ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Доказательство волнового характера исследуемого процесса — наличие для этого процесса явлений интерференции и дифракции. Так же и в случае видимого света явления интерференции и дифракции, характерные для него, говорят о том, что свет обладает волновыми свойствами. Наиболее подробно в средней школе рассматривают явление интерференции света, причем излагают данный материал, опираясь на уже знакомые учащимся явления интерференции механических (звуковых) и электромагнитных волн.

Опыты по интерференции света более сложны, необходимо пользуясь обычными (некогерентными) излучателями света, создать взаимно когерентные источники и получить устойчивую интерференционную картину? Ее можно получить разделением светового пучка от обычного источника света на два, которые потом сводят вместе, и они интерферируют. Существует несколько способов разделения светового пучка на две части: а) метод Юнга (свет проходит через два близко расположенных малых отверстия); б) зеркало Ллойда (прямой пучок света интерферирует с пучком, отраженным от зеркала); в) зеркала и бипризма Френеля (свет, попадая на зеркала, расположенные под углом, близким к 180°, или проходя через бипризму, разделяется на два пучка, которые затем встречаются и налагаются друг на друга; г) опыты с тонкими пленками и кольцами Ньютона; свет интерферирует не от точечных источников света, а как обычный рассеянный свет.

В учебной и методической литературе явление интерференции часто начинают рассматривать с описания опыта с тонкими пленками. Предпочтение этому опыту отдают потому, что интерференция в тонких пленках очень яркое явление, часто встречающееся в окружающей жизни и сравнительно легко наблюдаемое и воспроизводимое в демонстрационном эксперименте. Но интерференция в тонких пленках (или слоях) более сложна для объяснения, чем интерференция в зеркалах и бипризме; это связано с тем, что при отражении волн от оптически более плотной среды происходит потеря полуволны, а длина волны зависит от скорости распространения света в данной среде.

Многолетняя практика преподавания дает основание сделать вывод: в средней школе основным опытом по интерференции света должен быть опыт с бипризмой Френеля. Но решить сложные проблемы школьного демонстрационного эксперимента по оптике радикальным образом можно, лишь применив принципиально новый источник света- оптический квантовый генератор (лазер).

После показа и объяснения опыта (или просмотра кинофильма) целесообразно обсудить с учащимися следующие вопросы: как осуществляется разделение бипризмой Френеля светового пучка на два когерентных? Каково условие образования в интерференционной картине максимума (минимума) колебаний? Как зависит расположение интерференционных полос от длины световой волны? Где находит практическое применение явление интерференции? Условия возникновения максимумов и минимумов в интерференционной картине можно записать в общем виде: максимум колебаний: максимум колебаний:

Следует обязательно решить ряд задач на применение этих формул.

Завершают изучение интерференции света рассмотрением ее проявлений в природе и примерами практического использования в технике (интерференционный способ проверки качества обработки поверхностей, просветленная оптика, интерферометры и т. п.). Далее переходят к изучению дифракции света, причем начинают с утверждения: «Если свет — это волны (а интерференция света подтверждает это), то должна наблюдаться и дифракция света». Учащимся напоминают то, что они узнали при рассмотрении дифракции механических и электромагнитных волн. В первую очередь напоминают основное условие, при выполнении которого возможно наблюдение дифракции волн (размеры препятствий должны быть соизмеримы с длиной волны). Затем, после короткого рассказа об истории открытия дифракции света, переходят к наблюдению дифракции света от щели и тонкой проволоки. Далее сообщают, что если волна длиной λ проходит через отверстие D (ширина щели, размеры препятствия), от которого наблюдатель удален на расстояние L, то дифракцию наблюдают не только при условии D≈λ, но и при более общем условии

D² ≤ L λ.

Именно этот случай характерен для оптики, где размеры предметов, вызывающих дифракцию, в тысячи и миллионы раз больше длины световой волны и для наблюдения дифракционной картины нужно лишь расположить место наблюдения далеко от отверстия (или преграды). В дополнение к указанным демонстрационным опытам обязательно проводят лабораторную работу «Наблюдение интерференции и дифракции света». Интересные наблюдения дифракции света можно выполнять и в домашних условиях (смотреть на удаленный источник света сквозь тонкую ткань или частую проволочную сетку и т. п.).

