Дается определение когерентности: когерентными называются волны одинаковой частоты, с постоянной во времени разностью фаз.
Указывается, что когерентные источники образуют когерентные волны.
Остается выяснить, как создать такие волны. Обращается внимание на то, что свет от двух электрических лампочек не интерферирует. Значит, это независимые друг от друга источники света и световые волны, излучаемые ими, некогерентны.
Для получения когерентных волн надо излучение от одного источника света каким-либо способом раздвоить и затем свести в одно место. Один из способов состоит в применении бипризмы. В ней свет, предположим, от точечного источника S преломляется двумя призмами в разных направлениях и собирается в одном месте на экране (рис 11.). Два преломленных пучка света являются расходящимися и будто бы выходят из мнимых источников света S1 и S2. Они когерентны, так как являются изображениями одного и того же источника S.
Можно воспользоваться аналогией. Пусть перед зеркалом колеблется пружинный маятник. Очевидно, что колебания изображения в зеркале будут идти в такт с колебаниями самого маятника. Если в каком-нибудь положении, когда шарик двигался вниз, остановить его и заставить двигаться в противоположном направлении, то изображение в зеркале будет двигаться тоже вверх. Аналогичное явление имеет место в когерентных источниках света. Источник состоит из множества излучающих атомов. Колебаниям электрона в каждом из них соответствуют точно такие же колебания в когерентном источнике.
Объясняется, в каких местах интерференционной картины будут максимумы и минимумы света (рис.9.). Записывается разность хода двух лучей и условия усиления и ослабления света. При
образуется светлая полоса. При
темная полоса; здесь n=0, 1, 2, 3…
Если разность хода равна , то волны приходят в одинаковых фазах, если же , то в противоположных фазах. Наконец следует подчеркнуть, что областью интерференции будет всё пространство, в котором волны накладываются друг на друга. Поэтому экран можно поставить в любое место этой области, пересекая продольную ось всей установки.
Остается показать, как определяется длина световой волны. На одной и той же установке, т.е. при неизменных расстояниях от экрана до источника света и между мнимыми его изображениями, величина промежутка b между соседними темными (или светлыми) полосами интерференции зависит лишь от цвета лучей, т.е. от длины волны l. Значит, l b.
Таким образом, второй важный вывод из опытов по интерференции должен состоять в том, что это явление позволяет измерить длину световой волны.
Из-за недостатка учебного времени можно не выводить формулу для вычисления длины волны. Важно разъяснить лишь метод измерения l. Напоминается порядок расположения цветов в призматическом спектре и указывается, что длина волны убывает в нем от красного участка к фиолетовому.
Пользуясь этими сведениями, можно дать понятие об однородном свете как о свете с одной частотой колебаний и неизменной амплитудой.
Следует указать, что по длине волны или частоте можно определить цветность светового пучка, но по цвету пучка нельзя судить о длине волны. Кроме того, по цвету трудно отличить в спектре два его участка, длины волн которых разнятся между собой на несколько миллимикрон. Даже самая узкая область спектра состоит из излучения различных частот.
Затем можно поставить опыт по интерференции с бипризмой Френеля в белом свете. Обращается внимание на характер интерференционной картины: центральная полоса всегда белая; по обе стороны от неё – темные полосы; затем цветные полосы максимумов света, разделенные темными промежутками; последовательность расположения цветных полос – от фиолетового к красному, причем первая ближе к центральной белой полосе.
Объясняется, почему центральная светлая полоса белая, а другие максимумы цветные. В центр экрана (см.рис.11) от точек S1 и S2 колебания приходят в одинаковой фазе. Поэтому все колебания равных частот усиливают друг друга, а от смешения всех спектральных цветов получается белая полоса.
В точку А приходят колебания с разностью хода S2A-S1A=S2N, которая для фиолетового света может оказаться равной четному числу полуволн, а для других длин волн – нет. В другой точке экрана это условие может удовлетворяться для красного света. Поэтому в А наблюдается фиолетовая полоса, а в другом месте – красная.
Желательно рассмотреть ещё один частный случай интерференции – цвета тонких пленок – и провести следующие самостоятельные наблюдения учащихся на уроке.
Дифракция света
Принцип Гюйгенса-Френеля рассматривается до изучения дифракции. Предлагается познакомить учащихся с этим принципом лишь в связи с объяснением дифракционных явлений; поэтому здесь он приобретает служебную роль. Изучение геометрической оптики, например явлений отражения и преломления света на основе принципа Гюйгенса программа по физике для средней школы не предусматривает.
Вначале рекомендуется поставить опыты с водяными волнами, демонстрирующие дифракцию на малых экранах, а затем на малых отверстиях. Опыты с плоскими волнами ставятся в таком порядке:
· Размеры экрана велики – за экраном наблюдается резкая область геометрической тени;
· Размеры экрана во много раз меньше – наблюдается дифракция волн.
· Размеры отверстия велики – наблюдается резкая область тени;
· Размеры отверстия малы – наблюдается загибание волн в область геометрической тени;
Обращается внимание, что позади экрана в центре дифракционной картины образуется светлая точка, окруженная системой темных и светлых колец и заходящая в область геометрической тени. В случае отверстия центр дифракционных колец может быть светлым или темным в зависимости от расстояния до отверстия. При перемещении к нему центр экрана последовательно становится светлым и темным.
Желательно подчеркнуть, что дифракция получается и от больших экранов, но в этом случае она образуется далеко за ними и интенсивность света на больших расстояниях бывает недостаточной. Остается объяснить, как образуется явление дифракции в области геометрической тени и там, где, казалось, можно было бы ожидать равномерную освещенность.
Этот случай легко разъяснить с качественной стороны, пользуясь принципом Гюйгенса-Френеля.
На волновой ванне с помощью параллельных вибраторов, насажанных на одну стальную пластинку, получается несколько систем круговых волн. В проекции на экране видно, как образуется волновая поверхность, огибающая все круговые волны одинаковых радиусов. Явление желательно рассмотреть при помощи стробоскопа.
Разъясняется, что точка фронта световой волны в любой момент времени находятся в одинаковых фазах и сами являются источниками вторичных волн. Желая узнать, как дальше распространится фронт волны, из каждой её точки надо провести окружности одинаковых радиусов R=ct, изображающие вторичные волны; здесь с – скорость света; а R – расстояние, на которое он распространяется за время t. Огибающая их поверхность и является новым фронтом волны. Линии, перпендикулярные к этому фронту, совпадают с направлением распространения света.
Френель показал, что вторичные волны, интерферируя, гасят друг друга и свет обнаруживается лишь на огибающей поверхности. Поэтому фронт световой волны движется только вперед.
На доске вычерчивается график (рис 12.), на котором с помощью принципа Гюйгенса-Френеля поясняется причина загибания света в область геометрической тени и появление темных мест там, где по законам геометрической оптики должен быть свет.
Пусть плоская волна PQ падает на экран АВ (см.рис.12). Часть этой волны задерживается экраном, другая часть будет распространяться в том же направлении. Плоские волны изображены на рисунке сплошными штриховыми линиями. Точки на этих линиях колеблются в противоположных фазах.
Точки А и В плоской волны являются центрами вторичных волн, распространяющихся за малым экраном во всех направлениях. Они показаны концентрическими окружностями. За экраном, где фазы колебаний точек одинаковы, колебания усиливаются (например, в D, C, E), а если противоположны, то гасят друг друга (например, в K, L, M, N).
Заключение.
Курс физики средней школы нуждается в методическом пересмотре в соответствии с современными физическими воззрениями. Это осуществляется двумя путями параллельно.
Во-первых, вопросы классической физики в школьном курсе излагаются с учетом достижений новой физики, что обеспечивает более современную их трактовку и разъяснение природы и механизмов многих физических явлений и процессов и явлений. При этом идеи новой физики не становятся придатком к существующему курсу, а проходят через все его изложение.
Во-вторых, школьный курс обновляется сведениями, добытыми наукой в нашем веке.
Эти два пути совершенствования школьного курса физики взаимосвязаны и принципиально неотделимы друг от друга.
За последние годы многие вопросы курса подверглись такому методическому пересмотру. Однако менее других это коснулось раздела оптики в целом. Между тем роль физической оптики в современной физике огромна. Создание электродинамики, электронной теории, теории относительности, квантовой механики и атомной физики непосредственно было связано с изучением оптических явлений.
Без преувеличения можно сказать, что физическая оптика неразрывно связана с новой физикой. От создания новой методики изучения оптики в школе во многом зависит повышение уровня всего курса физики.
Используемая литература
1. Л.И. Резников «методика преподавания физики в средней школе», М.1963.
2. Л.И. Резников « физическая оптика в средней школе», М.1971.
3. Соколов И.И. «методика преподавания физики в средней школе»,Учпедгиз, 1959
Содержание
1. Введение
Методика изучения темы «отражение и преломление света
· Зеркала
2. Преломление света. Линзы.
· Преломление света.
· Линзы.
Методика изучения темы “волновые свойства света”.
· Интерференция света
· Дифракция света
[1] При отсутствии диафрагмы или оправы периметр самой линзы является такой «оправой». Линза вырезает из общего светового потока лишь ту часть, которую она затем собирает или рассеивает.
[2] А.П. Кузьмин, А.А. Покровский, Опыты по физике с проекционной аппаратурой, М., Учпедгиз, 1962.
