Лабораторная работа 5. Наблюдение явлений интерференции и дифракции света

Определения и обозначения

Интерференция света — усиление и ослабление света при наложении когерентных световых волн. Результат зависит от разности хода Δ: при Δ = mλ волны усиливают друг друга, а при Δ = (m + ½)λ ослабляют. Это понятие нужно, чтобы объяснить чередование максимумов и минимумов освещённости.

Дифракция света — отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении через узкие отверстия или около препятствий. Волна как бы распространяется за край щели, поэтому свет попадает в области геометрической тени. Понятие помогает понять, почему на экране появляется не просто изображение щели, а система полос.

Когерентные волны — волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз. При их наложении одни и те же участки пространства постоянно становятся областями усиления или ослабления. Поэтому только когерентные волны дают устойчивую интерференционную картину, которую можно рассмотреть на экране.

Дифракционная картина — чередование светлых и тёмных участков, возникающее при дифракции и интерференции света. Светлые полосы соответствуют усилению волн, а тёмные — их ослаблению. По виду и расположению полос можно судить об условиях, в которых распространялся свет.

Как это устроено

Для наблюдения направляют узкий пучок света на узкую щель или дифракционную решётку, а за ними устанавливают экран. На экране рассматривают не сам источник, а распределение освещённости: центральную область и полосы по обе стороны от неё. Источник не направляют в глаза, не смотрят в луч и не касаются включённого оборудования.

Огибание краёв становится заметным не при любой щели, а когда её ширина сравнима с длиной волны света. Если отверстие намного больше длины волны, большая часть волны идёт почти прямо, и отклонение мало. Поэтому для опыта используют узкие щели или решётки с близко расположенными штрихами.

Каждый участок щели можно рассматривать как источник вторичных волн, которые распространяются к экрану. В одной точке экрана пути этих волн отличаются так, что гребни складываются с гребнями, и освещённость увеличивается. В другой точке гребень одной волны встречается с впадиной другой, поэтому волны частично или почти полностью гасят друг друга.

Интерференционную картину распознают по устойчивому чередованию максимумов и минимумов, которое объясняется разностью хода когерентных волн. При дифракции обычно заметна широкая и наиболее яркая центральная полоса, а по сторонам располагаются более слабые полосы. В реальном опыте явления связаны: дифракция создаёт волны от разных участков отверстия, а их сложение формирует картину.

При уменьшении ширины щели дифракция становится сильнее, поэтому центральная полоса расширяется. Увеличение расстояния до экрана обычно увеличивает расстояния между наблюдаемыми полосами, хотя сама картина становится менее яркой. Дифракционная решётка даёт множество узких максимумов, а изменение расстояния между её штрихами меняет их положение.

Наблюдаемые явления и особенности световой картины

Таблицу удобно использовать, начиная с причины явления, а затем проверяя условия опыта и вид картины. Последние две строки помогают связать наблюдения с разностью хода и изменением параметров установки. Если признаки совпадают, следует учитывать, что в опыте интерференция и дифракция часто проявляются одновременно.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Направьте свет на узкую щель и установите экран за ней. Опишите, что видно на экране, и укажите признак дифракции. Нужно объяснить наблюдение не появлением новых источников света, а свойствами волны.

1. Сначала отметьте, что после щели свет распространяется не только в направлении прямого продолжения луча.
2. Затем рассмотрите экран: в центре будет наиболее освещённая область, а по сторонам могут появиться чередующиеся слабые светлые и тёмные полосы.
3. Свяжите полосы со сложением волн, пришедших от разных участков щели, и проверьте, что ширина отверстия достаточно мала.

Ответ. На экране наблюдаются центральная светлая область и боковые полосы. Признак дифракции — отклонение света за края узкой щели и неравномерное распределение освещённости вместо резкой геометрической тени.

Задача 2

Условие. Осветите дифракционную решётку и отметьте на экране центральную светлую полосу и полосы по обе стороны от неё. Требуется сравнить их расположение и объяснить происхождение картины.

1. Найдите центральный максимум: он соответствует направлению, в котором разность хода волн от соседних щелей равна нулю.
2. Отметьте симметричные максимумы слева и справа, поскольку одинаковые условия сложения возникают для противоположных направлений.
3. Сделайте вывод, что решётка складывает волны от большого числа щелей и поэтому создаёт более упорядоченные полосы.

Ответ. В центре находится яркая полоса, а по обе стороны от неё — симметричные светлые максимумы с промежуточными тёмными участками. Картина является результатом интерференции волн, прошедших через множество щелей решётки.

Задача 3

Условие. Повторите опыт с двумя решётками, у которых различается расстояние между штрихами, сохранив источник и положение экрана. Нужно сравнить расстояния между светлыми полосами.

1. Зафиксируйте все условия, кроме расстояния между соседними щелями, чтобы изменение картины можно было связать только с решёткой.
2. Наблюдайте положение максимумов относительно центральной полосы и измерьте расстояние до одинаковых боковых полос.
3. Сравните результаты: при меньшем расстоянии между щелями максимумы расходятся дальше от центра, а при большем располагаются ближе.

Ответ. Расстояния между полосами изменяются при замене решётки. Чем меньше период решётки, то есть расстояние между соседними щелями, тем дальше от центрального максимума расположены боковые максимумы.

Типичные ошибки

Интерференция и дифракция — одно и то же. Их путают, потому что в обоих случаях видны светлые и тёмные полосы. Проверьте себя по причине: интерференция подчёркивает сложение когерентных волн, а дифракция связана с прохождением около края или через узкое отверстие.

Светлые и тёмные участки считают самостоятельными источниками. Они появляются не из-за новых ламп, а из-за усиления и ослабления волн. Если мысленно убрать сложение волн, объяснение картины исчезает.

Ожидают заметную дифракцию от большого отверстия. Ошибка возникает при переносе опыта с узкой щелью на отверстие, размеры которого намного больше длины волны. Проверьте соотношение размеров: при большой щели отклонение обычно мало.

Одновременно меняют несколько условий опыта. Тогда невозможно установить, что именно изменило картину. Для проверки меняйте только ширину щели, расстояние до экрана или решётку, сохраняя остальные условия.

Связь с другими темами

До лабораторной работы нужно знать, что свет распространяется как волна и что волны могут складываться. Без этого трудно объяснить появление максимумов и минимумов освещённости.

Длина волны и разность хода помогают связать наблюдаемое положение полос с условиями интерференции. Эти величины показывают, почему в одной точке волны усиливаются, а в другой ослабляют друг друга.

Наблюдения пригодятся при изучении волновых свойств света и дифракционных решёток. С помощью решётки можно исследовать спектр и измерять длину световой волны.

Что запомнить

• Интерференция и дифракция подтверждают волновые свойства света.
• Для устойчивой интерференционной картины нужны когерентные волны.
• Дифракция особенно заметна, если размеры щели или препятствия сравнимы с длиной волны.
• В максимумах волны усиливают друг друга, а в минимумах ослабляют.
• Дифракционная решётка позволяет наблюдать упорядоченную картину светлых и тёмных полос.
• В опыте следует менять по одному условию, чтобы понять его влияние на результат.