Большое внимание при изучении явления дифракции уделяют рассмотрению дифракционной решетки и демонстрации опытов. Сначала рассматривают дифракцию от двойной щели. В итоге получают условие для дифракционных максимумов:

d sinφ = k λ,

где d— постоянная решетки, φ— угол, под которым располагается на экране максимум относительно рассматриваемого центрального луча, проходящего через решетку перпендикулярно ее плоскости, λ — длина световой волны, а k — число, показывающее порядок дифракционного максимума.

Дифракционная решетка дает возможность экспериментально определить длину световой волны. Действительно, если период решетки d известен, то определение длины волны сводится к измерению угла φ, соответствующего направлению на очередной максимум. Школьники должны научиться пользоваться дифракционной решеткой и определять для световых волн длину волны.

Дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр. Это связано с тем, что положение максимумов (кроме центрального, соответствующего k= 0) зависит от длины волны. Но дифракционный спектр отличен от дисперсионного.

Учащимся известно, что электромагнитные волны поперечны, между тем после изучения интерференции и дифракции вопрос о характере световых волн остается отчасти открытым. Этот пробел может быть восполнен только рассмотрением поляризации света. Сначала, опираясь на опыты с механическими волнами (на упругом шнуре), а затем и на опыты с поляризацией электромагнитных волн, необходимо повторить и подчеркнуть, что поляризация характерна только для поперечных волн. Объясняют, что естественный свет не поляризован. В пучке волн, испускаемых обычным источником, присутствуют колебания различных направлений, перпендикулярные направлению распространения волны. Надо из этого естественного света выделить волны, колебания вектора Е в которых происходят в одной плоскости, т. е. поляризованного света Таким свойством по отношению к свету обладают анизотропные кристаллы и ряд других веществ, называемых поляризаторами. Естественный свет, пройдя через поляризатор (например, кристалл турмалина или поляроид), становится поляризованным. Обнаружить эту поляризацию света помогают те же кристаллы или пластины, которые теперь выполняют роль анализатора света; их называют анализаторами. Теперь учащимся демонстрируют поляризацию света с помощью турмалина (или поляроидов из набора по поляризации света), делают вывод о поперечности световых волн и рассматривают примеры применения поляризованного света. В заключение рассматривают вопрос о дисперсии света. Сначала учащихся знакомят с рядом новых для них понятий, прежде всего с понятиями «монохроматическое излучение» и «дисперсия волн». Монохроматическое излучение — идеализация, удобная для объяснения оптических явлений. Это понятие буквально означает—одноцветное излучение, а в физическом смысле — излучение с бесконечно длящимися световыми колебаниями одной какой-либо частоты. Обычно в средней школе учащихся со спектральным разложением света знакомили впервые при изучении спектрального разложения света в призмах, т. е. рассматривая пространственное разделение волн по их частотам из-за дисперсии. Заметим, что такой подход мог приводить к отождествлению у учащихся понятия «спектральное разложение» с понятием «дисперсия», а понятия «спектр» только с цветной картиной, возникающей при прохождении белого света через призму.

Между тем дисперсия волн — это явление, состоящее в том, что скорость распространения света в веществе является функцией частоты световых колебаний. Именно такое представление о дисперсии света должны получить ученики.

Таким образом, уже при первом знакомстве со спектральным разложением света (при изучении интерференции света) обращают внимание учащихся па то, что частота световых колебаний вполне однозначно определяет цвет светового пучка. При изучении дисперсии света и спектрального разложения в призмах привлекают внимание к тому, что при переходе монохроматического света из одной среды в другую частота световой волны не изменяется. Но скорость света в веществе является функцией частоты. В немонохроматическом свете возникает спектральное разложение. Спектральное разложение света возникает и в случае интерференции и дифракции. Но призматический (дисперсионный) и дифракционный спектры отличаются друг от друга.

Дифракционный спектр — равномерный (поэтому его называют нормальным), а дисперсионный спектр — неравномерный (он сжат в длинноволновой части и растянут в коротковолновой). Порядок расположения цветов (отклонение по углам) в дифракционном спектре обратный тому, который имеется в дисперсионном (призматическом спектре).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: