Primjer difrakcije svjetlosti je Proučavanje fenomena difrakcije svjetlosti. Kako se manifestuje difrakcija svjetlosti?

DEFINICIJA

Difrakcija- savijanje oko prepreka sa talasom.

Budući da je svjetlost skup valova, onda je, kao i svaki val, podložna difrakciji. Ali budući da je dužina svjetlosti vrlo mala, ona može odstupiti od pravolinijskog širenja pod vidljivim uglovima samo ako su dimenzije prepreka uporedive s valnim dužinama, odnosno vrlo male.

Općenitija definicija difrakcije svjetlosti data je kako slijedi. Difrakcija svjetlosti je paket fenomena povezanih s talasnom prirodom svjetlosti, koji se može uočiti kada se širi u supstanciji s izraženim nehomogenostima. Eksperimenti koji demonstriraju fenomen difrakcije svjetlosti su: odstupanje svjetlosti od pravolinijskog širenja pri prolasku kroz rupe u neprozirnim ekranima, savijanje oko granica neprozirnih tijela.

Rigorozno rješenje valnih jednačina kada se razmatraju problemi difrakcije je prilično komplikovan problem. Stoga se često koriste metode približnih rješenja.

Fenomen difrakcije nameće ograničenja primenljivosti zakona geometrijske optike i određuje granicu rezolucije optičkih instrumenata.

Fresnelova teorija

O. Fresnel je dopunio Huygensov princip idejom o sekundarnim valovima i izgradio kvantitativnu teoriju difrakcije. Eksperimentalno je istražio različite varijante difrakcije i stvorio kvantitativnu teoriju koja omogućava kvantitativno okarakteriziranje difrakcijskog uzorka koji se javlja ako svjetlosni val zaobiđe bilo koju prepreku. Osnova Fresnelove teorije bila je pozicija da valna površina u proizvoljnom trenutku vremena nije samo omotač sekundarnih valova, već je rezultat njihove interferencije. Ova pozicija se zove Huygens-Fresnel princip.

U skladu sa Fresnelovom teorijom, da bi se izračunala amplituda svetlosnog talasa u proizvoljnoj tački u prostoru, teoretski treba okružiti izvor svetlosti zatvorenom površinom. Superpozicija talasa iz sekundarnih izvora koji se nalaze na rezultujućoj površini odrediće amplitudu u tački u prostoru koji se proučava. Ili, drugim riječima, izvan imaginarne površine, talas koji se zapravo širi može biti zamijenjen skupom koherentnih fiktivnih sekundarnih valova koji interferiraju.

U nekim problemima difrakcije koji imaju aksijalnu simetriju, proračun interferencije sekundarnih talasa je pojednostavljen korišćenjem geometrijske metode u kojoj se front talasa deli na sekcije – prstenove. Ova područja se nazivaju Fresnelovim zonama. Postupak podjele na zone se provodi na način da je razlika optičkog puta od sličnih granica od svakog para susjednih zona do točke razmatranja jednaka polovini valne dužine. U ovom slučaju, sekundarni valovi iz sličnih tačaka para susjednih zona dolaze do točke razmatranja, imaju suprotne faze, pa se međusobno slabe kada se superponiraju.

Radijus Fresnelove zone broj n () je jednak:

gdje je a udaljenost od izvora svjetlosti do rupe u neprozirnom ekranu; b je udaljenost od rupe do tačke posmatranja.

Difrakciona rešetka

Uređaj difrakcione rešetke zasniva se na fenomenu difrakcije. To je skup uskih proreza koji razdvajaju uske neprozirne praznine. Vrijednosti uglova (), koji se dobiju kada se usmjere na maksimume difrakcijskog spektra, koji nastaju pri korištenju difrakcijske rešetke, određene su izrazom:

gdje je d period rešetke. Uz pomoć difrakcione rešetke, bijela svjetlost se razlaže u spektar. Može se koristiti za izračunavanje talasne dužine svetlosti.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Kolika je udaljenost od rupe do tačke posmatranja (b) ako rupa otkriva tri Fresnelove zone? U ovom slučaju, tačkasti izvor svjetlosti nalazi se na udaljenosti a=1 m od dijafragme sa okruglom rupom polumjera 1 mm (slika 1), m.
Rješenje	Razmotrimo pravougli trokut SCB. Za njega: Istovremeno, jasno je da je talasna dužina svetlosti () mnogo manja od udaljenosti a i . Za drugi trokut (BCA) imamo: Izjednačite prave dijelove izraza (1.1) i (1.2), uzmite u obzir da , imamo: Zamenimo desnu stranu izraza (1.3) umesto x u formulu (1.1), dobićemo: Vrijednost se može zanemariti u poređenju sa . Može se smatrati da: Izrazimo iz (1.5) željenu vrijednost b, imamo: Uradimo proračune:
Odgovori	m

PRIMJER 2

Vježbajte	Monokromatski val normalno pada na difrakcijsku rešetku s periodom od m, koji je jednak talasnoj dužini ako je ugao između spektra prvog i drugog reda .
Rješenje	Kao osnovu za rješavanje problema koristimo uvjet za maksimume spektra difrakcijske rešetke: Budući da razmatramo spektre prvog i drugog reda, formula (2.1) će dati sljedeće izraze:

Definicija 1

Difrakcija svjetlosti je fenomen odstupanja svjetlosti od pravolinijskog smjera širenja pri prolasku u blizini prepreka.

U klasičnoj fizici, fenomen difrakcije se opisuje kao interferencija talasa prema Huygens-Fresnelovom principu. Ovi karakteristični obrasci ponašanja pojavljuju se kada val naiđe na prepreku ili jaz koji je po veličini usporediv s njegovom valnom dužinom. Slični efekti se javljaju kada svjetlosni val prođe kroz medij sa promjenjivim indeksom prelamanja, ili kada zvučni val prođe kroz medij s promjenom akustične impedanse. Difrakcija se javlja kod svih vrsta talasa, uključujući zvučne talase, talase vetra i elektromagnetne talase, kao i vidljivu svetlost, rendgenske zrake i radio talase.

Budući da fizički objekti imaju valna svojstva (na atomskom nivou), difrakcija se javlja i kod supstanci i može se proučavati prema principima kvantne mehanike.

Primjeri

Efekti difrakcije često se susreću u svakodnevnom životu. Najupečatljiviji primjeri difrakcije su oni povezani sa svjetlom; na primjer, blisko raspoređene staze na CD-ovima ili DVD-ovima djeluju kao difrakciona rešetka. Difrakcija u atmosferi malih čestica može rezultirati svijetlim prstenom koji je vidljiv u blizini jakog izvora svjetlosti kao što je sunce ili mjesec. Spekl koji nastaje kada laserski snop udari u optički neravnu površinu je također difrakcija. Svi ovi efekti su posljedica činjenice da svjetlost putuje kao talas.

Napomena 1

Difrakcija se može pojaviti kod bilo koje vrste talasa.

Okeanski talasi se raspršuju oko molova i drugih prepreka. Zvučni talasi se mogu lomiti oko objekata, tako da možete čuti nekoga kako zove čak i kada se krije iza drveta.

Priča

Efekti difrakcije svjetlosti bili su dobro poznati u vrijeme Francesca Maria Grimaldija, koji je također skovao termin difrakcija. Rezultati do kojih je došao Grimaldi objavljeni su posthumno za 1665 dolara. Thomas Young je izveo poznati eksperiment za 1803 dolara, demonstrirajući smetnje iz dva blisko raspoređena proreza. Objašnjavajući svoje rezultate uz pomoć interferencije talasa koji izlaze iz dva različita proreza, zaključio je da se svetlost mora širiti u obliku talasa. Fresnel je napravio preciznije studije i proračune difrakcije, koje su objavljene u 1815$.. Fresnel je svoju teoriju zasnovao na definiciji svjetlosti koju je razvio Christian Huygens, dopunivši je idejom o interferenciji sekundarnih valova. Eksperimentalna potvrda Fresnelove teorije postala je jedan od glavnih dokaza talasne prirode svjetlosti. Ova teorija je danas poznata kao Huygens-Fresnel princip.

Difrakcija svjetlosti

Difrakcija proreza

Dugačak prorez beskonačno male širine, koji je obasjan svjetlošću, lomi svjetlost u niz kružnih talasa i u talasni front koji izlazi iz proreza i predstavlja cilindrični talas ujednačenog intenziteta. Prorez koji je širi od valne dužine stvara efekte interferencije u prostoru na izlazu iz proreza. Mogu se objasniti činjenicom da se prorez ponaša kao da ima veliki broj točkastih izvora, koji su ravnomjerno raspoređeni po cijeloj širini proreza. Analiza ovog sistema je pojednostavljena ako uzmemo u obzir svjetlost jedne talasne dužine. Ako je upadno svjetlo koherentno, svi ovi izvori imaju istu fazu.

Difrakciona rešetka

Difrakciona rešetka je optička komponenta s periodičnom strukturom koja dijeli i prelama svjetlost na više zraka koji se šire u različitim smjerovima.

Svjetlost koja se difraktira na rešetki određuje se zbrajanjem svjetlosti difraktirane od svakog od elemenata, i u suštini je konvolucija difrakcijskih i interferentnih uzoraka.

L3 -4

Difrakcija svjetlosti

Difrakcijom se naziva savijanje talasa oko prepreka koje naiđu na svom putu, ili u širem smislu – svako odstupanje prostiranja talasa u blizini prepreka od zakona geometrijske optike. Zbog difrakcije, valovi mogu ući u područje geometrijske sjene, zaobići prepreke, prodrijeti kroz malu rupu na ekranima itd.

Ne postoji značajna fizička razlika između interferencije i difrakcije. Oba fenomena se sastoje u preraspodjeli svjetlosnog toka kao rezultat superpozicije (superpozicije) valova. Iz istorijskih razloga, odstupanje od zakona nezavisnosti svetlosnih snopova koje je rezultat superpozicije koherentnih talasa obično se naziva interferencija talasa. Odstupanje od zakona pravolinijskog širenja svjetlosti, zauzvrat, naziva se difrakcija valova.

Promatranje difrakcije obično se provodi prema sljedećoj shemi. Na putu svjetlosnog vala koji se širi iz nekog izvora postavlja se neprozirna barijera koja pokriva dio valne površine svjetlosnog vala. Iza barijere je ekran na kojem se pojavljuje difrakcijski uzorak.

Postoje dvije vrste difrakcije. Ako je izvor svjetlosti S i osmatračnica P lociran toliko daleko od prepreke da zraci padaju na prepreku i zraci idu do tačke P, formiraju gotovo paralelne grede, govore o difrakcija u paralelnim snopovima ili o Fraunhoferova difrakcija. Inače, pričajte o tome Fresnelova difrakcija. Fraunhoferova difrakcija se može posmatrati postavljanjem iza izvora svetlosti S i ispred osmatračnice P duž sočiva tako da točke S I P bili u fokalnoj ravni odgovarajućeg sočiva (sl.).

U osnovi, Fraunhoferova difrakcija se ne razlikuje od Fresnelove difrakcije. Kvantitativni kriterijum koji omogućava da se utvrdi kakva se difrakcija dešava određen je vrednošću bezdimenzionalnog parametra, gde je b je karakteristična veličina prepreke, l je rastojanje između prepreke i ekrana na kojem se opaža difrakcijski uzorak,  talasna dužina. Ako

Fenomen difrakcije kvalitativno je objašnjen korištenjem Huygensovog principa, prema kojem svaka tačka do koje val dosegne služi kao centar sekundarnih valova, a omotač ovih valova određuje položaj fronta vala u sljedećem trenutku. Za monokromatski val, valna površina je površina na kojoj se javljaju oscilacije u istoj fazi.

Neka ravni talas normalno pada na rupu u neprozirnom ekranu (Sl.). Prema Huygensu, svaka tačka preseka talasnog fronta označena rupom služi kao izvor sekundarnih talasa (u izotropnom mediju oni su sferni). Nakon što smo konstruisali omotač sekundarnih talasa za određeni trenutak vremena, vidimo da front talasa ulazi u oblast geometrijske senke, tj. obavija se oko ivice rupe.

Hajgensov princip rešava samo problem pravca prostiranja talasnog fronta, ali ne utiče na pitanje amplitude, a samim tim i intenziteta na frontu talasa. Iz svakodnevnog iskustva je poznato da u velikom broju slučajeva zraci svjetlosti ne odstupaju od svog pravolinijskog širenja. Dakle, objekti osvijetljeni tačkastim izvorom svjetlosti daju oštru sjenu. Stoga je potrebno dopuniti Huygensov princip, koji omogućava određivanje intenziteta vala.

