Явление наложения когерентных волн, в результате которого происходит перераспределение энергии в волнах, называется интерференцией.

Когерентными называются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз. Это волны распространяющиеся от одного и того же источника света.

Удобный прибор для наблюдения интерференции света можно получить, если на плоскопараллельную пластинку положить плосковыпуклую линзу большого радиуса кривизны, так что между пластинкой и линзой образуется клинообразный зазор, в котором и возникают когерентные лучи. Если осветить этот прибор параллельными монохроматическими лучами так, чтобы они падали перпендикулярно поверхности линзы, то в отраженном свете будут хорошо видны чередующиеся темные и светлые интерференционные кольца, называемые кольцами Ньютона. В этом случае интерферируют лучи, отражающиеся от кривой поверхности линзы и от поверхности пластинки. Поскольку равная толщина воздушного зазора имеется на окружности, интерференционная картина имеет вид колец. По направлению от центра картины к краю кольца сближаются, так как в этом направлении растет угол α воздушного клина. При освещении прибора белым светом получаются кольца всех цветов радуги, в центре – темное пятно.

Дифракцией называют огибание волнами препятствий.

Препятствия или отверстия нарушают прямолинейность перемещения фронта волны. Дифракционные явления обусловлены интерференцией элементарных волн на границе отсеченного препятствием или отверстием фронта волны. Величина препятствия или отверстия, при которой становится заметной дифракция, зависит от длины волны, чем меньше размеры препятствия по сравнению с длиной волны, тем заметнее явление дифракции. Когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны, дифракция обнаруживается в непосредственной близости от него.

На практике наблюдение дифракции от одной щели затрудняется тем, что сквозь узкую щель проникает очень мало света. Для того чтобы дифракционная картина была достаточно яркой, нужно пропустить свет через несколько параллельных щелей. В этом случае кроме дифракции будет происходить еще и интерференция, так как лучи, идущие от всех щелей, оказываются когерентными. Такое устройство называют дифракционной решеткой.

 

 

Параллельный пучок света, проходя через дифракционную решетку, вследствие дифракции, за решеткой распространяется по всевозможным направлениям и интерферирует. На экране, установленном на пути интерферирующего света можно наблюдать интерференционную картину. Максимум света наблюдается в точках экрана, для которых выполняется условие.

 

∆ = kλ (1)

 

где ∆ - разность хода волн;

λ – длина световой волны;

k – номер максимума.

 

Центральный максимум называют нулевым; для него ∆ = 0. Слева и справа от него располагаются максимумы высших порядков.

Условие возникновения максимума можно записать иначе:

 

k λ = d sin φ (2)

 

экран

 

дифракционная решетка

 

φ

 

Рисунок 1. – Рисунок опыта

 

Здесь d – период дифракционной решетки: φ – угол, под которым виден световой максимум (угол дифракции). Так как угол дифракции, как правило, мал, то для них можно принять

 

sin φ = tg φ, tg φ =

a b

 

Поэтому

 

kλ =

d ×

a b

(3)

 

В данной работе формулу (2) используют для вычисления длины световой волны.

Анализ формулы (1) показывает, что положение световых максимумов зависит от длины волны монохроматического света: чем больше длина волны, тем дальше максимум от нулевого.

 

Белый свет по составу сложный. Нулевой максимум для него – белая полоса, а максимумы высших порядков представляют собой набор семи цветовых полос, совокупность которых называют спектром соответственно I; II; … порядка (Рисунок 2)

 

К Ф О Ф К экран

 

Дифракционная решетка

 

Рисунок 2. – Рисунок опыта

 

Получить дифракционный спектр можно, используя прибор для определения длины световой волны. Прибор состоит из бруска со шкалой. Вдоль бруска в боковых пазах его может перемещаться ползунок с экраном. К концу бруска прикреплена рамка, в которую вставляют дифракционную решетку.

 

12.4 Ход работы

 

12.4.1 Перпендикулярно установке «Кольца Ньютона» направить поток белого света. Пронаблюдать интерференционную картину в отраженном свете. Зарисовать полученную картину. Объяснить: почему в центре картины в отраженном свете наблюдается темное пятно.

12.4.2 Изменить отраженный свет на проходящий (посмотреть снизу). Как изменилась картина? Зарисуйте ее. Объясните, почему теперь в центре наблюдается белое пятно.

12.4.3 Вставить дифракционную решетку в рамку на продольной линейке прибора.

12.4.4 Экран со шкалой установить на конце продольной линейки.

12.4.5 Смотря через дифракционную решетку, направить прибор на лампу так, чтобы через окно экрана прибора была видна нить лампы.

12.4.6 Получить на экране четкое изображение спектров I и II порядков.

12.4.7 Измерить по шкале бруска установки расстояние «b» от экрана прибора до дифракционной решетки.

 

 

 

12.4.8 Определить расстояние от нулевого деления (0) шкалы экрана до середины фиолетовой полосы как слева «а_л», так и справа «а_п» для спектров I порядка и вычислить среднее значение а_ср.

12.4.9 Опыт повторить со спектром II порядка.

12.4.10 Такие же измерения выполнить и для красных полос дифракционного спектра.

12.4.11 Вычислить по формуле (2) длины волн фиолетового и красного цвета для спектров I и II порядков.

12.4.12 Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 12.1

 

Таблица 12.1. – Измеряемые и вычисляемые величины

 

Номер опыта	Период дифракционной решетки d , мм	Порядок спектра, k	Расстояние от дифракционной решетки до экрана в мм	Видимые границы спектра фиолетового цвета	Видимы границы спектра красного цвета	Длина световой волны
Слева ал, мм	Справа а ап, мм	Среднее аср мм	Слева ал , мм	Справа а ап, мм	Среднее аср мм	Красного излучения λк, мм	Фиолетового излучения λф, мм
1.
2.

 

12.5 Контрольные вопросы

 

12.5.1 Почему нулевой максимум дифракционного спектра белого света – белая

полоса, а максимум высших порядков – набор цветных полос?

12.5.2 Почему максимумы располагаются как слева, так и справа от нулевого максимума?

12.5.3 Какой вид имеет интерференционная картина в случае монохроматического света?

12.5.4 Почему при изменении отраженного света на проходящий максимумы и минимумы меняются местами?

12.5.5 Чему равна разность хода светового излучения (λ = 0,49 мкм), дающего 2-й максимум в дифракционном спектре? Определить частоту этого излучения.

 

12.6 Содержание отчета

 

12.6.1 Цель работы

12.6.2 Оборудование

12.6.3 Расчетные формулы

12.6.4 Рисунки «Колец Ньютона» в отраженном и проходящем свете с объяснениями

12.6.5 Таблица

12.6.6 Вывод

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2005.

2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2005.

3. Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., 2003.

4. Касьянов В.А. Физика 10 кл. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. – М., 2005.

5. Касьянов В.А. Физика 11 кл. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. – М., 2003.

6. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросы по физике: учеб. пособие. – М., 2003.