Un esempio di diffrazione della luce è. Studio del fenomeno della diffrazione della luce. Come si manifesta la diffrazione della luce?

DEFINIZIONE

Diffrazione- aggirare gli ostacoli con un'onda.

Poiché la luce è un insieme di onde, come ogni onda, è soggetta a diffrazione. Ma poiché la lunghezza della luce è molto breve, essa può deviare dalla propagazione rettilinea ad angoli notevoli solo se la dimensione degli ostacoli è paragonabile alle lunghezze d'onda, cioè molto piccole.

Una definizione più generale di diffrazione della luce è data come segue. La diffrazione della luce è un insieme di fenomeni legati alla natura ondulatoria della luce, che può essere osservato quando questa si propaga in una sostanza con pronunciate disomogeneità. Gli esperimenti che dimostrano il fenomeno della diffrazione della luce sono: la deviazione della luce dalla propagazione rettilinea quando passa attraverso fori in schermi opachi, piegandosi attorno ai confini di corpi opachi.

La soluzione rigorosa delle equazioni d'onda quando si considerano i problemi di diffrazione è un problema piuttosto complesso. Pertanto, vengono spesso utilizzati metodi di soluzione approssimati.

Il fenomeno della diffrazione impone limiti all'applicabilità delle leggi dell'ottica geometrica e determina il limite del potere risolutivo degli strumenti ottici.

Teoria di Fresnel

O. Fresnel integrò il principio di Huygens con l'idea delle onde secondarie e costruì una teoria quantitativa della diffrazione. Ha studiato sperimentalmente diversi tipi di diffrazione e ha creato una teoria quantitativa, che consente di caratterizzare quantitativamente il modello di diffrazione che si verifica se un'onda luminosa si piega attorno a un ostacolo. La base della teoria di Fresnel era la proposizione che la superficie dell'onda in un momento arbitrario nel tempo non è solo l'inviluppo delle onde secondarie, ma è il risultato della loro interferenza. Questa posizione è chiamata principio di Huygens-Fresnel.

Secondo la teoria di Fresnel, per calcolare l'ampiezza di un'onda luminosa in un punto arbitrario nello spazio, si dovrebbe teoricamente circondare la sorgente luminosa con una superficie chiusa. La sovrapposizione delle onde provenienti da sorgenti secondarie situate sulla superficie risultante determinerà l'ampiezza nel punto studiato nello spazio. Oppure, per dirla in altro modo, al di fuori della superficie fittizia, l'onda effettivamente propagante può essere sostituita da un insieme di onde secondarie fittizie coerenti che interferiscono.

In alcuni problemi di diffrazione che hanno simmetria assiale, il calcolo dell'interferenza delle onde secondarie è semplificato utilizzando un metodo geometrico in cui il fronte d'onda è diviso in sezioni - anelli. Queste aree sono chiamate zone di Fresnel. La procedura di divisione in zone viene eseguita in modo tale che la differenza del percorso ottico dai confini simili di ciascuna coppia di zone adiacenti al punto da considerare sia pari alla metà della lunghezza d'onda. In questo caso, al punto considerato arrivano onde secondarie provenienti da punti simili di una coppia di zone vicine, che hanno fasi opposte, e quindi si indeboliscono a vicenda quando si sovrappongono.

Il raggio del numero della zona di Fresnel n () è uguale a:

dove a è la distanza dalla sorgente luminosa al foro dello schermo opaco; b è la distanza dal foro al punto di osservazione.

Reticolo di diffrazione

Il dispositivo del reticolo di diffrazione si basa sul fenomeno della diffrazione. È un insieme di strette fessure che separano stretti spazi opachi. I valori angolari() che si ottengono quando si punta ai massimi dello spettro di diffrazione che si presentano quando si utilizza un reticolo di diffrazione sono determinati dall'espressione:

dove d è il periodo reticolare. Usando un reticolo di diffrazione, la luce bianca viene divisa in uno spettro. Può essere utilizzato per calcolare la lunghezza d'onda della luce.

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Esercizio

Qual è la distanza dal foro al punto di osservazione (b) se il foro apre tre zone di Fresnel? In questo caso la sorgente luminosa puntiforme si trova ad una distanza a=1 m dal diaframma con un foro rotondo di raggio 1 mm (Fig. 1), m.

Soluzione

Consideriamo il triangolo rettangolo SCB. Per lui:

Allo stesso tempo, è chiaro che la lunghezza d'onda della luce () è molto più piccola delle distanze a e . Per un altro triangolo (BCA), abbiamo:

Uguagliamo i membri destri delle espressioni (1.1) e (1.2), tenendo conto che , abbiamo:

Sostituendo la parte destra dell'espressione (1.3) invece di x nella formula (1.1), otteniamo:

La grandezza può essere trascurata rispetto a . Si può considerare che:

Esprimiamo il valore desiderato b dalla (1.5), abbiamo:

Eseguiamo i calcoli:

Risposta

ESEMPIO 2

Esercizio	Un'onda monocromatica incide normalmente su un reticolo di diffrazione con un periodo m, che è la lunghezza d'onda se l'angolo tra gli spettri del primo e del secondo ordine è .
Soluzione	Come base per risolvere il problema, utilizziamo la condizione dei massimi dello spettro del reticolo di diffrazione: Poiché stiamo considerando spettri del primo e del secondo ordine, la formula (2.1) darà le seguenti espressioni:

Definizione 1

La diffrazione della luce è il fenomeno della deviazione della luce dalla direzione rettilinea di propagazione quando si passa vicino ad ostacoli.

Nella fisica classica il fenomeno della diffrazione viene descritto come interferenza delle onde secondo il principio di Huygens-Fresnel. Questi modelli caratteristici di comportamento si verificano quando un'onda incontra un ostacolo o un varco di dimensioni paragonabili alla sua lunghezza d'onda. Effetti simili si verificano quando un'onda luminosa passa attraverso un mezzo con un indice di rifrazione variabile o quando un'onda sonora passa attraverso un mezzo con un'impedenza acustica variabile. La diffrazione si verifica con tutti i tipi di onde, comprese le onde sonore, le onde del vento e le onde elettromagnetiche, nonché la luce visibile, i raggi X e le onde radio.

Poiché gli oggetti fisici hanno proprietà ondulatorie (a livello atomico), la diffrazione avviene anche con le sostanze e può essere studiata secondo i principi della meccanica quantistica.

Esempi

Gli effetti di diffrazione sono comuni nella vita di tutti i giorni. Gli esempi più eclatanti di diffrazione sono quelli associati alla luce; ad esempio, le tracce ravvicinate su CD o DVD agiscono come un reticolo di diffrazione. La diffrazione da piccole particelle nell'atmosfera può provocare un anello luminoso visibile vicino a una fonte di luce intensa come il sole o la luna. Anche la macchiolina, che si verifica quando un raggio laser colpisce una superficie otticamente irregolare, è una diffrazione. Tutti questi effetti sono una conseguenza del fatto che la luce viaggia come un'onda.

Nota 1

La diffrazione può verificarsi con qualsiasi tipo di onda.

Le onde dell'oceano si dissipano attorno ai moli e ad altri ostacoli. Le onde sonore possono piegarsi attorno agli oggetti, quindi puoi sentire qualcuno che chiama anche quando è nascosto dietro un albero.

Storia

Gli effetti della diffrazione della luce erano ben conosciuti ai tempi di Grimaldi da Francesco Maria, che coniò anche il termine diffrazione. I risultati ottenuti da Grimaldi furono pubblicati postumi in $1665. Thomas Young eseguì un famoso esperimento nel 1803 dimostrando l'interferenza di due fenditure ravvicinate. Spiegando i suoi risultati in termini di interferenza di onde provenienti da due diverse fenditure, concluse che la luce deve viaggiare sotto forma di onde. Fresnel fece studi e calcoli più accurati sulla diffrazione, che furono pubblicati nel 1815. Fresnel basò la sua teoria sulla definizione di luce sviluppata da Christiaan Huygens, integrandola con l'idea dell'interferenza delle onde secondarie. La conferma sperimentale della teoria di Fresnel divenne una delle principali prove della natura ondulatoria della luce. Questa teoria è ora conosciuta come principio di Huygens-Fresnel.

