Интерференция света дифракция и дисперсия света: Презентация на тему: “ДИСПЕРСИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ДИФРАКЦИЯ. ДИСПЕРСИЯ ОТКРЫЛ НЬЮТОН СВЕТ

    Регистрация седиментации может быть осуществлена с помощью оптических методов, основанных на дифракции, интерференции и поглощении светового пучка, проходящего через кювету с раствором. Первые два метода основаны на различии показателей преломления растворителя и полимера. В методе поглощения света параллельный световой пучок проходит через кювету, изображение которой проектируется на фотопленку, при этом радиальное распределение оптической плотности негатива пропорционально молекулярно-массовому распределению (ММР). [c.39]

    Дифракция, интерференция. Объясняются при помощи представления О свете как об электромагнитной волне  [c.391]

    Двойственный — волновой и корпускулярный — характер явлений ранее всего был открыт для света. Электромагнитная теория света, рассматривая свет как электромагнитные колебания (волны) и пользуясь понятиями длины волны и частоты колебаний, успешно объясняла различные явления, связанные с прохождением света через вещества, — преломление света, дифракцию, интерференцию и др. Но она не могла объяснить явлений поглощения и излучения света. [c.44]

    Для этой цели используются следующие явления физической оптики дисперсия света, дифракция света и интерференция света. [c.8]

    Основное назначение спектрального прибора — разложить в спектр излучение светящейся смеси газов и выделить соответствующие монохроматические составляющие излучения. Для этой цели применяют приборы различных конструкций, основанные на явлениях дисперсии, дифракции и интерференции света. Спектр можно рассматривать визуально, регистрировать на фотопластинке или же при помощи фотоэлектрического приемника излучения. Монохроматор в сочетании с фотоэлектрической приставкой для регистрации излучения и соответствующим записывающим устройством называется спектрометром. [c.89]

    В начале XIX в. Френель развил представления Гюйгенса, объяснив на их основе интерференцию света. В начале XIX в. М. Г. Павлов впервые высказал предположение, что природа света электрическая. Его воззрения подтвердились, когда в середине XIX в. Фарадей, установив действие магнитного поля на направление световых колебаний, заложил основы современной электромагнитной теории света, окончательно разработанной Максвеллом в конце XIX в. Этот новый взгляд на природу света, согласно которому свет — это распространяющееся электромагнитное поле, был подтвержден открытием в конце XIX в. различных электромагнитных волн и позволил объяснить явления интерференции, дифракции и поляризации света. В общем к началу XX в. электромагнитная волновая теория стала общепризнанной. [c.156]

    Завершая краткое изложение элементарных сведений об электромагнитном излучении, нельзя не отметить, что такие явления, как фотоэффект и эффект Комптона, можно понять лишь, если предположить, что свет состоит из отдельных частиц (корпускул). В свою очередь такие явления, как дифракция и интерференция света, достаточно убедительно можно объяснить, исходя из представлений о непрерывном волновом движении. Это позволяет заключить, что свет обладает двойственным характером в одних случаях он проявляет волновые свойства, в других — свойства частиц. [c.16]

    НИЯ классической физики. Загадочной является все же двойственная корпускулярно-волновая природа света. В явлениях дифракции и интерференции свет ведет себя подобно волне, а в фотоэлектрическом эффекте и эффекте Комптона — как поток частиц. [c.21]

    Теория электромагнитного поля была сформулирована в 1862 г. Максвеллом [4]. В последующие годы она была применена для объяснения основных свойств электромагнитных полей и волн. Эта теория сохраняет свое значение и сегодня — для объяснения таких явлений, как отражение, преломление, дифракция, интерференция и поляризация света. [c.10]

    ЗБ. ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА [c.12]

    Современные представления о природе света были сформулированы в 30-х годах XX века и нашли свое выражение в теории, называемой квантовой термодинамикой. Благодаря этой теории удалось непротиворечивым образом объединить, казалось бы, несовместимые ранее представления о природе света как о волне и потоке частиц. Поскольку свет обладает одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами, для объяснения одних явлений можно пользоваться представлением о свете как о волнах (дифракция, интерференция, дисперсия, поляриза ция), а для объяснения других — как о потоке частиц (испускание, поглощение света). [c.7]

    С волновой природой связаны также такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация света, которые также используются в фотографии. [c.18]

    Система контроля концентричности первичного ПЗП основана на явлении дифракции и интерференции света. Концентричность покрытия относительно ОВ измеряют с помощью гелий-неонового лазерного интерферометра. В зависимости от наблюдаемой картины узел нанесения ПЗП перемещают вручную или автоматически, добиваясь наилучшей концентричности. Точность нанесения однослойного покрытия +1 мкм, для двойного + 2 мкм. [c.159]

    Таким образом, фотоэффект совершенно определенно указывает на корпускулярную природу излучения, а интерференция и дифракция столь же определенно свидетельствуют о волновой природе света. Отсюда следует вывод, что движение фотонов характеризуется особыми законами, в которых сочетаются как корпускулярные, так и волновые характеристики. [c.17]

    О волновой природе электрона. У частиц малой массы движение и взаимодействие происходят по законам, отличающимся от законов классической механики. Как было установлено, электромагнитные колебания имеют двойственную природу. Такие явления, как интерференция и дифракция света, свидетельствуют о его волновой природе, а способность оказывать иа освещаемую поверхность механическое давление или вырывать с этой поверхности электроны (фотоэлектрический эффект) указывает иа его корпускулярную природу, т. е. позволяет рассматривать световое излучение как поток частиц, или квантов, названных фотонами. [c.26]

    Спектр, даваемый дифракционной решеткой, возникает вследствие дифракции света, проходящего через систему очень тонких щелей, и последующей интерференции дифрагированных лучей в точке наблюдения. Возникающие при этом максимумы интенсивности подчиняются уравнению  [c.68]

    Волновой характер движения микрочастиц. Как известно, для описания электромагнитного излучения привлекают как волновые, так и корпускулярные представления с одной стороны, монохроматическое излучение распространяется как волна и характеризуется длиной волны Я (или частотой колебания v) с другой стороны, оно состоит из микрочастиц — фотонов, переносящих кванты энергии. Явления дифракции и интерференции электромагнитного излучения (света, радиоволн, Y-лучей, рентгеновских лучей и пр.) убедительно доказывают его волновую природу. В то же время электромагнитное излучение обладает энергией, массой, производит давление и т. д. Так, известно, что за год масса Солнца уменьшается за счет излучения на 1,5-101 т. [c.8]

    Из курса физики известно, что свет обладает двойственной природой волновой и корпускулярной. Такие явления, как дифракция света, интерференция, свидетельствуют о его волновой природе. Явление фотоэффекта (отрыв от поверхности вещества электронов под воздействием света) дает представление о его корпускулярной природе. [c.173]

    Вскоре было установлено, что представление об электроне как частице, подчиняющейся законам классической механики, является ошибочным. Изучение природы и распространения света показало, что он обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. На первые указывает явление фотоэффекта, на вторые — явления интерференции и дифракции света. Корпускулярные свойства фотона выражаются уравнением Планка [c.45]

    Двойственная природа света. Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. В первой половине прошлого века в ре ]ультате изучения явлений интерференции и дифракции света было экспериментально доказано, что свет представляет собой электромагнитные волны. Возникновение в определенных условиях явлений интерференции и дифракции – характерная особенность любого волнового процесса. Однако в XX в. стали известны многочисленные явления, свидетельствующие о том, что свет представляет собой поток материальных частиц. На основе представлений Планка о передаче лучистой энергии квантами Эйнштейн предложил гипотезу о световых квантах, названных фотонами. Корпускулярные свойства света особенно отчетливо проявляются в явлении фотоэффекта. [c.18]

    Оптические методы анализа основаны на измерении характе]5истик оптических свойств вещества (испускание, поглощение, рассеивание, отражение, преломление, дифракция, интерференция, поляризация света), проявляющихся при его взаимодействии с элекгромагнитшш излучением. По характеру взаимодействия электромагнитного излуч(шия с веществом оптические методы анализа обычно подразделяют на эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный, молекулярный абсорбционный спектральный (спектрофотометрия, фотоэлектроколориметрия), люминесцентный, нефелометрический, турбодиметрический, рефрактометрический, интерферометрическиг поляриметрический анализ, а также спектральный анализ на основе спектров комбинационного рассеяния (раман-эффект) и некоторые другие методы, также использующие взаимодействие электромагнитного поля с веществом — ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерная гамма-резонансная спектроскопия (эффект Мессбауэра) и т. д. [c.516]

    Не входя в детали, стоит еще раз отметить, что такие явления, как отражение и преломление спета, можпо понять, если нредиоложить, что свет состоит из отдельных корпускул, распространяющихся прямолинейно. С другой стороны, такие явления, как дифракция и интерференция света, казалось бы, можно истолковать только с точки зрения представлений о непрерывном волновом движении. Естественно, что в этой главе основное внимание уделено той группе явлений, которая подтверждает корпускулярную или квантовую природу излучения. Свет с частотой V здесь рассматривался как нечто, обладающее энергией /IV и массой к/Хт. Но хорощо известные опыты по интерференции света не теряют своей убедительности, и поэтому следует считать доказанным, что свет обладает двойственным характером. В одних случаях он проявляет волновые свойства, а в других — свойства частиц. Правильность соотношения де-Бройля заставляет нас использовать такой же своеобразный подход и к материи. [c.130]

    Известно, например, что открытие дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света и изучение этих явлений в XVII-XVIII вв. не имели никакого отношения к производству и преследовали лишь чисто научные, познавательные цели. Далеко не сразу и не самими авторами было оценено в XVIII-XIX вв. практическое значение знаменитых открытий и теоретических обобщений в области электричества. Отнюдь не повседневной практикой и не материальными стимулами были вызваны оказавшиеся эпохальными для всего естествознания исследования Б. Франклина, Л. Гальвани, X. Эрстеда, М. Фарадея, Дж. Максвелла. А Г. Герц, экспериментально доказавший существование электромагнитных волн, и не подозревал о возможности их практического применения. Обнаруженная A.A. Беккерелем на пороге XX в. радиоактивность, приведшая в конечном счете к рождению новой цивилизации, вначале была воспринята как любопытное малозначащее природное явление. [c.15]

    Двойственную природу обнаруживает также электромагнитное излучение. Дифракция и интерференция света (и радиоволн) служат убедительным доказательством его волново природы. Вместе с тем взаимодействие излучения с частицами вещества доказывает, что излучению присущи также свойства частиц, что его можно рассматривать как газ фотонов. Именно монохроматич. излучение испускается и поглощается атомами или молекулами дискретно, отдельными иорциями , его энергия и импульс изменяются скачкообразно. При столкновении со свободным электроном фотон ведет себя подобно частице, ои передает электрону часть своей эпергии и илшульса. [c.253]

    Действительно, разнообразие и красота растительных красптслей-н] гыентов неисчсриаемы. Вспомним цветы— розы, тюльпаны, гладиолусы. А вот окраска бабочек или жуков связана уже не столько со свойствами молекул, сколько с особой регулярной структурой, образуемой чешуйками на крыле бабочки, или с регулярным микроскопическим строением надкрылий жуков. Это — явления дифракции и интерференции света один из великих оптиков XX века Майкельсон посвятил бабочкам и жукам весьма интересное физическое исследование. [c.153]

    Для решения разнообразных задач спектроскопии используется большой арсенал приборов, назначение которых состоит в том, чтобы разложить излучение источника, состоящее из совокупности излучений различных частот, на эти составляющие частоты, иначе говоря, физически осуществить гармонический анализ излучения источника. Для такого разложения в принципе пригодны все явления, однозначно связанные с частотой излучения. К таким явлениям относятся в первую очередь дисперсия света, дифракция, интерференция, враи ение плоскости поляризации и т. п. Наиболее широко используются при конструкции приборов первые три явления. [c.102]

    Свойства интерференции и дифракции видимого света указывают на то, что он имеет волновой характер. Максвелл показал, что видимый свет составляет лишь часть электромагнитного излучения, которое распространяется в пространстве с постоянной скоростью с (2,998-101 см1сек в вакууме) и представляет собой гармонически осциллирующие электрическое и магнитное поля. Это излучение характеризуется частотой (V) или длиной волны ( ), которые связаны соотношением с = v k. Спектр электромагнитного излучения условно разбивают на несколько областей в соответствии с длиной волны Я (см. рис. 1.1). [c.15]

    Во всех исследовашшх случаях тонкой структуры объектом являлась среда, однородность которой была нарушена мелко диспергированным металлом. При прохождении света через такую среду возможно вообш,е как перераспределение световой энергии рассеянием, дифракцией, интерференцией, так и действительное поглош,ение, сопровождаемое превращением энергии. Если остановить внимание на тонких слоях металла, нанесенных на кварц или стекло, то, по литературным данным [93], рассеяние в тонких слоях серебра, толщиной 150 А, составляет для длины волны 5500 А лишь около 1,5% общего ослабления, вызываемого прохождением через слой. Для более тонких слоев эта доля еще меньше. С другой стороны, эффект тонкой структуры выражается обыкновенно в долях процента и, следовательно, заключается в пределах рассеяния. Представлял интерес эксперимент, который позволил бы выяснить, хотя бы качественно, роль рассеяния. [c.30]

    Мз квантовой теории света следует, что фотон неспособен дро биться он взаимодейстпует как целое с электроном металла, вы бивая его из пластинки как целое он взаимодействует и со светочувствительным веществом фотографической пленки, вызывая ес потемнение в определенной точке, н т. д. В этом смысле фотон ведет себя подобно частице, т. е. проявляет к о р н у с к у л я р ы с свойства. Однако фотон обладает и волновыми свойствами это проявляется в волновом. характере распространения света, в способности фотона к интерференции и дифракции. Фотом отличается от частицы в классическом понимании этого термина тем, что его точное положение в пространстве, как и точное положение любой волны, не может быть указано. Но он отличается и от классической волны — неспособностью делиться на части. Объединяя в себе корпускулярные и волновые свойства, фотон не является, строго говоря, ни частицей, ни волной, — ему присунда корпускулярно-волновая двойственность. [c.66]

    Двойственная природа света. Впервые двойственная корпускулярно-волновая природа была установлена для света. В первой половине прощлого века в результате изучения интерференции и дифракции света было экспериментально обосновано, что свет представляет собой поперечные электромагнитные колебания, Возникновение в определенных условиях явлений и интерференции и дифракции является неотъемлемой особенностью любого волнового процесса. [c.16]

Дифракция, дисперсия, интерференция света – Служебный Дом

С увеличением периода дифракционной решётки в два раза, расстояние между нулевым и первым максимумами уменьшается примерно в два раза.

Нулевой максимум находится напротив дифракционной решётки, луч проходит её без преломления.

Чем выше частота излучения, тем меньше угол преломления луча при переходе из воздуха в воду (из менее оптически плотной среды в более плотную).

Угол преломления – угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности преломления.

Поверхность преломления – граница раздела двух сред.

Угол падения – угол между лучом и нормалью к поверхности.

При переходе из среды в среду, часть света отражается. В фототехнике для уменьшения рассеиваемого в объективе света, а значит, для увеличения яркости изображения на матрице, используется технология просветления объективов, основанная на использовании явления интерференции.

Угол преломления – угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности преломления.

В современных оптических приборах, в том числе фото- и видеокамерах в объективах используется большое количество линз. Как известно, при прохождении границы двух сред, часть света отражается обратно, в сторону источника. Проходя множество линз, яркость света становится меньше, а за одно, появляется потеря чёткости за счёт многократных отражений света между линзами объектива. Чтобы избежать этих проблем, используют технологию просветления объективов. Эта технология основана на использовании явления интерференции света. Линзы покрываются тонкой плёнкой, которая предотвращает отражение света в сторону.

Дифракционная решётка

При прохождении когерентных световых волн через дифракционную решётку, за ней образуется дифракционная картина, состоящая из светлых и тёмных полос. Максимумы находятся в светлых полосах, минимуму – в тёмных.

Период дифракционной решётки – это наименьшее возможное расстояние между сходными участками дифракционной решётки (например, между центрами двух соседних штрихов).

С увеличением периода дифракционной решётки в два раза, расстояние между нулевым и первым максимумами уменьшается примерно в два раза.

Условие интерференционных максимумов дифракционной решётки

в – период решётки

α – угол отклонения максимума

Условие первого максимума: dsinα=λ

Центральный максимум обозначается номером 0.

При увеличении частоты излучения расстояние между интерференционными полосами уменьшается.

Для формирования устойчивой интерференционной картины необходимо наложение когерентных световых волн.

Когерентными называются монохроматические волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз.

Разность хода волн для двух когерентных источников света с одинаковыми фазами равна Δr=kλ, где k – целое число. Разность хода волн кратна их длине. Если изменить расстояние от источника света до дифракционной решётки, то интерференционная картина не изменится. Если же изменить расстояние от дифракционной решётки до экрана, то максимумы сместятся.

Условия минимумов

Δ=(2k+1)λ/2, k – целое число

Доказательством поперечности световых волн является поляризация света.

Чтобы найти длину света, если известно количество максимумов и период решётки, необходимо из уравнения дифракционной решётки выразить длину волны.

Дифракция – явление огибания светом препятствий за счёт волновых качеств световых волн., отклонение света от прямолинейного направления движения вблизи препятствий.

Явление дифракции происходит на краях любых отверстий и экранов.

Интерференция – явление наложения волн когерентных источников друг на друга.

Дисперсия – явление разложения белого луча на составляющие цвета.

Разноцветные полосы на поверхности мыльной плёнки при освещении белым светом появляются за счёт интерференции при отражении волн от обоих поверхностей плёнки , при чём волны накладываются друг на друга в пространстве.

Аномальная дисперсия – дисперсия, при которой белый свет раскладывается на составляющие цвет в обратном порядке, нежели при обычной дисперсии. В основном наблюдается в непрозрачных средах.

Чтобы наблюдать дифракцию с помощью дифракционной решётки, необходимо, чтобы эта решётка давала хотя бы максимумы первого порядка помимо нулевого максимума, расположенного прямо за ней. Чтобы максимум попадал на экран, необходимо, чтобы выполнялось условие sinφ=λ/d<1.

зависимость значения sinφ от длины волны представляет собой линейную функцию. Чем больше длина волны, тем сильнее отклоняется соответствующий максимум.

Чтобы наблюдать дифракцию параллельного пучка света, необходимо правильно расположить приборы: пучок света, дифракционная решётка, собирающая линза, экран.

Дисперсия света не наблюдается в плоско-параллельной пластине стекла, если луч падает перпендикулярно поверхности. Если луч падает на перпендикулярно поверхности, то дисперсия света всё же будет наблюдаться.

Дали бы нам дифракционную решётку. Если уменьшить период d, то расстояние между дифракционными полосами увеличится.

Если уменьшить расстояние между дифракционной решёткой, то расстояние между интерференционными полосами уменьшится.

Если изменить расстояние от точечного источника света до дифракционной решётки, то дифракционная картина не изменится.

Чтобы при опытах с дифракционной решёткой при использовании разных монохроматических цветов расстояния между интерференционными полосами не изменилось, необходимо, чтобы при уменьшении длины волны света уменьшался период дифракционной решётки.

Если точка лежит в тёмной полосе, значит световые волны приходят в неё в противофазе.

Если точка лежит в центре светлой полосы, то оптическая разность хода лучей от источников до точки равна чёткому числу половин длин волны.

Чтобы найти период дифракционной решётки, необходимо выразить из основной формулы переменную d и найти её значение.

Для того, чтобы наблюдать дифракционную картину при помощи дифракционной решётки и параллельных лучей монохроматического света, необходимо между решёткой и экраном установить тонкую собирающую линзу, а экран установить так, чтобы он располагался в фокусе линзы. При этом не важно, на каком расстоянии от линзы находится решётка. После точки фокуса лучи расходятся в разные стороны и изображение расплывается.

8.8 Дисперсия, рассеяние, интерференция и дифракция света

Свет: волна и частица, физика

Дисперсия

Цель

В конце урока вы должны уметь различать дисперсию, рассеяние и интерференцию , и дифракция света.

Свет – это волна и частица одновременно; как волна, она может рассеиваться, рассеиваться, интерферировать и дифрагировать.

Дисперсия – это разделение белого света на семь цветовых компонентов при преломлении или изгибе света.Белый свет состоит из разного цветового спектра: красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, индиго и фиолетового. Каждому цвету соответствует своя волновая частота; разные световые частоты изгибаются на разную величину, когда проходят через призму. Когда белый свет проходит через призму, он преломляется два раза, делая заметным разделение цветов.

Рассеяние света – это способность частиц поглощать свет и рассеивать его во всех направлениях. Рассеяние легких компонентов зависит от размера частиц или рассеивателей; мелкие частицы рассеивают компоненты с короткими длинами волн (высокая частота), в то время как более крупные частицы рассеивают более длинные волны (низкая частота).

Наша атмосфера состоит из крошечных частиц, которые рассеивают цветные компоненты белого света. Атмосфера изобилует частицами азота и кислорода, которые могут рассеивать высокочастотные компоненты белого света. Они рассеивают больше всего фиолетового, за ним следуют синий, зеленый и так далее. Это селективное рассеяние называется рассеянием Рэлея. Наши глаза более чувствительны к синим частотам света, поэтому мы видим небо голубым.

Другой пример – облака.Облака кажутся белыми, потому что капли воды в облаках больше длины волны света, которые равномерно рассеивают все цвета света. Этот тип рассеяния известен как рассеяние Ми.

Дифракция

Дифракция – это изгибание света, когда он встречает препятствие или отверстие. Тень обычно образуется, когда свет встречает препятствие. Искривление света не очень заметно, но если вы посмотрите вокруг краев тени, вы заметите размытые участки или дифракционные полосы; это области, где происходит дифракция света.

Степень дифракции зависит от длины волны света и размера препятствия. Кроме того, чем меньше отверстие, тем больше дифракция света, как показано на схемах A, B и C ниже. Чем больше длина волны, тем больше дифракция света, как показано на диаграммах D и E ниже.

Пример

Эффекты дифракции иногда не помогают при просмотре объектов под микроскопом. Когда длина волны света совпадает с размером объекта, дифракция размывает изображение.Когда длина волны света больше размера объекта, изображение не видно.

Помехи

Помехи – это результат наложения волн от разных источников. Если вы исследуете тень, образованную дифракцией света, вы увидите полосы на краю тени. Эти полосы или интерференция световых волн являются результатом дифракции света на разных сторонах объектов или препятствия, из-за чего тень становится нечеткой. Когда это свойство наблюдалось в видимом свете, это считалось четким доказательством волновой природы света.

Конструктивная и деструктивная интерференция

Конструктивная интерференция происходит, когда две идентичные части двух волн встречаются, например, гребень одной волны встречается с гребнем другой волны той же длины волны; это приведет к появлению новой волны с той же длиной волны, но с удвоенной амплитудой.

Деструктивная интерференция происходит, когда две противоположные части двух волн встречаются, например, гребень одной волны встречается с впадиной другой волны, что может привести к подавлению двух волн.

На изображении ниже показано дифракция света от двух источников или отверстий. Когда волны из этих двух отверстий встречаются, они интерферируют и создают интерференционные картины. Яркие полосы – это области, где волны конструктивно интерферируют, а темные полосы – это области, где волны интерферируют разрушающе.

Попробуй!

Попытайтесь увидеть дифракцию и интерференцию, держа два стержня карандаша рядом, затем направьте лазерный луч на прорези и спроецируйте изображение на стену.Опишите, что вы видите. Можете ли вы отличить интерференцию от дифракции?

Как вы думаете?

Как дисперсия, рассеяние, интерференция и дифракция света подтверждают волновую природу света?

Ключевые моменты

• Дисперсия – это разделение белого света на семь цветовых компонентов при преломлении или изгибе света. Когда белый свет проходит через призму, он преломляется два раза, делая заметным разделение цветов.
• Рассеяние света – это способность частиц поглощать свет и рассеивать его во всех направлениях.
• Дифракция – это искривление света, когда он встречает препятствие или отверстие.
• Помехи – это результат наложения волн от разных источников.
• Конструктивная интерференция возникает, когда встречаются две идентичные части двух волн, например, когда гребень одной волны встречается с гребнем другой волны той же длины волны.
• Деструктивная интерференция возникает, когда встречаются две противоположные части двух волн, например, гребень одной волны встречается с впадиной другой волны, что приводит к подавлению двух волн.

8.8 Контрольные вопросы

1. Что из следующего относится к разделению белого света на составляющие его цвета при его преломлении?

• A. дифракция
• B. рассеяние
• C. дисперсия
• D. интерференция

2. При каком из следующих явлений может наблюдаться дифракция света?

• A. радуги
• B. тени
• C. голубое небо
• D. белые облака

3.Что из следующего должно произойти, чтобы получить волну той же длины, но в два раза превышающую амплитуду двух встречных волн?

• A. Конструктивная интерференция, когда встречаются идентичные части двух разных волн.
• B. Конструктивная интерференция должна возникать там, где встречаются противоположные части двух разных волн.
• C. Деструктивная интерференция должна возникать там, где встречаются противоположные части двух разных волн.
• D. Деструктивная интерференция должна возникать там, где встречаются идентичные части двух разных волн.

4. Что из следующего лучше всего описывает взаимосвязь между величиной дифракции и размером препятствия?

• A. Чем больше размер препятствия, тем больше дифракция.
• B. Размер препятствия не влияет на величину дифракции.
• C. Степень дифракции зависит только от длины волны света.
• D. Чем меньше размер препятствия, тем больше дифракция.

5.Что из следующего лучше всего объясняет, почему небо голубое?

• I. Атмосфера состоит из крошечных частиц, которые рассеивают компоненты света с более короткими длинами волн.
• II. Синий – это длинноволновый компонент света, который легко рассеивается частицами атмосферы.
• III. Синий – это компонент света с короткой длиной волны, который легко рассеивается частицами атмосферы.
• IV. Атмосфера состоит из крошечных частиц, которые рассеивают компоненты света с более длинными волнами.
• A. I и II
• B. I и III
• C. II и IV
• D. III и IV

6. Что из следующего лучше всего объясняет, почему свет рассеивается, когда проходит через призму?

• I. Скорость света изменяется по мере его перемещения от воздуха к призме.
• II. Цвета света имеют разные частоты; таким образом, они преломляются в разной степени, образуя ROYGBIV.
• III. Скорость света остается постоянной, когда он движется от воздуха к призме.
• IV. Цвета света имеют разные частоты; таким образом, они преломляются на одинаковую величину.
• A. I и II
• B. I и III
• C. II и IV
• D. III и IV

7. Что из следующего лучше всего объясняет, почему облака белые?

• I. Капли воды в облаках больше длины волны света.
• II. Капли воды в облаках меньше длины волны света.
• III.Капельки воды рассеивают только белый свет; таким образом мы видим белый свет.
• IV. Все компоненты света равномерно рассеиваются каплями воды; таким образом мы видим белый свет.
• A. I и II
• B. I и III
• C. II и IV
• D. I и IV

8. Какое из следующих утверждений лучше всего описывает Рэлея из рассеяния Ми?

• I. Рэлеевское рассеяние – это рассеяние более коротковолновой составляющей света.
• II.Рэлеевское рассеяние – это рассеяние всех компонентов света одинаково.
• III. Рэлеевское рассеяние объясняет, почему облака белые.
• IV. Рассеяние Рэлея объясняет, почему небо голубое.
• A. I и II
• B. I и III
• C. II и IV
• D. I и IV

9. Что из следующего лучше всего объясняет, почему дифракция иногда не помогает при просмотре объектов под микроскоп?

• I. Когда длина волны света меньше длины волны объекта, изображение не видно.
• II. Дифракция света помогает увеличить размер объекта, наблюдаемого под микроскопом.
• III. Когда длина волны света совпадает с размером объекта, дифракция размывает изображение.
• IV. Когда длина волны света больше размера объекта, изображение не видно.
• A. I и II
• B. I и III
• C. II и IV
• D. III и IV

10. Что в интерференционной картине представляют белые полосы и темные полосы света?

• I.Белые полосы представляют собой конструктивную интерференцию, а темные полосы – деструктивную интерференцию.
• II. Белые полосы представляют собой деструктивную интерференцию, а темные полосы – конструктивную интерференцию.
• III. Белые и темные полосы представляют собой конструктивную интерференцию.
• IV. И белые, и темные полосы представляют собой деструктивную интерференцию.
• A. I только
• B. I и III
• C. II и IV
• D. I и IV

преломление, дисперсия и дифракция – видео и стенограмма урока

Refraction

Refraction – это просто изгибание света, когда он перемещается из одного материала в другой.Если свет направлен под углом 90 ° к поверхности, изгиба не происходит. Но если светить под углом, он так или иначе искривляется. То, как он изгибается, зависит от плотности материалов как источника, так и поверхности, на которую он падает, а различная плотность материала, в котором начинается свет, и материала, которым он заканчивается, является причиной преломления.

Думайте о луче света как о серии волновых фронтов, представленных в виде линий.Если светить под углом, одна сторона волнового фронта достигает нового материала раньше другой. Свет распространяется медленнее в более плотном материале, поэтому одна сторона волнового фронта замедляется или ускоряется раньше другой, и это заставляет свет изгибаться.

Если свет перемещается от материала с низкой плотностью к материалу с высокой плотностью, свет будет отклоняться в направлении нормали или, другими словами, в сторону линии, идущей под углом 90 ° к поверхности.Если свет перемещается от материала с высокой плотностью к материалу с низкой плотностью, свет отклоняется от нормального. Вот и все, что вам нужно знать о преломлении.

Дифракция

Дифракция – это процесс, при котором луч света проходит через зазор или вокруг барьера и в результате распространяется. Например, если направить свет через щель, он расширится и получится более широкий луч. Дифракция также имеет тенденцию приводить к интерференционным картинам.Если рассеянный свет попадает на экран, образуется узор, потому что разные части луча света накладываются друг на друга. Это интерференционная картина. Но почему это происходит? Помните, что свет – это волна, а волны содержат пики и впадины. Когда два пика или две впадины перекрываются, на экране появляется яркая область; при наложении пика и впадины на экране появляется темная область.

Дисперсия

Дисперсия – это процесс, при котором свет разных частот или цветов преломляется в разной степени.Это происходит потому, что способ отклонения света зависит от его частоты, которая также определяет его цвет. Белый свет содержит полную радугу цветов, и каждый из этих цветов имеет разную частоту света, что просто означает, что это разная частота волны. Вот почему свет расщепляется на радугу, когда вы светите через призму. Это расщепление происходит всегда, но призма имеет такую ​​форму, чтобы это подчеркивать.

Краткое содержание урока

Световые волны – это волны, которые составляют часть электромагнитного спектра, который включает видимый свет, радиоволны, инфракрасные, микроволны, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи.Эти световые волны могут преломляться, дифракционировать и рассеиваться.

Преломление – это когда свет, движущийся из одной среды в другую с другой плотностью, изгибается по направлению к нормальной линии под углом 90 ° или от нее. Если новая среда более плотная, свет будет отклоняться в сторону нормального. Если новая среда будет менее плотной, свет будет отклоняться от обычного. Дифракция – это когда свет распространяется после прохождения через зазор или обхода препятствия, что может привести к интерференционным картинам. А дисперсия – это процесс, при котором свет разных частот или цветов преломляется в разной степени.Вы можете использовать это для создания радуги, когда светите белым светом через призму.

Дисперсия – Университетская физика, том 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните причину рассеивания в призме
• Опишите эффекты рассеивания при образовании радуги
• Обобщите преимущества и недостатки дисперсии

Все наслаждаются зрелищем радуги, мерцающей на фоне темного грозового неба.Как солнечный свет, падающий на прозрачные капли дождя, превращается в радугу цветов, которые мы видим? Тот же самый процесс заставляет белый свет разделяться на цвета прозрачной стеклянной призмой или ромбом ((Рисунок)).

Цвета радуги (а) и цветов, создаваемых призмой (b), идентичны. (кредит а: модификация работы «Alfredo55» / Wikimedia Commons; кредит б: модификация работы НАСА)

Мы видим в радуге около шести цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый; иногда также упоминается индиго.Эти цвета связаны с разными длинами волн света, как показано на (Рисунок). Когда наш глаз получает свет чистой длины волны, мы склонны видеть только один из шести цветов, в зависимости от длины волны. Тысячи других оттенков, которые мы можем ощутить в других ситуациях, – это реакция нашего глаза на различные комбинации длин волн. В частности, белый свет представляет собой довольно однородную смесь всех видимых длин волн. Солнечный свет, который считается белым, на самом деле кажется немного желтоватым из-за смеси длин волн, но он содержит все видимые длины волн.Последовательность цветов в радугах такая же, как и цвета, показанные на рисунке. Это означает, что белый свет распространяется по радуге в зависимости от длины волны. Дисперсия определяется как распространение белого света на полный спектр длин волн. С технической точки зрения, дисперсия возникает тогда, когда распространение света зависит от длины волны.

Несмотря на то, что радуга связана с шестью цветами, она представляет собой непрерывное распределение цветов в соответствии с длинами волн.

Волны любого типа могут иметь дисперсию. Например, звуковые волны, все типы электромагнитных волн и волны на воде могут быть распределены по длине волны. Рассеивание может потребовать особых обстоятельств и может привести к впечатляющим показам, например, к созданию радуги. Это также верно для звука, поскольку все частоты обычно перемещаются с одинаковой скоростью. Если вы слушаете звук через длинную трубку, такую ​​как шланг пылесоса, вы легко можете услышать, как он рассеивается при взаимодействии с трубкой.Фактически, дисперсия может многое рассказать о том, с чем столкнулась волна, которая рассеивает ее длины волн. Например, рассеяние электромагнитного излучения из космоса многое раскрыло о том, что существует между звездами – так называемой межзвездной среде.

Refraction отвечает за рассеивание в радугах и во многих других ситуациях. Угол преломления зависит от показателя преломления, как мы знаем из закона Снеллиуса. Мы знаем, что показатель преломления n зависит от среды.Но для данной среды n также зависит от длины волны ((рисунок)). Обратите внимание, что для данной среды n увеличивается с уменьшением длины волны и является наибольшим для фиолетового света. Таким образом, фиолетовый свет изгибается больше, чем красный, как показано для призмы на (Рисунок) (b). Белый свет рассеивается в той же последовательности длин волн, что и на (Рисунок) и (Рисунок).

(a) Чистая длина волны света падает на призму и преломляется на обеих поверхностях.(b) Белый свет рассеивается призмой (показано в преувеличении). Поскольку показатель преломления зависит от длины волны, углы преломления зависят от длины волны. Создается последовательность от красного к фиолетовому, потому что показатель преломления постоянно увеличивается с уменьшением длины волны.

Рассеивание белого света кремневым стеклом Луч белого света проходит из воздуха в кремневое стекло под углом падения. Каков угол между красной (660 нм) и фиолетовой (410 нм) частями преломленного света?

Стратегия Значения показателей преломления бесцветного стекла на различных длинах волн приведены на (Рисунок).Используйте эти значения для расчета угла преломления для каждого цвета, а затем возьмите разницу, чтобы найти угол рассеивания.

Решение Применение закона преломления для красной части луча

угол преломления можно найти как

Аналогично, угол падения фиолетовой части луча равен

Разница между этими двумя углами составляет

Значение Хотя угол может показаться пренебрежимо малым, если этому лучу позволить распространиться на достаточно большое расстояние, разброс цветов становится весьма заметным.

Проверьте свое понимание В предыдущем примере, на какое расстояние внутри блока бесцветного стекла должны пройти красный и фиолетовый лучи, прежде чем они разделятся на 1,0 мм?

Радуга получается сочетанием преломления и отражения. Возможно, вы заметили, что видите радугу только тогда, когда отводите взгляд от Солнца. Свет попадает в каплю воды и отражается от обратной стороны капли ((Рисунок)). Свет преломляется как при входе, так и при выходе из капли.Поскольку показатель преломления воды зависит от длины волны, свет рассеивается, и наблюдается радуга ((Рисунок) (a)). (На задней поверхности не происходит рассеивания, потому что закон отражения не зависит от длины волны.) Фактическая радуга цветов, видимая наблюдателем, зависит от множества лучей, преломляемых и отражающихся в глаза наблюдателя от множества капель воды. Эффект наиболее впечатляющий, когда фон темный, как в штормовую погоду, но также может наблюдаться у водопадов и поливочных машин для газонов.Дуга радуги возникает из-за необходимости смотреть под определенным углом относительно направления на Солнце, как показано в части (b). Если в капле воды происходит два отражения света, образуется еще одна «вторичная» радуга. Это редкое событие создает дугу, которая находится над основной дугой радуги, как в части (c), и дает цвета в порядке, обратном первичной радуге, с красным под наименьшим углом и фиолетовым под наибольшим углом.

Луч света, падающий на эту каплю воды, входит и отражается от обратной стороны капли.Этот свет преломляется и рассеивается как при входе, так и при выходе из капли.

(a) Разные цвета появляются в разных направлениях, поэтому вы должны смотреть в разные места, чтобы увидеть разные цвета радуги. (b) Дуга радуги возникает из-за того, что линия между наблюдателем и любой точкой дуги должна составлять правильный угол с параллельными лучами солнечного света, чтобы наблюдатель принял преломленные лучи. (c) Двойная радуга. (кредит c: модификация работы Николаса / Wikimedia Commons)

Дисперсия может давать красивые радуги, но может вызывать проблемы в оптических системах.Белый свет, используемый для передачи сообщений в оптоволокне, рассеивается, распространяется во времени и в конечном итоге перекрывается с другими сообщениями. Поскольку лазер излучает почти чистую длину волны, его свет имеет небольшую дисперсию, что является преимуществом по сравнению с белым светом для передачи информации. Напротив, дисперсия электромагнитных волн, приходящих к нам из космоса, может использоваться для определения количества вещества, через которое они проходят.

Сводка

• Распространение белого света на полный спектр длин волн называется дисперсией.
• Радуга создается комбинацией преломления и отражения и включает рассеивание солнечного света в непрерывное распределение цветов.
• Дисперсия дает красивые радуги, но также вызывает проблемы в некоторых оптических системах.

Концептуальные вопросы

Возможно ли, что полное внутреннее отражение играет роль в радуге? Объясните с точки зрения показателей преломления и углов, возможно, ссылаясь на то, что показано ниже. Некоторые из нас видели образование двойной радуги; физически возможно наблюдать тройную радугу?

(кредит: «Чад» / Flickr)

Высококачественный алмаз может быть совершенно прозрачным и бесцветным, пропускать все видимые длины волн с небольшим поглощением.Объясните, как он может сверкать яркими вспышками при освещении белым светом.

Помимо полного внутреннего отражения, лучи, преломляющиеся в кристаллы алмаза и выходящие из них, подвержены дисперсии из-за различных значений n по спектру, что приводит к яркому отображению цветов.

Проблемы

(а) Каково отношение скорости красного света к скорости фиолетового света в алмазе на основе (Рисунок)? б) Каково это соотношение в полистироле? (c) Какая из них более дисперсная?

Луч белого света выходит из воздуха в воду под углом падения.Под какими углами преломляются красная (660 нм) и фиолетовая (410 нм) части света?

для красного, для фиолетового

Насколько различаются критические углы для красного (660 нм) и фиолетового (410 нм) света в алмазе, окруженном воздухом?

(a) Узкий луч света с длинами волн желтого (580 нм) и зеленого (550 нм) цветов проходит от полистирола к воздуху, падая на поверхность под углом. Какой угол между цветами, когда они появляются? (б) Как далеко им придется пройти, чтобы их разделяла 1.00 мм?

а. ; б. 1,3 м

Параллельный луч света оранжевого (610 нм) и фиолетового (410 нм) длин волн идет от плавленого кварца к воде, падая на поверхность между ними под углом падения. Каков угол между двумя цветами в воде?

Луч света с длиной волны 610 нм проходит из воздуха в плавленый кварц под углом падения. Под каким углом падения свет с длиной волны 470 нм должен входить в бесцветное стекло, чтобы иметь такой же угол преломления?

Узкий луч света, содержащий красный (660 нм) и синий (470 нм) длины волн, распространяется из воздуха через 1.Плоский кусок коронного стекла толщиной 00 см и снова в воздухе. Луч падает под углом падения. а) Под каким углом появляются два цвета? б) На каком расстоянии красные и синие отделены друг от друга, когда они появляются?

Глоссарий

дисперсия

Распространение света в его спектр длин волн

17.2 Приложения дифракции, интерференции и когерентности – физика

Цели обучения секции

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Объяснять поведение волн, включая отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и когерентность, и описывать приложения, основанные на этом поведении
• Выполнение расчетов, связанных с приложениями, на основе волновых свойств света

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

• (7) Научные концепции.Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
  • (D) исследовать поведение волн, включая отражение, преломление, дифракцию, интерференцию, резонанс и эффект Доплера и
  • (F) описать роль волновых характеристик и поведения в медицинских и промышленных приложениях.

Раздел Основные термины

Волновые приложения света

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Определите термины лазер, дифракционная решетка и разрешение .

[OL] Напомните учащимся о значении когерентного света с точки зрения волновых свойств. Попросите учащихся назвать примеры лазеров и дифракционных решеток. Предложите обычные, которые им не хватает, например лазеры, используемые в хирургии, в качестве указателей для чтения компакт-дисков и дифракционные решетки на поверхности компакт-дисков, радужные минералы, спину жуков и в спектроскопах.

[AL] Объясните, как для очень коротких длин волн (λ <10–12 м λ <10–12 м) предел разрешения связан с принципом неопределенности Гейзенберга.

Предупреждение о неправильном представлении

Идеальное разрешение невозможно. Всегда будет некоторое размытие изображений, независимо от размера апертуры или длины волны света, используемого для создания изображения.

В 1917 году Альберт Эйнштейн думал о фотонах и возбужденных атомах. Он рассмотрел атом, возбужденный определенным количеством энергии, и то, что произошло бы, если бы этот атом столкнулся с фотоном с таким же количеством энергии. Он предположил, что атом будет излучать фотон с таким количеством энергии, и он будет сопровождаться исходным фотоном.Интересно то, что у вас будет двух фотонов с той же энергией и , которые они будут находиться в фазе. Эти фотоны могут попасть в другие возбужденные атомы, и вскоре у вас будет поток синфазных фотонов. Такой световой поток называется когерентным . Примерно четыре десятилетия спустя идея Эйнштейна нашла применение в процессе, названном «усиление света за счет вынужденного излучения ». Возьмите первые буквы всех слов (кроме , и «из») и напишите их по порядку.Вы получите слово , лазер, (см. Рис. 17.2 (а)), которое является названием устройства, излучающего такой луч света.

Лазерные лучи являются направленными, очень интенсивными и узкими (всего около 0,5 мм в диаметре). Эти свойства находят широкое применение в промышленности и медицине. Ниже приведены лишь несколько примеров:

• Эта глава началась с изображения компакт-диска (см. Рис. 17.1). Эти аудиоустройства и устройства хранения данных начали заменять кассеты в 1990-х годах.Компакт-диски читаются путем интерпретации вариаций отражения лазерного луча от поверхности.
• В некоторых сканерах штрих-кода используется лазерный луч.
• Лазеры используются в промышленности для резки стали и других металлов.
• Лазеры отражаются от отражателей, оставленных космонавтами на Луне. Время, необходимое для прохождения света туда и обратно, можно использовать для точных расчетов расстояния Земля-Луна.
• Лазерные лучи используются для изготовления голограмм. Название голограмма означает целое изображение (от греческого голо – , как в целостный ), потому что изображение является трехмерным.Зритель может перемещаться по изображению и видеть его с разных точек зрения. Голограммы используют волновые свойства света, в отличие от традиционной фотографии, основанной на геометрической оптике. Голографическое изображение создается за счет конструктивной и деструктивной интерференции разделенного лазерного луча.
• Одним из преимуществ использования лазера в качестве хирургического инструмента является то, что он сопровождается очень небольшим кровотечением.
• Лазерная хирургия глаза улучшила зрение многих людей без необходимости использования корректирующих линз.Лазерный луч используется для изменения формы хрусталика глаза, тем самым изменяя его фокусное расстояние.

Виртуальная физика

Лазеры

Эта анимация позволяет вам изучить работу лазера. Сначала посмотрите на изображение настоящего лазера. Измените энергию входящих фотонов и посмотрите, сможете ли вы сопоставить ее с уровнем возбуждения, который будет производить пары когерентных фотонов. Измените уровень возбуждения и попытайтесь согласовать его с энергией поступающего фотона.

В анимации только один возбужденный атом.Так ли обстоит дело с настоящим лазером? Объяснять.

1. Нет, в лазере было бы два возбужденных атома.
2. Нет, в лазере было бы несколько миллионов возбужденных атомов.
3. Да, у лазера был бы только один возбужденный атом.
4. Нет, в лазере было бы порядка 10 ²³ возбужденных атомов.

Интересная вещь происходит, если пропускать свет через большое количество равномерно расположенных параллельных щелей. Такое расположение щелей называется дифракционной решеткой.Создается интерференционная картина, очень похожая на картину, образованную дифракцией на двух щелях (см. Рис. 17.8 и рис. 17.9). Дифракционная решетка может быть изготовлена ​​путем царапания стекла острым инструментом с образованием ряда точно расположенных параллельных линий, которые действуют как щели. Дифракционные решетки работают как для пропускания света, как на рисунке 17.13, так и для отражения света, как на крыльях бабочки или австралийском опале, показанном на рисунке 17.14, или компакт-диске, изображенном на начальном рисунке этой главы.Помимо использования в качестве новинки, дифракционные решетки обычно используются для спектроскопической дисперсии и анализа света. Что делает их особенно полезными, так это то, что они образуют более резкий узор, чем двойные прорези. То есть их светлые области уже и ярче, а темные – темнее. На рисунке 17.15 показаны идеализированные графики, демонстрирующие более резкую картину. В перьях некоторых птиц встречаются естественные дифракционные решетки. Крошечные, похожие на пальцы структуры в регулярных узорах действуют как отражающие решетки, создавая конструктивную интерференцию, которая придает цвет перьям не только из-за их пигментации.Эффект называется радужностью.

Рис. 17.13 Дифракционная решетка состоит из большого количества равномерно расположенных параллельных щелей. (а) Свет, проходящий через решетку, дифрагирует по схеме, подобной двойной щели, с яркими областями под разными углами. (б) Картина, полученная для белого света, падающего на решетку. Центральный максимум – белый, а максимумы более высокого порядка рассеивают белый свет на радугу цветов.

Рис. 17.14. (A) Этот австралийский опал и (b) крылья бабочки имеют ряды отражателей, которые действуют как отражающие решетки, отражая разные цвета под разными углами.(кредит: (a) Opals-On-Black.com, через Flickr (b) whologwhy, Flickr)

Рис. 17.15 Идеализированные графики интенсивности света, проходящего через двойную щель (a) и дифракционную решетку (b) для монохроматического света. Максимумы могут быть получены при тех же углах, но максимумы для дифракционной решетки более узкие и, следовательно, более резкие. Максимумы становятся более узкими, а области между ними темнеют по мере увеличения количества щелей.

Snap Lab

Дифракционная решетка

• CD (компакт-диск) или DVD
• Рулетка измерительная
• Солнечный свет у белой стены

Инструкции

Процедура

1. Держите компакт-диск под прямыми солнечными лучами у стены и перемещайте его, пока на стене не появится круговой радужный узор.
2. Измерьте расстояние от компакт-диска до стены и расстояние от центра кругового узора до цвета радуги. Используйте эти два расстояния для вычисления tanθtanθ. Найдите sinθsinθ.
3. Найдите длину волны выбранного вами цвета. Это λλ.
4. Решите dsinθ = mλdsinθ = mλ для d .
5. Сравните ваш ответ с обычным интервалом между дорожками компакт-диска, который составляет 1600 нм (1,6 мкм).

   Как узнать, какой номер использовать для м ?

   1. Подсчитайте кольца радуги, предшествующие выбранному цвету.
   2. Рассчитайте m от частоты света выбранного цвета.
   3. Вычислите м из длины волны света выбранного цвета.
   4. Значение м. фиксировано для каждого цвета.

Развлечение с физикой

CD-плееры

Вы видите бороздки на CD или DVD (см. Рисунок 17.16)? Вы можете подумать, что можете, потому что знаете, что они есть, но они очень узкие – 1600 в миллиметре. Поскольку ширина канавок подобна длинам волн видимого света, они образуют дифракционную решетку.Вот почему вы видите радугу на компакт-диске. Цвета привлекательны, но они второстепенны для функций хранения и извлечения аудио и других данных.

Рисунок 17.16 Для своего размера этот компакт-диск содержит удивительное количество информации. Точно так же проигрыватель компакт-дисков установлен в удивительном количестве электронных устройств.

Канавки на самом деле представляют собой одну непрерывную канавку, которая идет по спирали наружу от центра. Данные записываются в канавки в виде двоичного кода (нули и единицы) в небольших углублениях.Информация в углублениях обнаруживается лазером, который отслеживает канавку. Это становится еще более сложным: скорость вращения должна изменяться по мере того, как лазер движется по окружности, чтобы линейная скорость вдоль канавки оставалась постоянной. Также имеется механизм коррекции ошибок, предотвращающий отклонение лазерного луча от траектории. Дифракционная решетка используется для создания первых двух максимумов по обе стороны от дорожки. Если эти максимумы находятся на разном расстоянии от трека, ошибка отображается и затем исправляется.

Ямки обладают отражающей способностью, поскольку покрыты тонким слоем алюминия. Это позволяет отражать лазерный луч обратно и направлять его на фотодиодный детектор. Затем сигнал может быть обработан и преобразован в звук, который мы слышим.

Наибольшая длина волны видимого света составляет около 780 нм. Как это соотносится с расстоянием между канавками компакт-диска?

1. Длина канавок примерно в 3 раза больше длины волны видимого света.
2. Длина бороздок примерно в 2 раза больше длины волны видимого света.
3. Канавки примерно в 2 раза длиннее самой короткой волны видимого света.
4. Канавки примерно в 3 раза длиннее самой короткой волны видимого света.

Ссылки на физику

Биология: ДИК-микроскопия

Если бы вы были полностью прозрачными, вас было бы трудно узнать по фотографии. Та же проблема возникает при использовании традиционного микроскопа для просмотра или фотографирования небольших прозрачных объектов, таких как клетки и микробы. Микроскопы, использующие дифференциальный интерференционный контраст (ДИК), решают эту проблему, позволяя рассматривать микроскопические объекты с повышенным контрастом, как показано на рисунке 17.17.

Рис. 17.17 Этот водный организм был сфотографирован с помощью микроскопа DIC. (кредит: Публичная научная библиотека)

Микроскоп ДИК разделяет поляризованный источник света на два луча, поляризованных под прямым углом друг к другу и когерентных друг с другом, то есть синфазных. После прохождения через образец лучи рекомбинируются и выравниваются так, чтобы они имели одну и ту же плоскость поляризации. Затем они создают интерференционную картину, вызванную различиями в их оптическом пути и показателях преломления частей образца, через которые они прошли.В результате получается изображение с контрастом и затемнением, которое невозможно наблюдать с помощью традиционной оптики.

Где используются дифракционные решетки? Дифракционные решетки являются ключевыми компонентами монохроматоров – устройств, которые разделяют различные длины волн падающего света и пропускают луч только с определенной длиной волны. Монохроматоры используются, например, для получения оптических изображений определенных длин волн из биологических или медицинских образцов. Дифракционная решетка может быть выбрана для специального анализа длины волны света, излучаемого молекулами в пораженных клетках в образце биопсии, или для помощи в возбуждении стратегических молекул в образце с выбранной частотой света.Другое важное применение – это технологии оптического волокна, где волокна предназначены для обеспечения оптимальных характеристик на определенных длинах волн. Доступен ряд дифракционных решеток для выбора конкретных длин волн для такого использования.

Дифракционные решетки используются в спектроскопах для разделения источника света на составляющие его длины волн. Когда материал нагревается до накала, он испускает световые волны с длиной волны, характерной для химического состава материала. Чистое вещество дает уникальный спектр, что позволяет идентифицировать вещество.Спектроскопы также используются для измерения длин волн как короче, так и длиннее видимого света. Такие инструменты стали особенно полезны астрономам и химикам. На рисунке 17.18 показана схема спектроскопа.

Рисунок 17.18 На схеме показана функция дифракционной решетки в спектроскопе.

Свет дифрагирует при движении в пространстве, огибая препятствия и создавая конструктивные и деструктивные помехи. Хотя дифракция позволяет использовать свет как спектроскопический инструмент, она также ограничивает детализацию, которую мы можем получить на изображениях.

На рис. 17.19 (а) показан эффект прохождения света через маленькую круглую апертуру. Вместо яркого пятна с острыми краями получается пятно с нечетким краем, окруженное кругами света. Эта картина вызвана дифракцией, аналогичной той, что создается одной щелью. Свет из разных частей круглой апертуры мешает конструктивно и деструктивно. Эффект наиболее заметен при маленькой диафрагме, но эффект есть и для больших диафрагм.

Рисунок 17.19 (a) Монохроматический свет, прошедший через маленькую круглую апертуру, дает эту дифракционную картину. (b) Два точечных источника света, которые расположены близко друг к другу, создают перекрывающиеся изображения из-за дифракции. (c) Если они расположены ближе друг к другу, их нельзя разрешить, то есть различить.

Как дифракция влияет на детали, которые можно наблюдать, когда свет проходит через апертуру? На рис. 17.19 (b) показана дифракционная картина, создаваемая двумя точечными источниками света, расположенными близко друг к другу.Картина похожа на картину для одиночного точечного источника, и едва ли можно сказать, что есть два источника света, а не один. Если они расположены ближе друг к другу, как на рис. 17.19 (c), вы не сможете их различить, тем самым ограничивая детализацию или разрешение, которое вы можете получить. Этот предел – неизбежное следствие волновой природы света.

Во многих ситуациях дифракция ограничивает разрешение. Острота зрения ограничена, потому что свет проходит через зрачок, круглое отверстие глаза.Имейте в виду, что дифракционное распространение света происходит из-за ограниченного диаметра светового луча, а не из-за взаимодействия с апертурой. Таким образом, свет, проходящий через линзу диаметром D , демонстрирует эффект дифракции и распространяется, размывая изображение, точно так же, как свет, проходящий через апертуру диаметром D . Дифракция ограничивает разрешение любой системы, имеющей линзу или зеркало. Телескопы также ограничены дифракцией из-за конечного диаметра их главного зеркала D .

Почему в спектроскопах используются дифракционные решетки, а не две щели?

1. Полосы, создаваемые дифракционными решетками, тусклее, но резче, чем полосы, создаваемые двумя щелями.
2. Полосы дифракционных решеток ярче, хотя и менее резкие, чем полосы двух щелей.
3. Полосы дифракционных решеток ярче и резче, чем полосы двух щелей.
4. Полосы, образованные дифракционными решетками, более тусклые и менее резкие, но более рассредоточенные, чем полосы, образованные двумя щелями.

Расчеты с использованием дифракционных решеток и разрешения

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] Изучите методы решения проблем: определите известные и неизвестные. Преобразуйте измерения одного и того же свойства в одинаковые единицы измерения. Выберите уравнение и при необходимости измените его, чтобы найти неизвестное.

[OL] Просмотрите значение арксинуса в частности и обратных тригонометрических функций в целом. Объясните радиан как единицу измерения углов и соотнесите их с градусами.

В начале главы упоминалось, что когда свет переходит из одной среды в другую, его скорость и длина волны изменяются, но его частота остается постоянной. Уравнение

показывает, как длина волны в данной среде λnλn связана с длиной волны в вакууме λλ и показателем преломления n среды.Уравнение полезно для расчета изменения длины волны монохроматического лазерного луча в различных средах. Анализ дифракционной решетки очень похож на анализ двойной щели. Как вы знаете из обсуждения двойных щелей в эксперименте Юнга с двумя щелями, свет преломляется и распространяется после прохождения через каждую щель. Лучи распространяются под углом θθ относительно направления падения. Каждый луч проходит разное расстояние до общей точки на далеком экране. Лучи начинаются в фазе, и они могут быть в фазе или не в фазе, когда достигают экрана, в зависимости от разницы в пройденных длинах пути.Каждый луч проходит расстояние, которое отличается на dsinθdsinθ от расстояния его соседа, где d – расстояние между прорезями. Если dsinθdsinθ равно целому числу длин волн, все лучи приходят синфазно, и получается конструктивная интерференция (максимум). Таким образом, условие получения конструктивной интерференции для дифракционной решетки составляет

, где d, – расстояние между прорезями в решетке, λλ – длина волны света, а м – это порядок максимума.Обратите внимание, что это точно такое же уравнение, как для двух щелей, разделенных расстоянием d . Однако в дифракционных решетках щели обычно ближе, чем в двойных, что дает меньше максимумов при больших углах.

Watch Physics

Дифракционная решетка

В этом видео объясняется геометрия дифракционной картины, создаваемой дифракционной решеткой.

Уравнение, определяющее точки конструктивной интерференции, создаваемой дифракционной решеткой, имеет вид d \ sin \ theta = m \ lambda. Почему это уравнение кажется знакомым?

1. Это то же самое, что уравнение деструктивной интерференции для двухщелевой дифракционной картины.
2. Это то же самое, что уравнение для конструктивной интерференции для двухщелевой дифракционной картины.
3. Это то же самое, что уравнение для конструктивной интерференции для дифракционной картины с одной щелью.
4. Это то же самое, что уравнение деструктивной интерференции для дифракционной картины с одной щелью.

Каков предел разрешения диафрагмы или объектива? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим дифракционную картину для круглой апертуры, которая, как и дифракционная картина света, проходящего через щель, имеет центральный максимум, который шире и ярче окружающих его максимумов (см. Рисунок 17.19 (а)). . Можно показать, что для круглой апертуры диаметром D первый минимум на дифракционной картине возникает при θ = 1.22λ / Dθ = 1,22λ / D, при условии, что апертура велика по сравнению с длиной волны света, что характерно для большинства оптических приборов. Принятый критерий определения дифракционного предела разрешающей способности на основе дифракции был разработан лордом Рэлеем в 19 веке. Критерий Рэлея для дифракционного предела разрешающей способности утверждает, что два изображения разрешимы, когда центр дифракционной картины одного находится непосредственно над первым минимумом дифракционной картины другого.См. Рисунок 17.20 (b). Первый минимум находится под углом θ = 1,22λ / Dθ = 1,22λ / D, так что два точечных объекта разрешимы, если они разделены углом

, где λλ – длина волны света (или другого электромагнитного излучения), а D – диаметр апертуры, линзы, зеркала и т. Д., С помощью которых наблюдаются два объекта. В приведенном выше выражении θθ имеет единицы радиан.

Рис. 17.20 (a) График интенсивности дифракционной картины для круглой апертуры.Обратите внимание, что, как и в случае одиночной щели, центральный максимум шире и ярче, чем боковые. (b) Два точечных объекта создают перекрывающиеся дифракционные картины. Здесь показан критерий Рэлея их разрешимости. Центральный максимум одного паттерна лежит на первом минимуме другого.

Snap Lab

Разрешение

• Лист белой бумаги
• Черная ручка или карандаш
• Рулетка измерительная

Инструкции

Процедура

1. Нарисуйте две линии на расстоянии нескольких мм друг от друга на белом листе бумаги.
2. Отойдите от листа, удерживаемого вертикально, и измерьте расстояние, на котором вы можете просто различить (разрешить) линии как отдельные.
3. Используйте θ = 1,22λDθ = 1,22λD, чтобы вычислить D диаметра зрачка. Используйте расстояние между линиями и максимальное расстояние, на котором они были разрешены, для вычисления θθ. В качестве значения λλ используйте среднюю длину волны видимого света.
4. Сравните ваш ответ со средним диаметром зрачка 3 мм.

Опишите разрешение в терминах минимумов и максимумов дифракционных картин.

1. Предел разрешения – это когда минимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над первым минимумом шаблона для другой линии.
2. Предел разрешения – это когда максимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над первым минимумом шаблона для другой линии.
3. Предел разрешения – это когда максимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над вторым минимумом шаблона для другой линии.
4. Предел разрешения – это когда минимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над вторым максимумом шаблона для другой линии.

Рабочий пример

Изменение длины волны

Монохроматический лазерный луч зеленого света с длиной волны 550 нм проходит из воздуха в воду. Показатель преломления воды 1,33. Какой будет длина волны света после того, как он войдет в воду?

Стратегия

Вы можете предположить, что показатель преломления воздуха такой же, как у света в вакууме, потому что они так близки.После этого у вас есть вся информация, необходимая для решения λnλn.

Решение

17,5

Обсуждение

Показатель преломления воздуха равен 1.0003, поэтому приближение справедливо для трех значащих цифр. Однако вы не увидите изменения цвета света. Цвет определяется частотой, а не длиной волны.

Рабочий пример

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка имеет 2000 линий на сантиметр.Под каким углом сформируется максимум первого порядка для зеленого света с длиной волны 520 нм?

Стратегия

Вам предоставлено достаточно информации, чтобы вычислить d , и вам даны значения λλ и м . Вам нужно будет найти арксин числа, чтобы найти θθ.

Решение

Сначала найдите d .

17,6

Перепишите уравнение для условий конструктивной интерференции для дифракционной решетки и подставьте известные значения.

dsinθ = mλθ = sin − 1mλd = sin − 1 ((1) (520) 5,000) = 5,97dsinθ = mλθ = sin − 1mλd = sin − 1 ((1) (520) 5,000) = 5,97

Обсуждение

Этот угол кажется разумным для первого максимума. Напомним, что значение sin ^‒1 (или arcsin) – это угол с синусом, равный (неизвестному) . Помните, что значение sinθsinθ не будет больше 1 для любого значения θθ.

Рабочий пример

Разрешение

Каков минимальный угловой разброс луча гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм, который изначально равен 1.00 мм в диаметре?

Стратегия

Диаметр луча такой же, как если бы он проходил через отверстие такого размера, поэтому D = 1,00 мм. Вам дано λλ, и вы должны найти θθ.

Решение

17,7

Обсуждение

Коэффициент преобразования радианов в градусы равен 1.000 радиан = 57.3 °. Разброс очень мал и не будет заметен на коротких расстояниях. Угол представляет собой угловое разделение центрального максимума и первого минимума.

Практические задачи

Луч желтого света имеет длину волны 600 нм в вакууме и длину волны 397 нм в оргстекле. Какой показатель преломления у оргстекла?

1. 1,51
2. 2,61
3. 3,02
4. 3,77

Какой угол между двумя только что разрешенными точками света для 3.Диаметр зрачка 00 мм при средней длине волны 550 нм?

1. 224 рад
2. 183 рад
3. 1.83 × 10 ^–4 рад
4. 2,24 × 10 ^–4 рад

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с какой-то конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.

Чем интерференционная картина, сформированная дифракционной решеткой, отличается от картины, образованной двойной щелью?

1. Узор красочный.
2. Узор блеклый.
3. Рисунок более резкий.
4. Узор изогнутый.

Луч света всегда распространяется. Почему нельзя создать луч с параллельными лучами, чтобы предотвратить распространение?

1. Свет всегда поляризован.
2. Свет всегда отражается.
3. Свет всегда преломляется.
4. Свет всегда рассеивается.

Сравните интерференционные картины, образованные двойной щелью и дифракционной решеткой, с точки зрения яркости и узости полос.

1. Образующийся узор имеет более широкие и яркие полосы.
2. Сформированный узор имеет более широкие и более тусклые полосы.
3. Сформированный узор имеет более узкие и тусклые полосы.
4. Образующийся узор имеет более узкие и яркие полосы.

Опишите щели в дифракционной решетке с точки зрения количества и расстояния по сравнению с дифракционной установкой с двумя щелями.

1. Щели в дифракционной решетке шире, а расстояние между ними больше, чем расстояние между двумя щелями при дифракции с двумя щелями.
2. Щели в дифракционной решетке шире, а расстояние между ними такое же, как расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.
3. Щели в дифракционной решетке более узкие, а расстояние между ними такое же, как расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.
4. Щели в дифракционной решетке более узкие, а расстояние между ними больше, чем расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.

Учебное пособие по физике: отражение, преломление и дифракция

Ранее в Уроке 3 обсуждалось поведение волн, движущихся по веревке от более плотной среды к менее плотной (и наоборот). Волна не просто останавливает , когда достигает конца среды. Скорее, волна будет претерпевать определенные действия, когда встречается с концом среды. В частности, будет некоторое отражение от границы и некоторая передача в новую среду.Но что, если волна распространяется в двумерной среде, такой как водная волна, проходящая через океанскую воду? Или что, если волна распространяется в трехмерной среде, такой как звуковая волна или световая волна, распространяющаяся в воздухе? Какого типа поведения можно ожидать от таких двумерных и трехмерных волн?

Изучение волн в двух измерениях часто выполняется с помощью резервуара пульсации. Рябный резервуар – это большой резервуар с водой со стеклянным дном, который используется для изучения поведения водных волн.Как правило, свет падает на воду сверху и освещает белый лист бумаги, расположенный непосредственно под резервуаром. Часть света поглощается водой, когда она проходит через резервуар. Гребень воды поглощает больше света, чем корыто. Таким образом, яркие пятна представляют собой впадины волн, а темные пятна – гребни волн. По мере того, как волны на воде движутся через резервуар с рябью, темные и яркие пятна также перемещаются. Когда волны сталкиваются с препятствиями на своем пути, их поведение можно наблюдать, наблюдая за движением темных и ярких пятен на листе бумаги.Демонстрации резервуаров пульсации обычно проводятся на уроках физики, чтобы обсудить принципы, лежащие в основе отражения, преломления и дифракции волн.

Если линейный объект, прикрепленный к осциллятору, качается взад и вперед в воде, он становится источником прямых волн . Эти прямые волны имеют чередующиеся гребни и впадины. Если смотреть на лист бумаги под резервуаром, гребни представляют собой темные линии, тянущиеся через бумагу, а впадины – это яркие линии.Эти волны будут проходить через воду, пока не встретят препятствие, например стену резервуара или объект, помещенный в воду. На диаграмме справа изображена серия прямых волн, приближающихся к длинной преграде, проходящей под углом через резервуар с водой. Направление, в котором эти волновые фронты (прямые гребни) проходят через воду, показано синей стрелкой. Синяя стрелка называется лучом и нарисована перпендикулярно волновым фронтам. Достигнув барьера, помещенного в воду, эти волны отскакивают от воды и устремляются в другом направлении.На диаграмме ниже показаны отраженные волновые фронты и отраженный луч. Независимо от угла, под которым волновые фронты приближаются к барьеру, выполняется один общий закон отражения: волны всегда будут отражаться таким образом, что угол, под которым они приближаются к барьеру, равен углу, под которым они отражаются от барьера. Это известно как закон отражения . Более подробно этот закон будет обсуждаться в Блоке 13 Физического Класса.

Обсуждение выше относится к отражению волн от прямых поверхностей.Но что, если поверхность изогнута, возможно, в форме параболы? Какие обобщения можно сделать для отражения волн на воде от параболических поверхностей? Предположим, что в воду помещена резиновая трубка, имеющая форму параболы. На диаграмме справа изображен такой параболический барьер в резервуаре пульсации. Несколько волновых фронтов приближаются к барьеру; луч нарисован для этих волновых фронтов. Отражаясь от параболического барьера, волны на воде изменят направление и устремятся к определенной точке.Это показано на диаграмме ниже. Как будто вся энергия, переносимая водными волнами, сходится в одной точке – точке, известной как фокус. После прохождения фокусной точки волны распространяются по воде. Отражение волн от криволинейных поверхностей будет обсуждаться более подробно в Блоке 13 Физического Класса.

Отражение включает изменение направления волн, когда они отскакивают от преграды. Преломление волн включает изменение направления волн, когда они переходят из одной среды в другую. Преломление или искривление пути волн сопровождается изменением скорости и длины волны. В Уроке 2 было упомянуто, что скорость волны зависит от свойств среды, в которой распространяются волны. Таким образом, если среда (и ее свойства) изменяются, скорость волн изменяется. Наиболее важным свойством воды, которое может влиять на скорость волн, бегущих по ее поверхности, является ее глубина.Волны на воде распространяются быстрее всего, когда среда наиболее глубокая. Таким образом, если водные волны переходят из глубины в мелководье, они замедляются. И, как упоминалось в предыдущем разделе Урока 3, это уменьшение скорости также будет сопровождаться уменьшением длины волны. Таким образом, когда водные волны передаются из глубины в мелководье, скорость уменьшается, длина волны уменьшается, а направление меняется.

Такое граничное поведение волн на воде можно наблюдать в резервуаре с рябью, если резервуар разделен на глубокую и мелкую секции.Если на дно резервуара поместить стеклянную панель, одна часть резервуара будет глубокой, а другая часть – неглубокой. Видно, что волны, движущиеся от глубокого конца к мелкому, преломляются (т. При переходе от глубокой воды к мелководью видно, что волны изгибаются таким образом, что кажется, что они движутся более перпендикулярно поверхности.Если вы путешествуете с мелководья на большую глубину, волны изгибаются в противоположном направлении. Преломление световых волн будет обсуждаться более подробно в следующем разделе Физического класса.

Отражение включает изменение направления волн, когда они отскакивают от преграды; преломление волн предполагает изменение направления волн при переходе из одной среды в другую; и дифракция включает изменение направления волн, когда они проходят через отверстие или вокруг препятствия на своем пути.Волны на воде могут перемещаться по углам, препятствиям и прорезям. Эта способность наиболее очевидна для волн на воде с большей длиной волны. Дифракцию можно продемонстрировать, поместив небольшие барьеры и препятствия в резервуар пульсации и наблюдая за траекторией водных волн, когда они встречаются с препятствиями. Видно, что волны проходят вокруг барьера в области за ним; впоследствии вода за преградой нарушается. Величина дифракции (резкость изгиба) увеличивается с увеличением длины волны и уменьшается с уменьшением длины волны.Фактически, когда длина волны меньше длины препятствия, заметной дифракции не происходит.

Наблюдается дифракция водных волн в гавани, когда волны огибают небольшие лодки и, как выяснилось, возмущают воду позади них. Однако те же волны не могут рассеиваться вокруг более крупных лодок, так как их длина волны меньше, чем у лодки. Обычно наблюдается дифракция звуковых волн; мы замечаем, что звук рассеивается по углам, что позволяет нам слышать других людей, говорящих с нами из соседних комнат.Многие лесные птицы пользуются дифракционной способностью длинноволновых звуковых волн. Совы, например, могут общаться на больших расстояниях благодаря тому факту, что их длинноволновые улюлюканья способны рассеиваться вокруг лесных деревьев и разноситься дальше, чем коротковолновые твитов певчих птиц. Дифракция световых волн наблюдается, но только тогда, когда волны сталкиваются с препятствиями с очень малой длиной волны (такими как частицы, взвешенные в нашей атмосфере).Дифракция звуковых волн и световых волн будет обсуждаться в следующем разделе Учебника по физике.

Отражение, преломление и дифракция – это все граничные поведения волн, связанные с изгибом траектории волны. Искривление пути – это наблюдаемое поведение, когда среда является двух- или трехмерной средой. Отражение происходит при отражении от барьера. Отражение волн от прямых преград подчиняется закону отражения.Отражение волн от параболических барьеров приводит к схождению волн в фокусе. Преломление – это изменение направления волн, которое происходит, когда волны переходят из одной среды в другую. Преломление всегда сопровождается изменением длины волны и скорости. Дифракция – это изгиб волн вокруг препятствий и отверстий. Степень дифракции увеличивается с увеличением длины волны.

волновых поведений | Управление научной миссии

Световые волны в электромагнитном спектре ведут себя аналогичным образом.Когда световая волна встречает объект, она либо передается, либо отражается, либо поглощается, либо преломляется, либо поляризуется, либо дифрагирует, либо рассеивается в зависимости от состава объекта и длины волны света.

Специализированные инструменты на борту космических кораблей и самолетов НАСА собирают данные о том, как электромагнитные волны ведут себя при взаимодействии с веществом. Эти данные могут раскрыть физический и химический состав вещества.

Отражение

Отражение – это когда падающий свет (падающий свет) попадает на объект и отражается от него.Очень гладкие поверхности, такие как зеркала, отражают почти весь падающий свет.

Цвет объекта – это фактически длины волн отраженного света, в то время как все другие длины волн поглощаются. Цвет в данном случае относится к разным длинам волн света в видимом спектре света, воспринимаемому нашими глазами. Физический и химический состав вещества определяет, какая длина волны (или цвет) отражается.

Это отражающее поведение света используется лазерами на борту лунного разведывательного орбитального аппарата НАСА для нанесения на карту поверхности Луны.Прибор измеряет время, за которое лазерный импульс ударяется о поверхность и возвращается обратно. Чем больше время отклика, тем дальше от поверхности и ниже высота. Более короткое время отклика означает, что поверхность находится ближе или выше по высоте. На этом изображении южного полушария Луны низкие возвышения показаны фиолетовым и синим цветом, а высокие – красным и коричневым.

Предоставлено: НАСА / Годдард

Поглощение

Поглощение происходит, когда фотоны падающего света сталкиваются с атомами и молекулами и заставляют их колебаться.Чем больше движутся и вибрируют молекулы объекта, тем он становится горячее. Затем это тепло выделяется объектом в виде тепловой энергии.

Некоторые объекты, например более темные, поглощают больше энергии падающего света, чем другие. Например, черный тротуар поглощает большую часть видимой и ультрафиолетовой энергии и очень мало отражает, тогда как светлый бетонный тротуар отражает больше энергии, чем поглощает. Таким образом, черный тротуар жарче, чем тротуар в жаркий летний день. Фотоны отскакивают во время этого процесса поглощения и по пути теряют часть энергии многочисленным молекулам.Затем эта тепловая энергия излучается в виде более длинноволновой инфракрасной энергии.

Тепловое излучение от энергопоглощающего асфальта и крыш в городе может повысить температуру его поверхности на целых 10 ° Цельсия. На спутниковом снимке Landsat 7 ниже показан город Атланта как остров тепла по сравнению с его окрестностями. Иногда это потепление воздуха над городами может влиять на погоду, что называется эффектом «городского острова тепла».

Предоставлено: Марит Йентофт-Нильсен, по данным Landsat-7.

Дифракция

Дифракция – это изгиб и распространение волн вокруг препятствия. Это наиболее ярко проявляется, когда световая волна поражает объект размером, сопоставимым с его собственной длиной волны. Инструмент, называемый спектрометром, использует дифракцию для разделения света на диапазон длин волн – спектр. В случае видимого света разделение длин волн за счет дифракции приводит к радуге.

Спектрометр использует дифракцию (и последующую интерференцию) света от щелей или решеток для разделения длин волн.Затем можно обнаружить и записать слабые пики энергии на определенных длинах волн. График этих данных называется спектральной сигнатурой. Паттерны в спектральной сигнатуре помогают ученым определять физическое состояние и состав звездного и межзвездного вещества.

На приведенном ниже графике инфракрасного спектрометра SPIRE на борту космического телескопа Herschel ЕКА (Европейского космического агентства) видны сильные линии излучения окиси углерода (CO), атомарного углерода и ионизированного азота в галактике M82.

Предоставлено: ESA / NASA / JPL-Caltech

Разброс

Рассеяние происходит, когда свет отражается от объекта в разных направлениях. Степень рассеяния зависит от длины волны света, а также от размера и структуры объекта.

Небо кажется голубым из-за такого рассеяния. Свет с более короткими длинами волн – синим и фиолетовым – рассеивается азотом и кислородом при прохождении через атмосферу. Более длинные волны света – красный и желтый – проходят через атмосферу.Это рассеяние света на более коротких волнах освещает небо светом из синего и фиолетового концов видимого спектра. Несмотря на то, что фиолетовый рассеивается больше, чем синий, небо кажется нам голубым, потому что наши глаза более чувствительны к синему свету.

Аэрозоли в атмосфере также могут рассеивать свет. Спутник NASA Cloud-Aerosol Lidar и инфракрасный спутник Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) может наблюдать за рассеянием лазерных импульсов, чтобы «увидеть» распределение аэрозолей от таких источников, как пыльные бури и лесные пожары.На изображении ниже показано облако вулканического пепла, дрейфующее над Европой в результате извержения исландского вулкана Эйяфьятлайокудль в 2010 году.

Предоставлено: NASA / GSFC / LaRC / JPL, MISR Team

Преломление

Преломление – это когда световые волны меняют направление при переходе из одной среды в другую. В воздухе свет распространяется медленнее, чем в вакууме, а в воде – еще медленнее. Когда свет перемещается в другую среду, изменение скорости искривляет свет. Световые волны разных длин замедляются с разной скоростью, что заставляет их изгибаться под разными углами.

Например, когда полный спектр видимого света проходит через стекло призмы, длины волн разделяются на цвета радуги.

Начало страницы | Next: Визуализация: от энергии к образу

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий. (2010). Волновое поведение. Получено [укажите дату – например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http: // science.nasa.gov/ems/03_behaviors

MLA

Управление научной миссии. «Волновое поведение» НАСА . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату – например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/03_behaviors

Преподавание концепции рассеяния за счет дифракции света для учащихся начальной школы

1.

Введение.

Свет был одним из объектов исследования Исаака Ньютона, что дало право защищать корпускулярную природу этого света.Корпускулярная модель света удовлетворительно объясняла явления отражения и преломления; однако его теория представила несоответствия в объяснении явления дифракции, которое объясняется волновой теорией света [1].

Явление рассеивания было изучено Ньютоном в 1670 году, однако, начиная с семнадцатого века, другой ученый по имени Гримальди наблюдал, что свет обладает способностью обходить препятствия так же, как волны, распространяющиеся по поверхности пруда; Этот факт противоречил принципу прямолинейного распространения и усиливал теорию волновой природы света.Ньютон использовал луч солнечного света и призму, чтобы рассеять цвета; однако только в 1917 году они разделили цвета белого света с помощью дифракции, благодаря вкладу Френеля [1].

В этой статье описывается дидактический опыт, использованный для обучения феномену дифракционной дисперсии учащихся от восьми до десяти лет начальной школы. Практика применялась к группе из одиннадцати студентов частной школы, расположенной в муниципалитете Чиа, департамент Кундинамарка, Колумбия.Использованные материалы легко доступны и недороги, поэтому эта практика становится легким занятием для любого социально-экономического населения.

Эта деятельность впечатляет учеников, особенно начальной школы, потому что дети в этом возрасте еще не утратили той способности удивляться и любопытства, которые характерны для их возраста, в дополнение к тому, что оптика посвящает свое исследование визуальным явлениям, связанным со светом. то, что воспринимается визуально и привлекает внимание с первого взгляда.

Эксперимент, проводимый с детьми, заключается в освещении дифракционной решетки светом с разными длинами волн (синий, зеленый и красный) и указании цветом положения дифракционных порядков 0, ± 1 и ± 2 посредством экспериментов. Дети подтвердили, что порядки дифракции расположены отдельно в зависимости от используемой длины волны. Наконец, их спросили, что они ожидали бы увидеть, если бы сетка была освещена источником белого света.

2.

Материалы и методика.

Материалы, необходимые на практике, недороги и легко достижимы, по крайней мере, по большей части, лазерные указки с красно-зеленым и синим цветами (последние все еще не очень распространены в некоторых местах), фонарик белого света, CD шт. (Компакт-диск), карандаши красного, зеленого и синего цветов, глиняный брусок, белый лист и клейкая лента.

Дидактической стратегией, использованной при разработке практики, была Методология активного обучения ( ALM ), характеризующаяся поощрением учащегося через непосредственное наблюдение за результатами эксперимента, чтобы он достиг изучаемой концепции путем сравнения их собственные гипотезы относительно того, что будет происходить в эксперименте; их обсуждение с коллегами и контраст с экспериментальными данными.В ALM учитель играет роль наставника в процессе обучения, задавая наводящие вопросы, которые приводят детей к заключению концепций, с наблюдением и описанием результатов экспериментов. [2].

3.

Методика эксперимента.

Белый лист помещается на стену в качестве проекционного экрана с использованием глины в качестве вспомогательной опоры, лазерные указки, фонарик и деталь CD прикрепляются и размещаются, чтобы сформировать экспериментальную конфигурацию, как показано на Рисунок 1.

Рис. 1.

Экспериментальная иллюстрация монтажа

Красный указатель указывает на то, что деталь CD была освещена, а красные точки, проецируемые на лист, были отмечены нулем в центральной точке и числами 1, 2, -1 и -2 соответственно по бокам, как показано. См. Рис. 2, затем учеников попросили написать и нарисовать индивидуально наблюдаемое.

Рис. 2.

Порядки дифракции, отмеченные красным маркером.

Чтобы применить ALM , ученики были проинструктированы индивидуально писать и рисовать то, что, по их мнению, они будут наблюдать, повторяя эксперимент, используя зеленый указатель, затем переходя на синий указатель и, наконец, на фонарик с белым светом, как показано на рисунке 3. .

Рисунок 3.

Предсказание изображения на экране.

Затем они обсуждали свои мнения в небольших группах, общаясь с прогнозами каждой группы, задавая им вопросы об их причинах для каждого прогноза.

Затем каждая группа детей выполняла практику с зелеными и синими указателями и раскрашивала соответствующим цветом положение приказов 0, ± 1 и ± 2. Здесь вас предупреждают о мерах предосторожности и безопасности при обращении с деталью. лазерные указки.Наконец, их спросили о том, что они ожидают увидеть, если осветят часть CD белым световым фонарем, после индивидуальной и групповой работы прогнозы группы снова были социализированы, и, наконец, их проинструктировали выполнить освещение с помощью белый световой фонарь.

4.

О явлении дифракции

Деталь CD представляет собой дифракционную решетку, поскольку она имеет ряд канавок, приблизительно 1000 полос на миллиметр, которые пропускают свет.Белый свет рассеивается канавками и отклоняется в разные стороны в зависимости от его длины волны (согласно его цвету) [3].

Первоначально использованный свет лазерных указателей является квазимонохроматическим, и когда он падает на деталь CD , он разделяет его дифракционные порядки, поскольку расстояние между пазами CD сопоставимо с длиной волны указателей.

Когда применяется белый свет, он рассеивается, создавая конструктивную интерференцию под углом ⊝, так что лучи других частей детали CD проходят дополнительное расстояние:

Где м – целое число, λ – длина волны, а d – период сетки (см. рисунок 4).

Рисунок 4.

Работа дифракционной сетки.

Угловое положение основных максимумов, полученных при освещении сетки с периодом d , с длиной волны λ , определяется как [4,5,6]:

Из этого последнего выражения следует, что при освещении с белым светом каждая длина волны, содержащаяся в белом цвете, будет рассеиваться под другим углом, и поэтому цвета можно наблюдать разделенными при сборе света на экране [5]. Следовательно, первые порядки дифракции для каждого цвета могут быть расположены, как показано на рисунке 5:

Рисунок 5.

Относительное положение максимумов интенсивности дифракционных порядков для длин волн, соответствующих синему, зеленому и красному цветам.

5.

Результаты

Дифракционная картина, полученная при освещении части CD красной лазерной указкой, была отправной точкой для студентов, чтобы начать с описания явления дифракции на сетке на заданной длине волны.

Затем, при выполнении эксперимента с зеленым и синим световыми указателями по сравнению с красными, студенты показали, что все цвета совпадают в центральной точке, а максимумы сторон расположены в разных положениях, как показано на рисунке 6. , где синие дифракционные порядки наиболее близки к центру, то зеленые и дальние от центра оказались красными.

Рисунок 6.

Дифракция синего, зеленого и красного лучей.

На следующем этапе использовался белый свет, получая картину рассеивания, как показано на рисунке 7. Дети оценили, что существует непрерывный луч цветов, центр света белый, и что порядок каждого цвета совпадает. относительно центра, с тем, что было замечено и отмечено в предыдущих экспериментах.

Рис. 7.

Рассеивание белого света через компакт-диск.

Чтобы закрепить то, что было изучено, эксперимент был повторен с белым светом и световым лучом каждого цвета одновременно на экране, как показано на рис.8, 9 и 10, чтобы дети подтвердили, что каждый цвет света совпадает с положением в непрерывном диапазоне, показанном на рисунке 6.

Рисунок 8.

Сравнение рассеяния белого света с дифракционной картиной красного маркера .

Рис. 9.

Сравнение рассеяния белого света с дифракционной картиной синего маркера.

Рис. 10.

Сравнение рассеяния белого света с дифракционной картиной зеленого маркера.

6.

Обсуждение

Наблюдения, сделанные в этом разделе, вытекают из вопросов, поднятых студентами во время практики и работы с используемыми материалами.

6.1.

Очевидный успех эксперимента

Эксперимент достиг поставленной цели, поскольку он позволил показать явление дисперсии за счет дифракции, свидетельствуя о том, что положение каждого цвета незаметно оценивается, но на самом деле принадлежит непрерывной полосе цветов и что каждый цвет расположен в разных местах в зависимости от его длины волны.

Ниже приведен пример студентами измерения положения каждого из порядков дифракции для каждой длины волны.

Рис. 11.

Измерение положения различных порядков дифракции для каждой используемой длины волны.

Студенты спросили о расположении каждого цвета в разных местах, что предоставило прекрасную возможность представить понятие длины волны в соответствии с их познавательными способностями.

6.2.

Влияние материалов

Выполнение этой практики с использованием недорогих и легко доступных материалов, таких как кусок CD , лазерные указки разных цветов, фонари белого света, глиняные подставки и ширмы с белыми листами, мотивация на у детей был высокий за счет простоты эксперимента и легкости усвоения материала.Естественно, следует соблюдать меры предосторожности при использовании лазеров детьми.

6.3.

Использованная методика

Реализация этой практики с детьми с использованием ALM интуитивно понятным способом и с использованием материалов этого типа очень мотивирует детей к изучению оптики; проблема, которой должны воспользоваться учителя начальной школы во всех школах Колумбии, а затем и в средней школе.

7.

Выводы

Осуществление этой практики с детьми младшего возраста позволило воспользоваться их врожденным любопытством и видимостью, присущими некоторым оптическим экспериментам.Дети достигли цели понять явление рассеяния за счет дифракции для дискретных длин волн и белого света, поскольку они сами являются свидетелями экспериментального доказательства этого явления. Они также должны были узнать, ответив на свои любопытные вопросы, другие элементы, такие как: что белый свет содержит другие цвета, что существуют дискретные спектры и непрерывные спектры и что каждый цвет связан с длиной волны.