Интерференция света, страница 235, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

Лабораторная работа № 4

Наблюдение интерференции, дифракции и поляризации света

Оборудование: 1) пластины стеклянные — 2 шт.; 2) лампы с прямой нитью накала (одна на весь класс); 3) засвеченная фотопленка; 4) лезвие.

Теория работы. Нам известно, что интерференцией называется явление наложения друг на друга двух или нескольких волн, при котором в пространстве образуется устойчивая, не изменяющаяся со временем картина распределения амплитуды результирующих колебаний (чередуются их минимумы и максимумы) в различных точках пространства.

Для того чтобы в пространстве возникала такая картина, необходимо, чтобы налагающиеся волны имели одинаковую частоту и неизменный сдвиг фаз колебаний в каждой точке пространства. Такие волны называются когерентными. Они создаются когерентными источниками волн, которые колеблются с одинаковой частотой и постоянным сдвигом фаз.

При сложении когерентных световых волн в одних точках пространства волны будут усиливать друг друга, а в других — ослаблять. При этом будут наблюдаться чередующиеся светлые и темные полосы. Это и есть интерференция света.

Мы часто наблюдаем разноцветные переливающиеся блики на мыльных пузырях, крыльях стрекоз, каплях бензина, масла или нефти, растекшихся на поверхности воды. Здесь мы имеем дело с интерференцией световых волн. Тонкая пленка бензина образует плоскопараллельную пластинку. Луч, идущий от источника света S, на пленке разбивается на несколько когерентных лучей, и мы можем наблюдать интерференцию света как в проходящем, так и в отраженном свете. Если воспользоваться двумя стеклянными пластинками, то с их помощью тоже можно пронаблюдать интерференцию света.

Дифракцией света называется отклонение света от прямолинейного распространения, или огибание светом препятствий.

Наблюдать дифракцию света от одной щели трудно, так как для этого размеры отверстия или препятствия должны быть соизмеримы с длиной световой волны, а на практике размеры препятствий всегда больше длины световой волны.

Если поместить перед источником света узкую щель, то на экране, расположенном в темном помещении, ожидается появление изображения щели. Оно и появлялось, но было окрашенным, и не всегда напротив щели оказывалось светлое пятно, иногда оно было темным. Или, если взять отверстие, в котором натянута тонкая проволока или человеческий волос, то на экране теоретически должна появиться тень от проволоки. На самом же деле на экране были видны несколько теней от проволоки.

Ход работы:

Наблюдение интерференции света.

1. Две стеклянные пластины тщательно протрите, сложите вместе и прижмите пальцами друг к другу.

2. Рассмотрите пластины в отраженном свете на темном фоне. При этом пластины надо располагать так, чтобы на них не образовывались яркие блики.

3. В местах, где пластины соприкасаются, пронаблюдайте яркие радужные замкнутые линии.

4. Заметьте изменение формы и расположения полученных интерференционных картин в зависимости от толщины воздушной прослойки между пластинами. Толщину прослойки изменяют путем более интенсивного сжатия пластин.

5. Попытайтесь увидеть интерференционную картину в проходящем свете.

В ходе выполнения лабораторной работы наблюдается явление интерференции света в тонком воздушном зазоре, который образуется между двумя сложенными вместе стеклянными пластинами. Наблюдаемая картина возникает из-за сложения (интерференции) когерентных световых волн, отраженных от двух поверхностей, ограничивающих этот воздушный зазор.

Наблюдение интерференции в отраженном свете (пункты 1-3)

Когда две стеклянные пластины прижимают друг к другу, из-за наличия микроскопических неровностей и пылинок между ними образуется воздушный зазор переменной толщины. Свет от внешнего источника падает на эту систему. Наблюдаемая в отраженном свете картина является результатом интерференции двух лучей. Первый луч отражается от нижней поверхности верхней пластины (на границе "стекло-воздух"). Второй луч проходит в воздушный зазор, отражается от верхней поверхности нижней пластины (на границе "воздух-стекло") и выходит обратно, интерферируя с первым.

Результат интерференции (усиление или ослабление света) зависит от оптической разности хода $Δ$ между этими двумя лучами. Эта разность определяется двумя факторами:

1. Геометрической разностью пути: луч, прошедший через зазор, преодолевает дополнительное расстояние, примерно равное удвоенной толщине зазора $2d$ в данной точке.

2. Потерей полуволны (сдвигом фазы на $π$) при отражении: при отражении света от среды с большим показателем преломления фаза волны меняется на $π$, что эквивалентно добавлению к пути $λ/2$.

• Луч 1 отражается от границы стекло-воздух ($n_{стекла} > n_{воздуха}$). Отражение происходит от оптически менее плотной среды, поэтому сдвига фазы нет.

• Луч 2 отражается от границы воздух-стекло ($n_{воздуха} < n_{стекла}$). Отражение происходит от оптически более плотной среды, поэтому происходит сдвиг фазы на $π$ (потеря полуволны).

Таким образом, общая оптическая разность хода в отраженном свете, учитывая показатель преломления воздуха $n_{возд} \approx 1$, составляет: $Δ = 2d + λ/2$.

Условие деструктивной интерференции (минимум, темная полоса) возникает, когда разность хода равна целому числу длин волн: $Δ = mλ$.

$2d + λ/2 = mλ \implies 2d = (m - 1/2)λ$, где $m=1, 2, 3, ...$ Это неверно. Условие минимума: $Δ = (m + 1/2)λ$.

Правильные условия:

• Условие максимума (яркая полоса): $Δ = mλ$, где $\text{m}$ — целое число. $2d + λ/2 = mλ \implies 2d = (m - 1/2)λ$, где $m = 1, 2, ...$

• Условие минимума (темная полоса): $Δ = (m + 1/2)λ$. $2d + λ/2 = (m + 1/2)λ \implies 2d = mλ$, где $m = 0, 1, 2, ...$

В месте, где пластины соприкасаются, толщина зазора $d=0$. Для этой точки выполняется условие минимума $2d = 0 \cdot λ$, поэтому в отраженном свете центр картины (место контакта) будет темным.

Появление "радужных замкнутых линий" объясняется использованием белого света, который содержит все цвета спектра. Для каждого цвета (своей длины волны $λ$) условие максимума будет выполняться при разной толщине зазора $\text{d}$. Это приводит к разложению белого света в спектр. Линии называются полосами равной толщины, так как они соединяют точки с одинаковой толщиной воздушного зазора, повторяя рельеф поверхностей пластин.

Ответ: В отраженном свете наблюдаются интерференционные полосы в виде замкнутых линий, окрашенных в радужные цвета. Это результат интерференции света, отраженного от границ воздушного зазора. Полосы соединяют точки с одинаковой толщиной зазора. В месте контакта пластин наблюдается темная область, так как при отражении от границы воздух-стекло происходит потеря полуволны.

Влияние толщины воздушной прослойки (пункт 4)

При увеличении силы сжатия пластин их поверхности сближаются, и толщина $\text{d}$ воздушного зазора уменьшается. Каждая интерференционная полоса соответствует определённой толщине $\text{d}$. Когда толщина зазора уменьшается, область с заданной толщиной смещается. В результате интерференционные полосы будут смещаться к месту наименьшей толщины (к точке или линии контакта). Визуально это выглядит так, будто кольца или линии "втягиваются" в центр и исчезают. Если ослабить сжатие, зазор увеличится, и полосы будут "рождаться" в центре и расходиться к краям.

Ответ: Увеличение силы сжатия пластин приводит к уменьшению толщины воздушной прослойки и, как следствие, к смещению интерференционных полос к месту контакта. Картина изменяется: полосы сдвигаются и изменяют свою форму.

Наблюдение интерференции в проходящем свете (пункт 5)

Интерференционная картина, наблюдаемая в проходящем свете, является дополнительной (комплементарной) к той, что видна в отраженном. Это прямое следствие закона сохранения энергии: свет, который не отразился, должен пройти сквозь систему (пренебрегая поглощением). Следовательно, там, где в отраженном свете была темная полоса (минимум энергии), в проходящем свете будет яркая (максимум энергии), и наоборот.

Условия максимумов и минимумов для проходящего света меняются местами по сравнению с отраженным:

• Условие максимума (яркая полоса): $2d = mλ$.

• Условие минимума (темная полоса): $2d = (m - 1/2)λ$.

Таким образом, в месте контакта пластин ($d=0$) в проходящем свете будет наблюдаться яркая полоса (центральный максимум), в то время как в отраженном свете это место было темным.

Ответ: Интерференционная картина в проходящем свете является дополнительной к картине в отраженном свете. Условия максимумов и минимумов инвертируются: темные полосы в отраженном свете соответствуют светлым в проходящем, и наоборот. В центре картины, в месте контакта, наблюдается светлая полоса.