Diffrazione della luce

Diffrazione da fessura

Una lunga fenditura di larghezza infinitesimale, illuminata dalla luce, rifrange la luce in una serie di onde circolari e in un fronte d'onda che emerge dalla fenditura ed è un'onda cilindrica di intensità uniforme. Una fenditura più larga della lunghezza d'onda produce effetti di interferenza nello spazio in uscita dalla fenditura. Possono essere spiegati dal fatto che la fenditura si comporta come se avesse un gran numero di sorgenti puntiformi distribuite uniformemente su tutta la larghezza della fenditura. L'analisi di questo sistema è semplificata se consideriamo la luce di un'unica lunghezza d'onda. Se la luce incidente è coerente, queste sorgenti hanno tutte la stessa fase.

Reticolo di diffrazione

Un reticolo di diffrazione è un componente ottico con una struttura periodica che divide e diffrange la luce in più fasci che viaggiano in direzioni diverse.

La luce diffratta dal reticolo è determinata sommando la luce diffratta da ciascun elemento ed è essenzialmente la convoluzione degli schemi di diffrazione e interferenza.

l3 -4

Diffrazione della luce

La diffrazione è la flessione delle onde attorno agli ostacoli incontrati sul loro percorso o, in un senso più ampio, qualsiasi deviazione della propagazione delle onde in prossimità di ostacoli dalle leggi dell'ottica geometrica. Grazie alla diffrazione, le onde possono entrare nella regione d'ombra geometrica, aggirare gli ostacoli, penetrare attraverso un piccolo foro negli schermi, ecc.

Non esiste alcuna differenza fisica significativa tra interferenza e diffrazione. Entrambi i fenomeni comportano la ridistribuzione del flusso luminoso a seguito della sovrapposizione (sovrapposizione) delle onde. Per ragioni storiche, la deviazione dalla legge di indipendenza dei fasci luminosi, risultante dalla sovrapposizione di onde coerenti, viene solitamente chiamata interferenza d'onda. La deviazione dalla legge della propagazione rettilinea della luce, a sua volta, è solitamente chiamata diffrazione dell'onda.

L'osservazione della diffrazione viene solitamente eseguita secondo il seguente schema. Nel percorso di un'onda luminosa che si propaga da una determinata sorgente, viene posta una barriera opaca, che copre parte della superficie ondulatoria dell'onda luminosa. Dietro la barriera c'è uno schermo su cui appare uno schema di diffrazione.

Esistono due tipi di diffrazione. Se la fonte di luce S e punto di osservazione P situato così lontano dall'ostacolo che i raggi incidono sull'ostacolo e vanno al punto P, forma travi quasi parallele, parla diffrazione in raggi paralleli o circa Diffrazione di Fraunhofer. Altrimenti ne parlano Diffrazione di Fresnel. La diffrazione di Fraunhofer può essere osservata posizionandola dietro una sorgente luminosa S e davanti al punto di osservazione P lungo l'obiettivo in modo che i punti S E Pè finito nel piano focale della lente corrispondente (Fig.).

La diffrazione di Fraunhofer non è fondamentalmente diversa dalla diffrazione di Fresnel. Un criterio quantitativo che permette di stabilire quale tipo di diffrazione avviene è determinato dal valore del parametro adimensionale, dove B– dimensione caratteristica dell’ostacolo, lè la distanza tra l'ostacolo e lo schermo su cui si osserva la figura di diffrazione,  è la lunghezza d'onda. Se

Il fenomeno della diffrazione viene spiegato qualitativamente utilizzando il principio di Huygens, secondo il quale ogni punto raggiunto dall'onda funge da centro delle onde secondarie e l'inviluppo di queste onde determina la posizione del fronte d'onda nel momento successivo. Per un'onda monocromatica, la superficie dell'onda è la superficie su cui si verificano le oscillazioni nella stessa fase.

Lascia che un'onda piana cada normalmente su un foro in uno schermo opaco (Fig.). Secondo Huygens ogni punto della sezione del fronte d'onda isolato dal foro funge da sorgente di onde secondarie (in un mezzo isotropo sono sferiche). Avendo costruito l'inviluppo delle onde secondarie per un certo momento nel tempo, vediamo che il fronte d'onda entra nella regione dell'ombra geometrica, cioè gira attorno ai bordi del foro.

Il principio di Huygens risolve solo il problema della direzione di propagazione del fronte d'onda, ma non affronta il problema dell'ampiezza e, di conseguenza, dell'intensità del fronte d'onda. Dall'esperienza quotidiana è noto che in un gran numero di casi i raggi luminosi non si discostano dalla loro propagazione rettilinea. Pertanto, gli oggetti illuminati da una sorgente luminosa puntiforme producono un'ombra netta. Pertanto, il principio di Huygens deve essere integrato per determinare l'intensità dell'onda.

Fresnel integrò il principio di Huygens con l'idea dell'interferenza delle onde secondarie. Secondo Principio di Huygens-Fresnel, un'onda luminosa eccitata da qualche sorgente S, può essere rappresentato come il risultato di una sovrapposizione di onde secondarie coerenti emesse da piccoli elementi di una superficie chiusa che circonda la sorgente S. Di solito come superficie viene scelta una delle superfici d'onda, quindi le sorgenti delle onde secondarie agiscono in fase. In forma analitica per una sorgente puntiforme, questo principio è scritto come

, (1) dove E– vettore luce, inclusa la dipendenza dal tempo
, k– numero d'onda, R– distanza dal punto P in superficie S al punto P, K– coefficiente dipendente dall'orientamento del sito rispetto alla sorgente e al punto P. Validità della formula (1) e tipo di funzione Kè stabilito nel quadro della teoria elettromagnetica della luce (nell'approssimazione ottica).

Nel caso in cui tra la fonte S e punto di osservazione P Esistono schermi opachi con fori; l'effetto di questi schermi può essere preso in considerazione come segue. Sulla superficie degli schermi opachi le ampiezze delle sorgenti secondarie sono considerate pari a zero; nella zona dei fori le ampiezze delle sorgenti sono le stesse che si avrebbero in assenza di schermo (la cosiddetta approssimazione di Kirchhoff).

Metodo della zona di Fresnel. Tenere conto delle ampiezze e delle fasi delle onde secondarie consente, in linea di principio, di trovare l'ampiezza dell'onda risultante in qualsiasi punto dello spazio e di risolvere il problema della propagazione della luce. Nel caso generale, calcolare l'interferenza delle onde secondarie utilizzando la formula (1) è piuttosto complesso e macchinoso. Tuttavia, una serie di problemi possono essere risolti utilizzando una tecnica estremamente visiva che sostituisce calcoli complessi. Questo metodo è chiamato metodo Zone di Fresnel.

Diamo un'occhiata all'essenza del metodo usando l'esempio di una sorgente luminosa puntiforme. S. Le superfici d'onda sono in questo caso sfere concentriche con centro a S. Dividiamo la superficie d'onda mostrata in figura in zone anulari, costruite in modo che le distanze dai bordi di ciascuna zona al punto P differire per
. Le zone con questa proprietà vengono chiamate Zone di Fresnel. Dalla fig. è chiaro che la distanza dal bordo esterno - M la zona da puntare Pè uguale

, Dove B– distanza dalla sommità della superficie dell’onda O al punto P.

Le vibrazioni arrivano a un punto P da punti simili di due zone adiacenti (ad esempio, punti che si trovano al centro delle zone o ai bordi esterni delle zone) sono in antifase. Pertanto, le oscillazioni provenienti da zone vicine si indeboliranno reciprocamente e l'ampiezza dell'oscillazione luminosa risultante nel punto P

, (2) dove , , ... – ampiezze delle oscillazioni eccitate dalle zone 1a, 2a, ....