Fresnel je dopunio Huygensov princip idejom interferencije sekundarnih valova. Prema Huygens-Fresnel princip, svjetlosni val pobuđen nekim izvorom S, može se predstaviti kao rezultat superpozicije koherentnih sekundarnih valova koje emituju mali elementi neke zatvorene površine koja zatvara izvor S. Obično se za ovu površinu bira jedna od valnih površina, pa izvori sekundarnih valova djeluju u fazi. U analitičkom obliku, za tačkasti izvor, ovaj princip se piše kao

, (1) gdje E je vektor svjetlosti, koji uključuje vremensku ovisnost
, k je talasni broj, r- udaljenost od tačke P na površini S do tačke P, K- koeficijent u zavisnosti od orijentacije lokacije u odnosu na izvor i tačku P. Valjanost formule (1) i oblik funkcije K je uspostavljena u okviru elektromagnetne teorije svjetlosti (u optičkoj aproksimaciji).

U slučaju da između izvora S i osmatračnica P postoje neprozirni ekrani sa rupama, efekat ovih paravana može se uzeti u obzir na sledeći način. Na površini neprozirnih ekrana pretpostavlja se da su amplitude sekundarnih izvora jednake nuli; u području rupa amplitude izvora su iste kao u odsustvu ekrana (tzv. Kirchhoffova aproksimacija).

Metoda Fresnelovih zona. Računanje amplituda i faza sekundarnih talasa omogućava, u principu, da se pronađe amplituda rezultujućeg talasa u bilo kojoj tački u prostoru i reši problem širenja svetlosti. U opštem slučaju, proračun interferencije sekundarnih talasa prema formuli (1) je prilično komplikovan i glomazan. Međutim, brojni problemi se mogu riješiti primjenom izuzetno vizualne tehnike koja zamjenjuje složene proračune. Ova metoda se zove metoda Fresnel zone.

Suštinu metode ćemo analizirati na primjeru točkastog izvora svjetlosti S. Valne površine su u ovom slučaju koncentrične sfere sa središtem na S. Podijelimo valnu površinu prikazanu na slici na prstenaste zone konstruirane na način da udaljenosti od rubova svake zone do tačke P razlikuju po
. Zone sa ovim svojstvom se nazivaju Fresnel zone. Od sl. vidi se da je udaljenost sa spoljne ivice m-ta zona do tačke P jednaki

, Gdje b je udaljenost od vrha valne površine O do tačke P.

Vibracije dolaze do tačke P iz sličnih tačaka dvije susjedne zone (na primjer, tačke koje leže u sredini zona ili na vanjskim rubovima zona) su u antifazi. Stoga će vibracije iz susjednih zona međusobno umanjiti jedna drugu i amplitudu rezultirajuće svjetlosne vibracije u tački P

, (2) gdje , , … su amplitude oscilacija koje pobuđuju 1., 2., … zona.

Da bismo procijenili amplitude oscilacija, nalazimo površine Fresnelovih zona. Neka vanjska granica m-th zona odabire sferni segment visine na površini valova . Označavanje površine ovog segmenta kroz , nađi to, područje m th Fresnel zona je jednaka
. Iz slike se vidi da . Nakon jednostavnih transformacija, uzimajući u obzir
I
, dobijamo

. Površina i površina sfernog segmenta m th Fresnelove zone su respektivno jednake

,
. (3) Dakle, za ne prevelike m površine Fresnelovih zona su iste. Prema Fresnelovoj pretpostavci, djelovanje pojedinih zona u tački Pšto je manji to je veći ugao između normalnog n na površinu zone i smjer prema P, tj. djelovanje zona postepeno se smanjuje od centralnog ka perifernom. Pored toga, intenzitet zračenja u pravcu tačke P opada sa rastom m i zbog povećanja udaljenosti od zone do tačke P. Dakle, amplitude oscilacija formiraju monotono opadajuću sekvencu

Ukupan broj Fresnelovih zona koje se uklapaju na hemisferu je veoma velik; na primjer, kada
I
broj zona dostiže ~10 6 . To znači da se amplituda vrlo sporo smanjuje i stoga možemo približno razmotriti

. (4) Tada se izraz (2) nakon preuređivanja zbraja

, (5) budući da su izrazi u zagradama, prema (4), jednaki nuli, a doprinos posljednjeg člana je zanemarljiv. Dakle, amplituda rezultujućih oscilacija u proizvoljnoj tački P određena je, takoreći, polovičnim djelovanjem centralne Fresnelove zone.

Kada nije prevelika m visina segmenta
, tako da to možemo pretpostaviti
. Zamjena vrijednosti za , dobijamo za polumjer vanjske granice m th zone

. (6) Kada
I
radijus prve (centralne) zone
. Dakle, širenje svjetlosti iz S To P se događa kao da je svjetlosni tok išao unutar vrlo uskog kanala SP, tj. direktno.

Eksperimentalno je potvrđena legitimnost podjele valnog fronta na Fresnelove zone. Za to se koristi zonska ploča - u najjednostavnijem slučaju, staklena ploča, koja se sastoji od sistema naizmjeničnih prozirnih i neprozirnih koncentričnih prstenova, sa radijusima Fresnelove zone date konfiguracije. Ako zonsku ploču postavite na strogo određeno mjesto (na udaljenosti a iz tačkastog izvora i na udaljenosti b sa tačke posmatranja), tada će rezultujuća amplituda biti veća nego kod potpuno otvorenog talasnog fronta.

Fresnelova difrakcija kružnom rupom. Fresnelova difrakcija se opaža na konačnoj udaljenosti od prepreke koja je izazvala difrakciju, u ovom slučaju ekrana sa rupom. Sferni talas koji se širi iz tačkastog izvora S, na putu susreće paravan s rupom. Difrakcioni uzorak se posmatra na ekranu paralelnom sa ekranom sa rupom. Njegov izgled zavisi od udaljenosti između rupe i ekrana (za dati prečnik rupe). Lakše je odrediti amplitudu svjetlosnih vibracija u središtu slike. Da bismo to učinili, dijelimo otvoreni dio valne površine na Fresnelove zone. Amplituda oscilacija koju pobuđuju sve zone jednaka je

, (7) gdje znak plus odgovara neparnom m i minus - čak m.

Kada rupa otvori neparan broj Fresnelovih zona, tada će amplituda (intenzitet) u centralnoj tački biti veća nego kada se val slobodno širi; ako će i tada amplituda (intenzitet) biti jednaka nuli. Na primjer, ako rupa otvara jednu Fresnelovu zonu, amplituda
, zatim intenzitet (
) četiri puta više.

Proračun amplitude oscilacije u vanosnim sekcijama ekrana je složeniji, budući da su odgovarajuće Fresnelove zone djelimično prekrivene neprozirnim ekranom. Kvalitativno je jasno da će uzorak difrakcije imati oblik naizmjeničnih tamnih i svijetlih prstenova sa zajedničkim centrom (ako mčak, onda će biti tamni prsten u centru, ako m neparan - onda svijetla tačka), a intenzitet na maksimumu opada s udaljenosti od centra slike. Ako je rupa osvijetljena ne monohromatskim svjetlom, već bijelim svjetlom, tada su prstenovi obojeni.

Razmotrimo granične slučajeve. Ako rupa otkriva samo dio centralne Fresnelove zone, na ekranu se dobija difuzna svijetla tačka; u ovom slučaju ne dolazi do izmjene svijetlih i tamnih prstenova. Ako rupa otvara veliki broj zona, onda
i amplituda u centru
, tj. isto kao i kod potpuno otvorenog talasnog fronta; izmjena svijetlih i tamnih prstenova događa se samo u vrlo uskom području na granici geometrijske sjene. U stvari, uzorak difrakcije se ne opaža, a širenje svjetlosti je, u stvari, pravolinijsko.

Fresnelova difrakcija na disku. Sferni talas koji se širi iz tačkastog izvora S, susreće disk na svom putu (Sl.). Difrakcijski uzorak koji se posmatra na ekranu je centralno simetričan. Odredimo amplitudu svjetlosnih oscilacija u centru. Pustite disk da se zatvori m prve Fresnelove zone. Tada je amplituda oscilacije jednaka

Or
, (8) pošto su izrazi u zagradama jednaki nuli. Posljedično, difrakcijski maksimum (svijetla tačka) se uvijek opaža u centru, što odgovara polovini djelovanja prve otvorene Fresnelove zone. Centralni maksimum je okružen tamnim i svijetlim prstenovima koji su koncentrični s njim. Sa malim brojem zatvorenih zona, amplituda
malo drugačije od . Stoga će intenzitet u centru biti gotovo isti kao u odsustvu diska. Promjena osvjetljenja ekrana sa rastojanjem od centra slike prikazana je na Sl.

Razmotrimo granične slučajeve. Ako disk pokriva samo mali dio centralne Fresnelove zone, on uopće ne baca sjenu - osvjetljenje ekrana ostaje svuda isto kao i u odsustvu diska. Ako disk pokriva mnogo Fresnelovih zona, izmjena svijetlih i tamnih prstenova se opaža samo u uskom području na granici geometrijske sjene. U ovom slučaju
, tako da u centru nema svetle tačke, a osvetljenje u oblasti geometrijske senke je skoro svuda jednako nuli. U stvari, uzorak difrakcije se ne opaža, a širenje svjetlosti je pravolinijsko.

Fraunhoferova difrakcija na jednom prorezu. Neka ravan monohromatski talas pada normalno na ravan uskog proreza širine a. Optička razlika putanja između ekstremnih zraka koje dolaze iz proreza u određenom smjeru 

.

Podijelimo otvoreni dio valne površine u ravni utora na Fresnelove zone, koje imaju oblik traka jednake veličine paralelne s prorezom. Budući da je širina svake zone odabrana tako da je razlika putanje od rubova ovih zona jednaka
, tada će širina utora odgovarati
zone. Amplitude sekundarnih talasa u ravni proreza će biti jednake, budući da Fresnelove zone imaju istu površinu i podjednako su nagnute prema pravcu posmatranja. Faze oscilacija iz para susjednih Fresnelovih zona razlikuju se za , pa je ukupna amplituda ovih oscilacija jednaka nuli.

Ako je broj Fresnelovih zona paran, onda

, (9a) i u tački B postoji minimum osvjetljenja (tamno područje), ali ako je broj Fresnelovih zona neparan, tada

(9b) i uočeno je osvjetljenje blizu maksimuma, što odgovara djelovanju jedne nekompenzirane Fresnelove zone. U pravcu
prorez djeluje kao jedna Fresnelova zona, a najveća osvjetljenost se uočava u tom smjeru, tačka odgovara centralnom ili glavnom maksimumu osvjetljenja.

Proračun osvjetljenja u zavisnosti od smjera daje

, (10) gdje je osvjetljenje u sredini difrakcionog uzorka (u odnosu na centar sočiva), - osvjetljenje u tački čiji je položaj određen smjerom . Grafikon funkcije (10) prikazan je na sl. Maksimumi osvetljenja odgovaraju vrednostima  koje zadovoljavaju uslove

,
,
itd. Umjesto ovih uslova za maksimume, može se približno koristiti relacija (9b), koja daje bliske vrijednosti uglova. Veličina sekundarnih maksimuma se brzo smanjuje. Numeričke vrijednosti intenziteta glavnog i naknadnog maksimuma povezane su kao

itd., tj. većina svjetlosne energije koja se prenosi kroz prorez koncentrirana je u glavnom maksimumu.

Sužavanje proreza dovodi do činjenice da se središnji maksimum širi, a njegovo osvjetljenje se smanjuje. Naprotiv, što je prorez širi, to je slika svetlija, ali su difrakcijske ivice uže, a sam broj resica je veći. At
u centru se dobija oštra slika izvora svetlosti, tj. svetlost se širi pravolinijski.

Stavka: fizika

klasa: 11 klasa.

Predmet: Difrakcija svjetlosti

Glavno pitanje: Može se svjetlo savijati oko prepreka i Kako bi se ovo desilo?

hipoteza:

Svjetlost putuje pravolinijski i stoga ne može zaobići prepreke.

Ciljevi:

Proučavanje svjetlosnih pojava na primjeru difrakcije i identifikacija uslova za njen nastanak i ograničenja koja ona nameće primjeni zakona geometrijske optike.

Zadaci:

1. Iz teorije proučiti fenomen difrakcije, uslove za njen nastanak i uslove pod kojima ona nameće ograničenje na primenu zakona geometrijske optike.
2. Provedite eksperimente koji jasno pokazuju/objašnjavaju fenomen difrakcije.

Faze:

1. Upoznajte se sa teorijom i informacijama na Internetu.
2. Obavite konsultacije sa nastavnicima fizike i analizirajte video zapise prethodno pronađenih eksperimenata na internetu.
3. Provedite vlastite eksperimente (eksperimenti sa papirom, iglom i CD-om).
4. Analizirajte rezultate.
5. Izvucite zaključke.

Rezultati proučavanja naučne literature

Difrakcija svjetlošću se naziva fenomen odstupanja svjetlosti od pravolinijskog smjera širenja pri prolasku u blizini prepreka.

Kao što iskustvo pokazuje, pod određenim uslovima, svetlost može ući u područje geometrijske senke.

Ako se na putu paralelnog svjetlosnog snopa nalazi okrugla prepreka (okrugli disk, kugla ili okrugla rupa u neprozirnom ekranu), tada se na ekranu koji se nalazi na dovoljno velikoj udaljenosti od prepreke pojavljuje difrakcijski uzorak - a sistem naizmjeničnih svijetlih i tamnih prstenova.

Ako je prepreka linearna (prorez, navoj, ivica ekrana), tada se na ekranu pojavljuje sistem paralelnih difrakcijskih rubova.

Pojave difrakcije bile su dobro poznate još u Njutnovo doba, ali se pokazalo da ih je nemoguće objasniti na osnovu korpuskularne teorije svetlosti. Prvo kvalitativno objašnjenje fenomena difrakcije zasnovano na konceptima talasa dao je engleski naučnik T. Jung.

Fenomen difrakcije nameće ograničenja na primjenu zakona geometrijske optike:

Zakon pravolinijskog širenja svjetlosti, zakoni refleksije i prelamanja svjetlosti ispunjavaju se dovoljno precizno samo ako su dimenzije prepreka mnogo veće od valne dužine svjetlosti.

Difrakcija nameće ograničenje rezolucije optičkih instrumenata:

- u mikroskopu, kada se posmatraju veoma mali objekti, slika je mutna
- u teleskopu, kada posmatramo zvezde, umesto slike tačke, dobijamo sistem svetlih i tamnih pruga.

Postavljanje eksperimenata:
ISKUSTVO SA PAPIROM

Također možete vidjeti difrakciju svjetlosti na okrugloj rupi na listu crnog papira.
Napravite veliku rupu, na primjer, pomoću bušilice. Tada će se ispod lupe sa vanjske strane vidjeti rub svijetle boje duž njegovih rubova. Zraka svjetlosti koja izlazi iz velike rupe gotovo da nema difrakcijsku shemu. U većini slučajeva, može se uopće zanemariti, pod pretpostavkom da se svjetlost širi isključivo pravolinijski. Difrakcijski uzorak male rupe probušene u papiru iglom je mnogo veći od sebe i izgleda kao sistem prstenova.

U ovom slučaju, rupa djeluje kao izvor svjetlosti malih kutnih dimenzija. Može se zamijeniti svjetlećom tačkom bilo kojeg porijekla.

Uzimajući, na primjer, odraz sunca u kugli od ležaja koji leži na crnoj pozadini, može se vidjeti poseban uzorak koji se sastoji od prstenova, poput difrakcije na rupi.

Odraz sunca u balonu nije ništa drugo do njegova optički smanjena slika! Tako, na primjer, u kugli prečnika 3 mm vidimo sunce onako kako bi se vidjelo sa veoma udaljene planete. Stoga se zvijezde koje su mnogo dalje od nas pojavljuju pred okularom običnog teleskopa kao sićušne svjetleće tačkice, a kada su uvećane, mogu se vidjeti samo njihovi difrakcijski obrasci.

ISKUSTVO SA PIN-OM

Obična igla s prstenom pričvršćena je na komad drveta i osvijetljena baterijskom lampom s udaljenosti od 1 - 1,5 m. Ako se igla pogleda kroz lupu, difrakcijski uzorak postaje jasno vidljiv.

Na isti način, gledanje malih objekata kroz mikroskop pri vrlo velikom povećanju omogućava da se jasno vide njihovi difrakcijski obrasci, a oni se često pogrešno smatraju stvarnim detaljima, što ponekad dovodi do lažnih otkrića.

Primjeri difrakcije u prirodi i svakodnevnom životu:

Tanak sloj kapljica vode koji prekriva sunce ili mjesec djeluje kao difrakciona rešetka. Čini se da je svjetiljka okružena višebojnom krunom (dugin oreol). U slučaju iglastih, ledenih oblaka, nastaje drugačiji fenomen: uzak prsten velikog radijusa oko sunca ili mjeseca. Nastaje zbog prelamanja svjetlosti.

Ako pogledate plamen svijeće kroz zamagljeno staklo posuto vrlo finim prahom, tada se čini da je plamen okružen prelivom oreolom.

Duga nastaje uglavnom zbog prelamanja i totalne refleksije sunčevih zraka u sfernim kišnim kapima. Duga se sastoji od spektra raspoređenog na takav način da je vanjska strana duge obojena crveno, a unutrašnja ivica ljubičasta; od vanjskog ruba do ljubičaste su sve ostale boje spektra. Radijus polukruga je vidljiv pod vidnim uglom od 42,5º. Sekundarna duga ima unutrašnji radijus gledan pod uglom od 51º i obojena je crvenom bojom iznutra i ljubičastom spolja.

Zaključci:

1. Nakon proučavanja teorije i provođenja eksperimenata, zaključili smo da je u medijima u kojima se brzina talasa glatko (u poređenju sa talasnom dužinom) menja od tačke do tačke, širenje talasnog snopa krivolinijsko.
2. U ovom slučaju svjetlosni val također može zaobići prepreku, ali dimenzije prepreke treba da budu uporedive sa njenom talasnom dužinom, stoga naša hipoteza nije bila tačna.
3. Otkrili smo da fenomen difrakcije nameće ograničenja u primjeni zakona geometrijske optike: zakon pravolinijskog širenja svjetlosti, zakoni refleksije i loma svjetlosti ispunjavaju se dovoljno precizno samo ako su dimenzije prepreka mnogo veće. nego talasna dužina svetlosti.

Difrakcija nameće ograničenje rezolucije optičkih instrumenata: u mikroskopu, kada se posmatraju veoma mali objekti, slika je zamućena; u teleskopu, kada posmatramo zvezde, umesto slike tačke dobijamo sistem svetlih i tamnih pruga.

http://www.physics.ru Informativni portal o fizici "PHYSICON"

https://ru.wikipedia.org/wiki/Difrakcija "Wikipedia" - Enciklopedija.

http://class-fizika.spb.ru/ "Cool! Fizika - zanimljive stranice"

http://www.scienceforum.ru/ Naučni forum

Prezentacija

Difrakcija je talas oko prepreka. U slučaju svetlosti definicija difrakcije može zvučati ovako:

Difrakcija - to su bilo kakva odstupanja u širenju svjetlosnih valova od zakona geometrijske optike, posebno, to je prodor svjetlosti u područje geometrijske sjene.

Ponekad se koristi šira definicija:

Difrakcija naziva se skup pojava koje se uočavaju tokom širenja talasa u sredini sa oštrim nehomogenostima.

Classical primjer difrakcije- prolazak sfernog svjetlosnog vala kroz malu okruglu rupu, kada se na ekranu, umjesto osvijetljenog kruga sa jasnim granicama, pojavljuje svjetlosni krug sa mutnim granicama, prošaran naizmjeničnim tamnim i svijetlim prstenovima.

Promjenom promjera rupe vidjet ćemo da će se slika na ekranu promijeniti, a posebno će se pojaviti i nestati tamna mrlja u centru osvijetljenog kruga. Ovaj fenomen je objašnjen Fresnel. On je talasni front podelio na zone tako da se udaljenosti od susednih zona do tačke posmatranja razlikuju za pola talasne dužine. Tada se sekundarni talasi koji dolaze iz susjednih zona međusobno poništavaju. Stoga, ako se u rupu stavi paran broj zona, tada će u središtu osvijetljenog kruga biti tamna mrlja, ako je neparan broj svijetao.

Difrakciona rešetka- Ovo je optički uređaj, koji je ploča na kojoj se nanosi veliki broj pravilno raspoređenih poteza. Umjesto poteza na ploči, mogu postojati pravilno raspoređeni prorezi, žljebovi ili izbočine.

Difrakcioni uzorak dobijen na takvim periodičnim strukturama ima oblik naizmjeničnih maksimuma i minimuma različitih intenziteta. materijal sa sajta

Difrakcione rešetke se koriste u spektralnim instrumentima. Njihova svrha je proučavanje spektralnog sastava elektromagnetnog zračenja. Za rad u ultraljubičastom području koriste se rešetke u kojima ima 3600-1200 poteza po 1 mm, u vidljivom - 1200-600 poteza / mm, u infracrvenom - 300 ili manje poteza / mm. Za ultrakratke rendgenske valove, difrakcionu rešetku je stvorila priroda - ovo je kristalna rešetka čvrstih tijela.

Talasi veće dužine više se difraktiraju, pa pri prolasku kroz prepreku crvene zrake više odstupaju od pravog puta nego plave. Kada bijela svjetlost padne na prizmu, zraci se odbijaju obrnutim redoslijedom kao rezultat disperzije. Brzina svjetlosti crvenih zraka u staklu je veća, pa je shodno tome i indeks loma manji od onog kod plavih zraka. Kao rezultat toga, crvene zrake manje odstupaju od prvobitnog smjera.