Волновые свойства света; спектры

Кадр 1

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА; СПЕКТРЫ Диафильм по физике для 10 класса

Кадр 2

1. Интерференция света Интерференция – наиболее характерное явление для любых волновых процессов независимо от их природы. Устойчивая картина на максимумов и минимумов освещённости, возникающая при сложении световых волн одинаковой частоты, называется интерференционной картиной.

Кадр 3

Очень наглядная интерференционная картина наблюдается на поверхности воды. Здесь в одних точках колебания усилены, в других – ослаблены.

Кадр 4

Пусть два источника посылают волны в одну точку. Если волны встретятся в одинаковой фазе, то возникнет максимум смещения (А), если же в противофазе — то минимум (В).

Кадр 5

Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Если же расстояние между точками равно полуволне, то они колеблются в противофазе.

Кадр 6

Условие максимума: Δr=2nλ/2. Δr=r₂-r₁=9λ/2-5λ/2=4λ/2. Условие минимума: Δr=(2n+1)λ/2. Δr=r₂-r₁=10λ/2-5λ/2=5λ/2. Результат интерференции зависит от числа полуволн, укладывающихся на разности хода Δr=r₂-r₁.

Кадр 7

При интерференции происходит перераспределение энергии между минимумами и максимумами: в минимумах энергия равна нулю, в максимумах – удвоенной сумме энергии обоих источников.

Кадр 8

Ещё Х. Гюйгенс (XVII в.) и М. Ломоносов (XVIII в.) предполагали, что свет имеет волновую природу. Экспериментально это подтвердил Т. Юнг (1803 г.). Направив на экран пучок света от одного источника через две щели, он получил типичную интерференционную картину.

Кадр 9

Интерференционную картину можно получить также с помощью бипризмы Френеля.

Кадр 10

Однако, если на экран падает свет от двух независимых источников, то интерференционная картина не наблюдается: экран будет освещён равномерно.

Кадр 11

Причина заключается в особенностях механизма излучения света. Электроны в атоме вращаются на некоторых определенных орбитах. При переходе электрона с одной орбиты на другую свет излучается в виде короткой вспышки, длящейся примерно 10⁻⁸ сек.

Кадр 12

Свет, излучаемый множеством атомов, – это набор вспышек, изображаемых в виде „кусков синусоид“ с беспорядочно меняющимися фазами. Разность фаз двух волн от независимых источников тоже меняется беспорядочно. Это так называемые некогерентные волны. Они не дают устойчивой интерференционной картины.

Кадр 13

В установке Юнга или Френеля идущая от одного источника световая волна разделяется на две, фазы которых меняются по одному и тому же закону. Волны, имеющие постоянную во времени разность фаз, называются когерентными. Они интерферируют.

Кадр 14

Интерференционный максимум возникает при условии Δ=dsinφ=nλ. Отсюда – расстояние между интерференционными максимумами у длинных волн больше, чем у коротких.

Кадр 15

Если в установке заменить зелёный светофильтр красным, то интерференционная картина расширяется. Следовательно, красному цвету соответствуют более длинные волны, чем зелёному: λ кр.=7800Å, λ зел.=5000Å.

Кадр 16

Если интерференционную установку осветить белым светом, то только главный (нулевой) максимум будет белым. Все остальные максимумы окрашиваются в разные цвета.

Кадр 17

Следовательно, белому свету не соответствует определённая частота (или длина волны)—он представляет собой несинусоидальное колебание. Разложение несинусоидального колебания на синусоидальные компоненты с определёнными частотами называется спектральным разложением.

Кадр 18

Интерференция света находит широкое применение в науке и технике. Так, интерферометр Майкельсона служит для точных измерений длин.

Кадр 19

Свет, попадая на полупосеребрённую стеклянную пластинку С, разделяется на два когерентных пучка. Отразившись от двух зеркал А и В, пучки встречаются и интерферируют.

Кадр 20

При перемещении зеркала В на расстояние X получится сдвиг на N интерференционных полос: N = 2x/λ = δ/λ.

Кадр 21

Поскольку в приборе уверенно регистрируется сдвиг на 0,1 полосы, то наименьшее измеримое расстояние: x=4λa=0,1·4·10⁻⁷=5·10⁻⁷м (для фиолетового света λ = 4000Å = 4·10⁻⁷м).

Кадр 22

С помощью криптоновой лампы (А) и интерферометра (В) эталон длины – метр – определяется с точностью до девяти значащих цифр: 1 м=1650 763,73 длины волны оранжевой линии в спектре изотопа атома криптона с атомным весом 86.

Кадр 23

Микроинтерферометр Линиика применяется для проверки качества шлифовки поверхностей.

Кадр 24

Высококачественная шлифовка Некачественная шлифовка Прибор позволяет регистрировать дефекты шлифовки размерами порядка ⅓=0,05 микрона.

