Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов




НазваниеУрока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов
Дата конвертации08.05.2013
Размер52.4 Kb.
ТипУрок
Тип урока: Лекция.

Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля.

Цель урока: Изучение нового материала.
В.Г. СУХОВ, В.И. ШУТОВ

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Так, например, если на пути распространения световой волны находится экран с отверстием, то за экраном будет распространяться резко ограниченный пучок света, ширина которого будет соответствовать ширине отверстия в экране. Однако так будет не всегда. Если уменьшать размер отверстия, то ширина пучка света соответственно будет уменьшаться. Но только до некоторого предела. Если размер отверстия приблизится к длине волны света, то пучок света за отверстием начнет расходиться, причем тем сильнее, чем меньше размер отверстия.

Аналогичное явление наблюдается, когда свет падает на некоторое препятствие. В этом случае за препятствием наблюдается резко выраженная область так называемой геометрической тени, куда свет не проникает. Однако, если уменьшать размеры препятствия, то размеры области геометрической тени соответственно тоже будут уменьшаться, но тоже до некоторого предела. Начиная с некоторого момента тень перестанет быть геометрической, а свет начнет как бы огибать препятствие, заходя за него. Это явление начнет иметь место, когда размер препятствия также станет близок к величине длины волны.

На существование дифракционных явлений еще в середине 17 века обратил внимание Франческо Гримальди. Он пропускал тонкий солнечный луч через маленькое отверстие, ставил на его пути предмет и наблюдал за тенью этого предмета. Гримальди выполнил многочисленные опыты по дифракции на тонких нитях, птичьих перьях, тканях и волокнистых веществах. Вывод один - свет действительно отклоняется от прямолинейного распространения. Но почему? На рисунке приведена фотография шурупа с явными элементами дифракции, а также пример дифракции на маленьком отверстии и на круглом диске. В центре диска отверстия нет, однако на фотографии ясно видно светлое пятно. Это так называемое пятно Пуассона. О нем мы поговорим дальше.

Великий Ньютон также экспериментально исследует явления, открытые Гримальди. Он также наблюдает "причудливое" поведение света и, как и Гримальди, делает попытки объяснить это явление. Но Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории о природе света. Согласно этой теории, свет представляет собой поток специальных световых части, которые Ньютон назвал корпускулами. Корпускулы в однородной среде должны распространяться прямолинейно и объяснить на их основе явление дифракции света оказалось невозможным.

Результат дифракции волн в любом случае можно теоретически обосновать на базе решения общего волнового уравнения. Однако на практике этот метод представляет собой невероятно сложную математическую задачу. Современник Ньютона голландский физик Христиан Гюйгенс предложил приближенный наглядный метод построения волновых поверхностей. Он предположил, что каждый элемент поверхности, которой достигла в данный момент волна (т.е. каждая точка волнового фронта) является центром вторичных волн, огибающая которых  в направлении движения волны становится волновым фронтом в более поздний момент времени. Сейчас это предположение называется принципом Гюйгенса. Правда, надо заметить, что сам Гюйгенс не рассматривал свой принцип в качестве инструмента для обоснования дифракции. Наоборот, он считал, что вклад вторичных волн, образующихся на границе препятствия, пренебрежимо мал и что из этого следует прямолинейность распространения света. Базируясь на своем предположении, Гюйгенс пытался объяснить закономерности геометрической оптики. В частности, из принципа Гюйгенса автоматически следуют закономерности отражения и преломления волн. Однако качественно дифракция света может быть обоснована и на базе принципа Гюйгенса. На рисунке показано как вторичные волны «огибают» границу препятствия.

В начале XIX века Френель повторил опыты Гримальди и количественно объяснил их. В качестве базового принципа Френель принял принцип Гюйгенса. Однако он дополнил его положением о том, что вторичные волны, придя в точку наблюдения интерферируют друг с другом и дифракция является результатом интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса, дополненный утверждением, что вторичные волны интерферируют друг с другом, получил название принципа Гюйгенса - Френеля.

Для количественного описания явления дифракции Френель предложил метод, получивший название метода зон Френеля. В качестве примера рассмотрим следующий случай. Пусть световая волна от очень удаленного источника перпендикулярно падает на непрозрачный экран, в котором имеется небольшое круглое отверстие радиусом R. Пусть точка наблюдения находится на оси симметрии и на расстоянии L от экрана. Волновые поверхности представляют собой плоскости параллельные экрану и одна из них совпадает с экраном. Каждая точка этой волновой поверхности является источником вторичных сферических волн. Все эти вторичные волны интерферируют в точке наблюдения Р и результат этой интерференции определяет интенсивность результирующей волны. Для облегчения расчета этого результата Френель предложил разбить волновую поверхность в пределах отверстия на кольцевые зоны – зоны Френеля. Принцип разбиения заключается в следующем: расстояние от центральной точки О до точки наблюдения Р равно L; расстояние от границы первой зоны до точки наблюдения равно L + λ/2; расстояние от границы второй зоны до точки наблюдения равно L + 2λ/2 и так далее. То есть разность расстояний от соседних границ зон Френеля до точки наблюдения отличаются на λ/2. Таким образом вся площадь отверстия оказывается разбитой на концентрические кольца, каждое из которых представляет собой зону Френеля (центральная зона является кругом). Радиусы зон Френеля равны:


(так как λ << L).

Количество зон, укладывающихся в отверстии равно . Результат интерференции вторичных волн в точке Р зависит от этого количества открытых зон. Дело в том, площади всех зон одинаковы и равны площади центрального кольца. Поэтому все зоны при прочих равных условиях должны давать одинаковый вклад в результирующую интенсивность в точке Р. Однако каждая следующая зона находится от точки Р немного дальше предыдущей, а значит и ее вклад будет слегка меньше вклада предыдущей зоны. Если Аm – амплитуда колебаний, создаваемая в точке Р m–ой зоной, то Am+1 < Am. Если еще учесть, что колебания от соседних зон приходят в точку Р в противоположных фазах, то суммарная амплитуда колебаний будет определяться выражением:

А = А1 – А2 + А3 – А4 + …+ Аm = А1 – (А2 – А) – (А – А5) - …

Так как все выражения в скобках положительные, то суммарная амплитуда всегда меньше, амплитуды, которую дает только одна первая зона Френеля. Можно показать, что если экрана нет совсем, то есть количество зон Френеля равно бесконечности, то суммарная амплитуда колебаний в 2 раза меньше амплитуды, которую дает только первая зона.

Дифракционные явления наблюдаются только если на отверстии или на препятствии укладывается не очень много зон Френеля. Если расстояние от экрана до точки наблюдения в рассмотренном примере равно 1 м, а длина волны света 600 нм (красный свет), то радиус первой зоны Френеля равен . То есть размеры отверстий и препятствий должны быть достаточно малы. Наоборот, если размеры отверстий и препятствий значительно превышают величину , то дифракция не наблюдается и можно пользоваться законами геометрической оптики.

Выводы:

1. Дифракция света на отверстии или препятствии качественно может быть обоснована на базе принципа Гюйгенса.

2. Количественно дифракцию можно описать, дополнив принцип Гюйгенса утверждением об интерференции вторичных волн. Наиболее простым и наглядным методом описания дифракции является метод зон Френеля.

3. Дифракционные явления становятся наблюдаемыми только при малых размерах отверстия или препятствия. На отверстии или препятствии должно укладываться не очень большое количество зон Френеля.

Похожие:

Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconА Тип урока: изучение нового материала с элементами исследования. Тема урока. Столетняя война. Реформация
Цель урока: достичь образовательных результатов по теме урока через включение учащихся в процесс исследования материала с применением...
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconПлан-конспект урока Тема урока: Особенности природы. Фио (полностью) Огурцов Владимир Алексеевич Место работы
Тема: Глобус и географическая карта – модели земной поверхности. Номер урока №1. Изучение нового материала. Тема урока: Глобус –...
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconТема урока: Биосфера. Тип урока: изучение нового материала Дидактическая цель
Вернадского В. И. о биосфере; границы биосферы, гипотезы возникновения жизни на Земле
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconУрока по ритмике 3 класс 7-летнего курса обучения. Тема урока : Форма рондо. Ритмическое рондо
Тип урока: Комбинированный урок, включающий закрепление ранее полученных знаний, изучение нового материала, обобщение
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconКонспект урока темы «Эволюционная теория Ж. Б. Ламарка». Тип урока: изучение нового материала. Вид урока: урок с элементом самостоятельной работы
План конспект урока темы «Эволюционная теория Ж. Б. Ламарка». Тип урока: изучение нового материала
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconКонспект урока темы «Предпосылки возникновения учения Чарльза Дарвина». Тип урока: изучение нового материала. Вид урока: объяснительный урок
Чарльза Дарвина. Тип урока: изучение нового материала. Вид урока: объяснительный урок
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconКонспект открытого урока по теме: «Любовь вечная тема искусства. Мюзикл». Тип урока: изучение нового материала Цель
Цель: сформировать понятие мюзикл, выявить характерные особенности, определить жанровые категории мюзикла, проследить связь с литературными...
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconРазработка урока музыки 4 класс 2011 год Тема урока: «Роль музыки в баснях» Тип урока: Формирование новых знаний, изучение нового материала
Развивать эстетический вкус, чувство прекрасного, способность испытывать эстетическое наслаждение, увлекаться и покоряться красоте...
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconУрок истории в 5 классе с элементами технологии критического мыщления Тема урока : в городе богини Афины. Тип урока: урок изучения нового материала. Форма урока: заочное путешествие
Цель урока: воспитывать уважение к культуре другого народа, толерантность через умение выслушать и принять другое мнение, чувство...
Урока: Лекция. Тема урока: Дифракция света. Зоны Френеля. Цель урока: Изучение нового материала. В. Г. Сухов, В. И. Шутов iconИсследование «Геоинформационные системы в интернете» Тип урока: изучение нового материала, урок-исследование. Вид урока: комбинированный
Время проведения урока: один из последних уроков в разделе «Коммуникационные технологии»
Разместите кнопку на своём сайте:
kk.convdocs.org



База данных защищена авторским правом ©kk.convdocs.org 2012-2019
обратиться к администрации
kk.convdocs.org
Главная страница