могут проникнуть сюда.
Внимание! Малые препятствия — это препятствия, размеры которых намного меньше или сравнимы с длиной распространяющейся волны.
Способность волн огибать препятствие является следствием отклонения распространения волн от прямолинейного распространения. Этой способностью обладают не только волны на поверхности воды, но и звуковые волны. Вы услышите сигнал автомобиля за домом, который находится между вами и препятствием, просто потому что. дифракции. Звуковая волна огибает дом и продолжает распространяться за ним. По той же причине, в лесу. так Вдалеке раздается щелчок «Ай!». — Деревья не являются серьезным препятствием для звуковой волны, и она легко обходит их.
Дифракция — это явление отклонения от прямолинейного распространения волн.
Дифракция особенно ярко выражена, когда препятствия меньше или сравнимы с длиной волны. Это явление, которое встречается в природе, но его также может быть искусственно вызвана. Например, дифракцию Волны на поверхности воды можно наблюдать, налив воду в ванну и поместив искусственное препятствие на пути волн, которые возбуждаются от него.
Если на пути распространения волн поместить экран с узким зазором, размеры которого меньше длины волны, то можно увидеть, что за ним начинает распространяться круговая волна. Такая же волна возникла бы, если бы вибрирующее тело, источник волн, находилось в щели экрана.
Если на пути распространения волны поставить экран с широкой щелью, то за ним распространяется волна почти такой же формы. такой одинаковой формы. В этом случае волновая поверхность искривляется только по краям щели.
Чтобы понять, почему возникает волновой эффект дифракции Согласно этому, каждая точка на поверхности волны является источником вторичных волн. Вторичные волны, излучаемые частями среды, которые выходят за края препятствия на пути распространения волны.
Дифракция световых волн
Если свет — является волной, то она также должна обладать внутренним эффектом дифракции. Однако наблюдать дифракцию света сложно. Ведь дифракцию можно наблюдать, если препятствие сравнимо с длиной волны или короче ее. И длина световодлина волны очень мала. Поэтому наблюдать дифракцию света, Вам нужны очень маленькие препятствия.
Дифракция света на узкой щели
Для наблюдения отклонения от линейного распространения света можно наблюдать, пропуская луч световых-волн через узкую щель. В этом случае светлое точка на экране больше, чем сама щель. Это возможно только в том случае, если свет отклоняется от линейного распространения.
Опыт Юнга
В 1802 году Т. Юнг, открывший интерференцию света, провести классический эксперимент для наблюдения дифракции. С помощью булавки проколите в непрозрачном диске два небольших отверстия B и C на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия он длясветил узким световым лучом, проходящим через маленькое отверстие A другого экрана. Эта деталь, о которой в то время было очень трудно подумать, имела решающее значение для успеха эксперимента. Взаимодействуют только когерентные волны. Сферическая волна из отверстия А, созданная в соответствии с принципом Гюйгенса, породила когерентные источники в отверстиях В и С. Сферическая волна из отверстий В и С была источником когерентной волны. световых волн. Вследствие дифракции Из отверстий B и C появились два световыx конусов, которые частично перекрываются. В результате интерференции между этими световыx-волны на экране, рисунок, состоящий из чередующихся светлых и темных полос.
Закрыв одно из отверстий, Юнг заметил, что интерференционные полосы исчезли. С помощью этого эксперимента ученый впервые измерил длину волны, которая превращает световылучам разного цвета. И он сделал это с большой точностью.
Принцип Гюйгенса — Френеля
Исследование дифракции была завершена французским ученым О. Френелем. Он подробно изучил несколько случаев дифракции, что позволило ему разработать количественную теорию дифракции. Он помог физику сделать точные расчеты. дифракционобразца, который получился бы в результате конверта светом различные препятствия. Френеля также первым объяснил, почему в однородной среде свет распространяется по прямой линии.
Успех Френеля был основан на том, что он первым объединил принцип Гюйгенса с идеей интерференции вторичных волн. Это привело к теории, названной принципом Гюйгенса-Френеля:
В любой момент времени волновая поверхность — это не просто огибающая вторичных волн, а результат их интерференции.
Для расчета амплитуды световов любой точке пространства, мы должны мысленно окружить источник света с замкнутой поверхностью. Интерференция волн от вторичных источников, расположенных на этой поверхности, определяет амплитуду колебаний в данной точке пространства. Такой расчет дает объяснение как свет точечного источника S, который является источником сферических волн, достигающих любой точки B в пространстве.
Если рассматривать вторичные источники на сферической волновой поверхности радиуса R, то сложение вторичных волн этих источников в точке B приводит к тому, что таким, как если бы они были лишь вторичными источниками в небольшом сферическом сегменте от свет Вторичные волны, распространяющиеся от источников к остальной поверхности, гасят друг друга за счет сложения. Поэтому все так, как если бы свет распространяется вдоль прямой линии SB, т.е. по прямой. Эта теория Френеля доказала закон линейного распространения света в однородной среде и сделали возможным для нас дифракцию с количественной точки зрения.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка — это оптический прибор, принцип действия которого основан на явлении дифракции.
Дифракционная решетка — это комбинация большого количества очень узких щелей, разделенных непрозрачными зазорами. Она изготавливается путем нанесения штрихов на стекло. Количество штрихов может достигать нескольких тысяч на 1 мм. Их общая численность часто превышает 100 тысяч человек. Решетка также Сетка может быть изготовлена из металла с чередующимися слоями отражающего и рассеивающего материала. свет.
- a — ширина прозрачных щелей (отражающих полос);
- b — ширина непрозрачных промежутков (рассеивающих полос);
- d — период дифракционной решетки.
Период дифракционШирина сетки равна сумме ширины прозрачных щелей и ширины непрозрачных зазоров:
Предупреждение. дифракционОбычно изготавливают сетку с периодом 10 мкм.
Пусть на дифракционПлоская монохроматическая волна с длиной волны λ падает на решетку с периодом d .
Вторичные источники, расположенные в щелях решетки, генерируют световые волны, распространяющиеся во всех направлениях. Найдем условие, при котором волны, исходящие из щелей, усиливают (добавляют) друг друга. Для этого мы рассматриваем волны, распространяющиеся в направлении угла φ к дифракционной решетке.
Разница в пути между волнами, выходящими из краев соседних щелей, равна длине отрезка AC. Если этот отрезок может вместить целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга при сложении. Из треугольника ABC определите длину зонда AC :
A C = A B sin. φ — d sin. φ
Максимумы наблюдаются под углом φ в соответствии с условием:
где k = 0, 1, 2, … определяет порядок спектра.
Если условие выполнено, то две волны, распространяющиеся от нижних краев щелей, усиливают друг друга, так а также волны, распространяющиеся из всех других точек щели. Каждая точка в первой щели соответствует точке во второй щели, которая находится на расстоянии d от первой точки. Поэтому разность путей вторичных волн, исходящих из этих точек, равна kλ, и волны усиливают друг друга.
Рассмотрим следующий случай. За решеткой находится сходящаяся линза и экран на определенном расстоянии от линзы. Линза фокусирует параллельно испускаемые лучи в одну точку (фокус). В этот момент волны складываются и усиливают друг друга. Углы φ, которые удовлетворяют условию, определяют положение так главных максимумов на экране (соответствующих рядам 1, 2 и т.д.).
В дополнение к изображению, полученному в результате дифракции света, в случае дифракционрешетки, мы наблюдаем дифракционтакже наблюдать изображение отдельных щелей. Интенсивность максимумов ниже, чем интенсивность главных максимумов. Поскольку положение максимумов (за исключением центрального максимума, который соответствует k = 0) зависит от длины волны, решетка расщепляет белый цвет. свет в спектр. Чем больше λ, тем дальше от центрального максимума находится максимум, соответствующий определенной длине волны.
Каждое значение k соответствует различному порядку спектра. Между максимумами находятся минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко выражены максимумы и тем дальше друг от друга находятся минимумы.
Дифракция особенно ярко выражена, когда препятствия меньше или сравнимы с длиной волны. Это явление, которое встречается в природе, но его также может быть искусственно вызвана. Например, дифракцию Волны на поверхности воды можно наблюдать, налив воду в ванну и поместив искусственное препятствие на пути волн, которые возбуждаются от него.
Дифракция света
В этом видеоуроке дети узнают, что это за явление. дифракции света. Сформулируем принцип Гюйгенса-Френеля. Мы докажем прямолинейность распространения. света методом зон Френеля. А также Мы поговорим об ограничениях использования геометрической оптики.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим обучающим видео в комплекте, вам необходимо добавить его в свой личный кабинет, купив его в каталоге.
Конспект урока «Дифракция света»
В одном из предыдущих уроков мы познакомили вас с геометрической оптикой — разделом физики, который изучает законы распространения света в света прозрачных сред и законы отражения от зеркальных поверхностей.
Как уже упоминалось, основным принципом геометрической оптики является линейное распространение. света. Она имеет фундаментальное значение для построения изображений в оптических системах и объясняет образование теней и полутеней, а также солнечных и лунных затмений.
Было показано, что если на пути лучей поместить непрозрачный объект, то… света Непрозрачный объект, расположенный на пути луча, образует четкую тень на экране позади него; когда луч света через отверстие образует четкий светлое точка, т.е. непосредственность распространения света подтверждается многочисленными экспериментами и нашим собственным жизненным опытом.
В соответствии с законом прямолинейного распространения, однако, применяется следующее света Отклонения наблюдаются при распространении в средах с сильными неоднородностями. И отклонения существенно зависят от соотношения между длиной волны и размером препятствий.
Когда мы стоим на углу дома, мы слышим приближающуюся машину, но не можем ее увидеть, потому что находимся в «зоне тени». Таким образом, получается, что звуковые волны приходят из-за угла, в то время как как световыволны не могут этого сделать.
Явление дифракции волн на препятствиях, проявляющееся в отклонении направления распространения волны от прямой линии, известно как дифракцией.
При изучении дифракции механических волн, мы говорили, что для проявления дифракции размеры препятствий (или отверстий) должны быть меньше или сравнимы с длиной волны. Поэтому в рассмотренном нами примере звук автомобильного двигателя «поворачивает на угол», а свет, отраженное от автомобиля, было не таким.
Первые сообщения об этом явлении дифракции света можно найти в работах великого итальянца Леонардо да Винчи. Франческо Гримальди подробно описал его в 1665 году. Но только в начале 19 века ученые нашли объяснение этому явлению.
Итак, В 1802 году Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент по наблюдению интерференции и дифракцией света. Следует помнить, что источник установки света представляла собой ярко освещенную щель, из которой волновой фронт падал в две узкие щели, параллельные первой и равноудаленные друг от друга. Сферическая волна, исходящая из отверстия «А», вызвала когерентные колебания в отверстиях В и С в соответствии с принципом Гюйгенса. Следовательно, дифракции из этих отверстий выходили два световыx конусов, которые частично перекрываются. Интерференционная картина наблюдалась на экране, параллельном щели, в области перекрывающихся волн. В центре изображения был светлая полоса и по краям радужная бахрома на белом света, или чередование темных и светлых полос в случае света монохроматический. Юнг заметил, что интерференционная картина исчезала, когда одно из отверстий было закрыто.
Итоговое исследование дифракции света была завершена современником Юнга, французским физиком Огюстеном Френелем, в конкурсной работе для Французской академии наук. Первоначально Френель пытался объяснить явление дифракции с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому, как мы помним, каждая точка, достигнутая волной, является центром вторичной когерентной волны. Огибающая этих волн указывает на положение фронта новой волны в следующее мгновение.