Кадр 25

2. Дифракция света Опыт показывает, что в некоторых случаях волны огибают края непрозрачных предметов. Это явление называется дифракцией.

Кадр 26

Пусть на непрозрачный экран с отверстием падает плоская волна. Если ширина отверстия меньше длины волны, то оно излучает полусферические волны, как точечный источник.

Кадр 27

Если же ширина отверстия больше длины волны, то за экраном возникает интерференционная картина.

Кадр 28

Отдельные участки фронта волны, прошедшей через отверстие, излучают вторичные волны как самостоятельные когерентные источники, и, поскольку эти волны когерентны, они интерферируют в точках встречи.

Кадр 29

Распределение освещённости в интерференционной картине при дифракции света в круглом отверстии характеризуется наличием центрального главного максимума и нескольких побочных максимумов значительно меньшей интенсивности.

Кадр 30

Линза действует как отверстие в экране, вырезая из фронта волны небольшой участок. Полученное с её помощью изображение окружено интерференционными кольцами. Так выглядит, например, изображение звезды или планеты в фокальной плоскости телескопа.

Кадр 31

Если две звезды видны в телескоп под углом зрения ε(φ=1/λ), то их изображения сливаются. Чтобы увидеть эти звёзды раздельно, нужно увеличить диаметр объектива телескопа.

Кадр 32

Телескоп диаметром d=2 м в зелёном свете (λ=5000Å) не позволяет различить на Луне детали предмета, размер которого h<ΦL . Но так как Φ=1/2, то h=ΦL=100 м.

Кадр 33

Очень чёткая интерференционная картина возникает при прохождении света через дифракционную решётку – стеклянную пластинку, на которой алмазным остриём нанесены параллельные штрихи (от 50 до 600 штрихов на 1 мм).

Кадр 34

С помощью дифракционной решётки можно изменить длину световой волны, используя соотношение dsinγn=nλ.

Кадр 35

Как и любой интерференционный прибор, дифракционная решётка осуществляет спектральное разложение. Если её осветить белым светом, то на экране получится серия спектров. Центральный (нулевой) максимум, естественно, будет белым.

Кадр 36

В. Рентген обнаружил, что при резком торможении электронов возникает излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

Кадр 37

А М. Лауэ открыл волновую природу этого излучения, поставив опыт по дифракции рентгеновских лучей. Оказалось, что при прохождении рентгеновских лучей через пространственную кристаллическую решётку возникает типичная дифракционная картина.

Кадр 38

3. Дисперсия и спектры

Кадр 39

Опыт показывает, что световые пучки разного цвета по-разному преломляются в веществе. Но каждому цвету соответствует определённая частота колебаний.

Кадр 40

Зависимость коэффициента преломления от частоты колебаний (или от длины волны) называется дисперсией.

Кадр 41

При преломлении белого света за счёт дисперсии возникает спектральное разложение. Это явление используется в спектроскопе.

Кадр 42

Свет от раскалённых твёрдых и жидких тел даёт сплошной спектр (А). Если же свет падает на щель от газоразрядной трубки, то наблюдается линейчатый спектр (В).

Кадр 43

Каждая линия спектра – это изображение щели спектроскопа в определённом интервале длин волн.

Кадр 44

Линейчатые спектры возникают при всевозможных переходах электронов в атоме с внешних орбит на внутренние. Наиболее просто расшифровывается таким образом спектр водорода.

Кадр 45

Энергия атома зависит от того, на какой орбите находится электрон. Поэтому вместо системы орбит можно рассматривать систему энергетических уровней атома.

Кадр 46

При переходе электрона с нижнего энергетического уровня на верхний атом поглощает свет с той же длиной волны, которая излучается при обратном переходе электрона. Благодаря этому возникают спектры поглощения.

Кадр 47

Каждому химическому элементу соответствует характерный линейчатый спектр. Это позволяет с помощью спектрального анализа определить химический состав вещества.

Кадр 48

Для скоростного анализа в промышленности применяются стилоскопы—специальные спектроскопы с генератором дуги и искры.

Кадр 49

Спектральный анализ является источником сведений о химическом составе небесных светил.

Кадр 50

При движении источника света или наблюдателя возникает сдвиг спектральных линий (эффект Допплера). Скорость движения определяется по формуле λ=λ₀(1±V/c), где V — скорость источника света, C=3·10⁸ см/сек — скорость света.

Кадр 51

Явления интерференции, дифракции и дисперсии служат несомненным доказательством волновых свойств света.

Кадр 52

КОНЕЦ Автор А. А. Пинский Консультант С. Е. Каменецкий Редактор Л. Б. Книжникова Художник Е. А. Лехт Д-267-66 Студия „Диафильм“, 1966 г. Москва, Центр, Старосадский пер., д. № 7 Цветной О-30

Кадр 53

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Кадр 54

СКОРОСТЬ СВЕТА

Кадр 55

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА