Номер 7, страница 54 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

Лабораторная работа № 10. Измерение длины световой волны - номер 7, страница 54.

Условие.

7. Контрольные вопросы

1. Что называется дифракцией?

2. Можно ли утверждать, что наблюдаемый дифракционный спектр — это результат интерференции волн?

3. Почему формулу (1) называют не условием наблюдения максимумов, а условием наблюдения главных максимумов?

4. Почему мы не записываем условие главных минимумов?

5. Наблюдали ли вы дифракцию механических волн? Сложнее или легче наблюдать дифракцию механических волн по сравнению с дифракцией световых волн?

6. Как изменится дифракционный спектр, если взять источник монохроматического света?

Решение.

1. Что называется дифракцией?
Дифракцией волн (от лат. diffractus — разломанный, преломлённый) называют совокупность явлений, которые наблюдаются при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и связаны с отклонением от законов геометрической оптики. В более узком смысле под дифракцией понимают огибание волнами препятствий. Это явление приводит к тому, что волна проникает в область геометрической тени. Дифракция становится особенно заметной, когда размеры препятствия или отверстия, через которое проходит волна, сопоставимы с длиной волны. Явление дифракции объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля, согласно которому каждая точка волнового фронта является источником вторичных когерентных волн.
Ответ: Дифракция — это явление огибания волнами препятствий и их проникновения в область геометрической тени; оно становится существенным, когда размер препятствия соизмерим с длиной волны.

2. Можно ли утверждать, что наблюдаемый дифракционный спектр — это результат интерференции волн?
Да, безусловно. Дифракционная картина, которую мы наблюдаем на экране, является результатом интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка волнового фронта, достигшего препятствия (например, щели в экране), становится источником вторичных сферических волн. Эти волны когерентны (имеют постоянную разность фаз), и, распространяясь дальше от препятствия, они накладываются друг на друга (интерферируют). В тех точках пространства, куда вторичные волны приходят в одинаковой фазе, они усиливают друг друга, создавая максимум интенсивности (светлую полосу). В точках, куда волны приходят в противофазе, они гасят друг друга, создавая минимум (темную полосу). Таким образом, дифракцию можно рассматривать как сложное явление интерференции большого числа когерентных волн.
Ответ: Да, дифракционный спектр является результатом интерференции множества когерентных вторичных волн, возникающих на препятствии согласно принципу Гюйгенса-Френеля.

3. Почему формулу (1) называют не условием наблюдения максимумов, а условием наблюдения главных максимумов?
В вопросе, скорее всего, подразумевается формула для дифракционной решетки: $d \sin\varphi = k\lambda$, где $d$ — период решетки, $\varphi$ — угол дифракции, $k$ — целое число (порядок максимума), $\lambda$ — длина волны. Эту формулу называют условием наблюдения именно главных максимумов, потому что при дифракции на решетке, состоящей из большого числа щелей ($N>2$), в интерференционной картине появляются не только самые яркие максимумы, но и дополнительные, гораздо более слабые, вторичные максимумы. Главные максимумы возникают в тех направлениях, где волны от всех щелей решетки приходят в одинаковой фазе и максимально усиливают друг друга. Между двумя соседними главными максимумами располагаются $N-1$ минимумов и $N-2$ вторичных максимумов, интенсивность которых очень мала по сравнению с интенсивностью главных. Формула $d \sin\varphi = k\lambda$ описывает положение только самых ярких, главных максимумов.
Ответ: Формула описывает положение наиболее ярких максимумов, где происходит сложение волн от всех щелей решетки в одной фазе. Чтобы отличить их от гораздо более слабых вторичных максимумов, которые лежат между ними, их называют главными.

4. Почему мы не записываем условие главных минимумов?
Понятие «главный минимум» в физике, как правило, не используется. Термин «главный» применяется к максимумам для того, чтобы выделить их на фоне других, менее интенсивных, вторичных максимумов. Все максимумы имеют ненулевую интенсивность, и их можно классифицировать по яркости. Минимумы же в дифракционной картине (в идеальном случае) — это точки, где интенсивность света равна нулю из-за полного взаимного гашения волн. Поскольку все точки с нулевой интенсивностью в этом смысле одинаковы, нет необходимости выделять среди них какие-либо «главные» или «вторичные». Условие для возникновения минимумов, конечно, существует, но оно не носит названия «условия главных минимумов».
Ответ: Термин «главный минимум» не используется, так как все минимумы в дифракционной картине — это области с (в идеале) нулевой интенсивностью, и среди них нет иерархии по значимости, в отличие от максимумов (главные и вторичные).

5. Наблюдали ли вы дифракцию механических волн? Сложнее или легче наблюдать дифракцию механических волн по сравнению с дифракцией световых волн?
Да, дифракция механических волн — явление, которое часто встречается в повседневной жизни. Например:
- Волны на поверхности воды огибают опоры моста, камни или края волнолома в порту.
- Звуковые волны огибают углы зданий или проникают через дверной проем, благодаря чему мы можем слышать звук из соседней комнаты, даже не видя его источника.
Наблюдать дифракцию механических волн значительно легче, чем дифракцию световых волн. Основная причина заключается в соотношении длины волны и размеров препятствий. Длина звуковых волн в воздухе может составлять от сантиметров до нескольких метров, длина волн на воде также может быть большой. Препятствия таких размеров (двери, углы зданий, камни) встречаются повсеместно. Длина же волны видимого света очень мала — порядка 400–700 нанометров ($4 \cdot 10^{-7} - 7 \cdot 10^{-7}$ м). Поэтому для наблюдения заметной дифракции света требуются препятствия или щели очень малых размеров (например, тонкая нить, край лезвия, дифракционная решетка).
Ответ: Да, например, огибание волнами на воде препятствий или распространение звука за угол. Наблюдать дифракцию механических волн легче, так как их длина волны велика, и условие соизмеримости длины волны с размерами препятствий выполняется для обычных, макроскопических объектов.

6. Как изменится дифракционный спектр, если взять источник монохроматического света?
Если в качестве источника света использовать не белый свет (который является полихроматическим, т.е. состоит из волн разной длины), а монохроматический (состоящий из волн одной, строго определенной длины $\lambda$), то вид дифракционного спектра кардинально изменится.
При использовании белого света дифракционная решетка раскладывает его в спектр: центральный максимум ($k=0$) остается белым, а по обе стороны от него наблюдаются непрерывные радужные полосы для каждого порядка дифракции ($k= \pm 1, \pm 2, \dots$), так как угол дифракции $\varphi$ зависит от длины волны $\lambda$ (согласно формуле $d \sin\varphi = k\lambda$).
При использовании монохроматического света вместо непрерывных спектров мы увидим четкую картину, состоящую из отдельных ярких линий одного цвета. В центре будет яркий максимум нулевого порядка, а по бокам от него — симметрично расположенные, более тусклые максимумы первого, второго и последующих порядков того же цвета, что и источник. Эти яркие линии будут разделены широкими темными промежутками.
Ответ: Вместо непрерывных радужных спектров, которые дает белый свет, дифракционная картина от монохроматического источника будет состоять из набора отдельных ярких линий одного и того же цвета, соответствующих различным порядкам дифракции.