Дифракция. Принцип ГюйгенсаФренеля. Дифракция света
 Скачать 28.86 Kb.
|
|
«Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света» Цели урока: образовательная – изучение волнового явления «дифракция», убеждение в том, что она свойственна свету; ознакомление учащихся с одним из способов измерения длины световой волны при помощи дифракционной решетки; развивающая - развитие умений по качественному и количественному описанию дифракционной картины, навыков выделения главного, изложения данного материала; развитие внимательности, навыков сравнивать и обобщать факты; воспитательная – развитие мотивации изучения физики, используя интересные сведения; развитие коммуникативных навыков; умение слушать своих одноклассников. Ход урока I. Организационный момент. II. Повторение. а) Фронтальный опрос Вспомните, что называется интерференцией света. При каких условиях наблюдается интерференция света. Приведите примеры интерференции света (интерференция в тонких пленках, кольца Ньютона). Где находит применение интерференция света. б) Найдите соответствие (с помощью мультимедийной установки на экран проецируется задание).
II. Изучение нового материала. Дифракция вокруг нас Свет хорошо знаком каждому с детства и имеет огромное значение для жизни человека. Достаточно сказать, что примерно 90% информации мы получаем с помощью зрения. В современной физике считается общепринятым, что свет проявляет свойства как волн, так и потока частиц (фотонов). При этом обыденные, очевидные свойства света: прямолинейность распространения, отражение от зеркальной поверхности - проще объяснить и понять, пользуясь понятием о свете как о потоке частиц. Для описания этих свойств пользуются понятием световой луч и законами геометрической оптики. Волновые свойства света не столь очевидны. В большинстве случаев нужны специальные условия для наблюдения волновых эффектов Итак, свет может интерферировать. Это еще одно доказательство в пользу волновой природы света. Рассмотрим еще одно явление. Одно из свойств, обусловленное волновой природой - дифракция света. Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий. Дифракцию можно наблюдать для любых волн: электромагнитных (в том числе световых), упругих (звуковых), волн на поверхности воды. Наиболее заметно дифракция проявляется в условиях, когда размер препятствия соизмерим с длиной волны. Именно поэтому явление дифракции нагляднее всего демонстрируется с помощью волн на поверхности воды, которые имеют размер, заметный невооруженным глазом. Часто волны встречают на своем пути небольшие препятствия. Соотношение между длиной волны и размером препятствий определяет в основном поведение волны. Демонстрация: а) наблюдение огибания волнами препятствий Опыт в волновой ванне. Плоская волна, проходя через малое отверстие, становится круговой расходящейся волной и проникает в область, закрытую препятствием, то есть огибает его. Если размер объекта (отверстия или препятствия) заметно меньше длины волны, то волна с ним не взаимодействует. б) наблюдение нарушения закона прямолинейного распространения света Вывод: Неоднородность среды (поверхности препятствий) нарушает целостность фронта волны, распространяющейся от источника, вызывает отклонение от распространения волн от законов геометрической оптики, или дифракцию. 2. Дифракция света. Открытие явления дифракции света принадлежит итальянскому священнику, физику и астроному Ф. Гримальди. Его книга, в которой впервые описывалось новое явление, вышла в свет в 1665 г., спустя два года после его смерти. 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? Великий Ньютон также экспериментально исследует явления, открытые Гримальди. Он также наблюдает "причудливое" поведение света и, как и Гримальди, делает попытки объяснить это явление. Однако удовлетворительное объяснение дифракция получила только в рамках волновой теории, основоположниками которой по праву считаются Томас Юнг и Огюстен Френель. Опыт Юнга. Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т. Юнгом. В 1802 г. Т. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции света, просмотр анимации из БНПЭ Физика от Кирилла и Мефодия. Принцип Гюйгенса – Френеля. Независимо от Юнга французский ученый О. Френель развил количественную теорию дифракционных явлений (1818 г.). В начале 19 века Френель не только повторяет опыты Гримальди, но и исследует дифракцию света, объединяя его с принципом Гюйгенса, с идеей интерференции вторичных волн, известного сегодня как принцип Гюйгенса-Френеля. В основе данного принципа лежит идея об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. В настоящее время хорошо известно, что, если свет встречает на своем пути препятствие, он огибает его. Независимо от того - что это за препятствие (объект): отверстие или наоборот преграда, дифракция происходит на его границах, и проявления дифракции наиболее заметны, когда размеры препятствия сопоставимы с длиной световой волны. Дифракция может происходить и на прозрачных объектах, не поглощающих свет (такие объекты часто встречаются в биологии) и на объектах, отражающих свет (например, металлические сферы). Условие для существования устойчивой дифракционной картины.   - длина волны;D - размер препятствия; l - расстояние от препятствия до точки наблюдения результата дифракции (дифракционной картины). Получим с помощью демонстрационного оборудования «Волновая оптика» дифракционные картины от различных препятствий. Дифракционная решетка. Из-за слабой видимости дифракционной картины и значительной ширины дифракционных максимумов на одной щели в физическом эксперименте используется спектральный прибор – дифракционная решетка. Главные максимумы будут наблюдаться под углом αmax, определяемым условием: dsinα= md- период дифракционной решетки; m- порядок максимума; α - угол под которым наблюдается максимум дифракционной решетки;  - длина волны. III. Закрепление полученных знаний. 1)Подумайте, как можно быстро изготовить дифракционную решетку. Почему такая решетка считается «грубой». (Ответ: Если посмотреть сквозь ресницы глаз на яркий свет, то можно наблюдать спектр. Ресницы глаз можно считать «грубой» дифракционной решеткой, так как расстояние между ресничками глаза достаточно большое.) 2) На поверхности лазерного диска видны цветные полоски. Почему? г) Решение количественных задач. 1. На дифракционную решетку, имеющую 500 штрихов на каждом миллиметре, падает свет с длиной волны 450 нм. Определите наибольший порядок максимума, который дает эта решетка. 2. У некоторой решетки максимум 2-го порядка для света с длиной волны 400 нм наблюдается под углом, для которого sinα=0,04. Найдите число штрихов, имеющихся на каждом сантиметре решетки. (задачу №2 один учащейся решает на доске, остальные в тетрадях самостоятельно). IV. Подведение итогов. При подведении итогов урока можно ответить на вопросы: Что такое дифракция света? Какого условие возникновения дифракции света? Что такое дифракционная решетка? V. Домашнее задание. § 14 |