Per stimare le ampiezze di oscillazione troviamo le aree delle zone di Fresnel. Lasciamo il bordo esterno M- zona identifica un segmento sferico di altezza sulla superficie dell'onda . Indicando l'area di questo segmento con , troviamo quella, area M La esima zona di Fresnel è uguale a
. Dalla figura è chiaro che. Dopo semplici trasformazioni, tenendo conto
E
, otteniamo

. Area di un segmento sferico e area M Le zone di Fresnel sono rispettivamente uguali

,
. (3) Quindi, per dimensioni non troppo grandi M Le aree delle zone di Fresnel sono le stesse. Secondo l'ipotesi di Fresnel, l'azione delle singole zone in un punto P più piccolo è maggiore è l'angolo tra normale N alla superficie della zona e direzione verso P, cioè. l'effetto delle zone diminuisce gradualmente dal centro alla periferia. Inoltre, l'intensità della radiazione nella direzione del punto P diminuisce con la crescita M e a causa dell'aumento della distanza dalla zona al punto P. Pertanto, le ampiezze di oscillazione formano una sequenza monotonicamente decrescente

Il numero totale di zone di Fresnel che rientrano in un emisfero è molto ampio; ad esempio, quando
E
il numero di zone raggiunge ~10 6 . Ciò significa che l'ampiezza diminuisce molto lentamente e quindi può essere considerata approssimativamente

. (4) Quindi viene riassunta l'espressione (2) dopo il riarrangiamento

, (5) poiché le espressioni tra parentesi, secondo la (4), sono pari a zero, e il contributo dell'ultimo termine è trascurabile. Pertanto, l'ampiezza delle oscillazioni risultanti in un punto arbitrario Pè determinato come se fosse la metà dell'azione della zona centrale di Fresnel.

Non troppo grande M altezza del segmento
, quindi possiamo supporre che
. Sostituendo il valore con , otteniamo per il raggio del confine esterno M th zona

. (6) Quando
E
raggio della prima zona (centrale).
. Pertanto, la propagazione della luce da S A P avviene come se il flusso luminoso attraversasse un canale molto stretto SP, cioè. semplice.

La validità della suddivisione del fronte d'onda in zone di Fresnel è stata confermata sperimentalmente. A questo scopo viene utilizzata una lastra di zona, nel caso più semplice una lastra di vetro costituita da un sistema di anelli concentrici alternati trasparenti e opachi, con i raggi delle zone di Fresnel di una determinata configurazione. Se si posiziona la piastra di zona in un luogo strettamente definito (a distanza UN da una sorgente puntiforme e a distanza B dal punto di osservazione), allora l'ampiezza risultante sarà maggiore che con un fronte d'onda completamente aperto.

Diffrazione di Fresnel mediante un foro circolare. La diffrazione di Fresnel si osserva a una distanza finita dall'ostacolo che ha causato la diffrazione, in questo caso uno schermo con un foro. Onda sferica che si propaga da una sorgente puntiforme S, incontra uno schermo con un buco nel suo cammino. Il modello di diffrazione viene osservato su uno schermo parallelo allo schermo con un foro. Il suo aspetto dipende dalla distanza tra il foro e lo schermo (per un dato diametro del foro). È più facile determinare l'ampiezza delle vibrazioni della luce al centro dell'immagine. Per fare ciò, dividiamo la parte aperta della superficie dell'onda in zone di Fresnel. L'ampiezza dell'oscillazione eccitata da tutte le zone è uguale a

, (7) dove il segno più corrisponde a dispari M e meno – pari M.

Quando il foro apre un numero dispari di zone di Fresnel, l'ampiezza (intensità) nel punto centrale sarà maggiore rispetto a quando l'onda si propaga liberamente; se pari, l'ampiezza (intensità) sarà zero. Ad esempio, se un foro apre una zona di Fresnel, l'ampiezza
, quindi intensità (
) quattro volte di più.

Il calcolo dell'ampiezza della vibrazione nelle sezioni fuori asse dello schermo è più complicato, poiché le corrispondenti zone di Fresnel sono parzialmente sovrapposte allo schermo opaco. È qualitativamente chiaro che la figura di diffrazione avrà la forma di anelli scuri e chiari alternati con un centro comune (se Mè pari, allora ci sarà un anello scuro al centro se M quello dispari è un punto luminoso), e l'intensità massima diminuisce con la distanza dal centro dell'immagine. Se il foro è illuminato non con luce monocromatica, ma con luce bianca, gli anelli sono colorati.

Consideriamo i casi limite. Se il foro rivela solo una parte della zona centrale di Fresnel, sullo schermo appare un punto luminoso sfocato; In questo caso non si verifica l'alternanza di anelli chiari e scuri. Se il buco apre un gran numero di zone, allora
e ampiezza al centro
, cioè. lo stesso che con un fronte d'onda completamente aperto; l'alternanza degli anelli chiari e scuri avviene solo in un'area molto ristretta al confine dell'ombra geometrica. Infatti non si osserva alcuna figura di diffrazione e la propagazione della luce è essenzialmente lineare.

Diffrazione di Fresnel su un disco. Onda sferica che si propaga da una sorgente puntiforme S, incontra un disco nel suo percorso (Fig.). Il modello di diffrazione osservato sullo schermo è centralmente simmetrico. Determiniamo l'ampiezza delle vibrazioni della luce nel centro. Lascia che il disco si chiuda M prime zone di Fresnel. Quindi l'ampiezza delle oscillazioni è

O
, (8) poiché le espressioni tra parentesi sono uguali a zero. Di conseguenza, al centro si osserva sempre un massimo di diffrazione (punto luminoso), corrispondente alla metà dell'azione della prima zona di Fresnel aperta. Il massimo centrale è circondato da anelli scuri e chiari concentrici ad esso. Con un numero limitato di zone chiuse, l'ampiezza
poco diverso da . Pertanto, l'intensità al centro sarà quasi la stessa che in assenza del disco. La variazione dell'illuminazione dello schermo con la distanza dal centro dell'immagine è mostrata in Fig.

Consideriamo i casi limite. Se il disco copre solo una piccola parte della zona centrale di Fresnel, non proietta alcuna ombra: l'illuminazione dello schermo rimane ovunque la stessa come in assenza del disco. Se il disco copre molte zone di Fresnel, si osservano anelli chiari e scuri alternati solo in una regione stretta al confine dell'ombra geometrica. In questo caso
, per cui non vi è alcun punto luminoso al centro, e l'illuminazione nella regione dell'ombra geometrica è quasi ovunque uguale a zero. Infatti non si osserva alcuna figura di diffrazione e la propagazione della luce è lineare.

Diffrazione di Fraunhofer su una singola fenditura. Sia un'onda piana monocromatica incidente normalmente al piano di una stretta fenditura di larghezza UN. Differenza del cammino ottico tra i raggi estremi provenienti dalla fenditura in una certa direzione 

Dividiamo la parte aperta della superficie d'onda nel piano della fenditura in zone di Fresnel, che hanno la forma di strisce uguali parallele alla fenditura. Poiché la larghezza di ciascuna zona viene scelta in modo tale che la differenza di corsa dai bordi di queste zone sia uguale a
, la larghezza della fessura si adatterà
zone Le ampiezze delle onde secondarie nel piano della fenditura saranno uguali, poiché le zone di Fresnel hanno le stesse aree e sono ugualmente inclinate rispetto alla direzione di osservazione. Le fasi delle oscillazioni di una coppia di zone di Fresnel vicine differiscono di , pertanto l'ampiezza totale di queste oscillazioni è zero.

Se il numero di zone Fresnel è pari, allora

, (9a) e al punto B c'è un'illuminazione minima (zona scura), ma se il numero di zone di Fresnel è dispari, allora

(9b) e si osserva l'illuminazione prossima al massimo, corrispondente all'azione di una zona di Fresnel non compensata. In direzione
la fenditura agisce come una zona di Fresnel, ed in questa direzione si osserva la massima illuminazione, punto corrisponde al massimo di illuminazione centrale o principale.

Calcolo dell'illuminazione in base alla direzione

, (10) dove – illuminazione al centro dello schema di diffrazione (contro il centro della lente), – illuminazione in un punto la cui posizione è determinata dalla direzione . Il grafico della funzione (10) è mostrato in Fig. I massimi di illuminazione corrispondono ai valori di  che soddisfano le condizioni

,
,
ecc. Invece di queste condizioni per i massimi, si può utilizzare approssimativamente la relazione (9b), che fornisce valori vicini degli angoli. L'entità dei massimi secondari diminuisce rapidamente. I valori numerici delle intensità dei massimi principali e successivi sono correlati come

ecc., cioè la maggior parte dell'energia luminosa che passa attraverso la fenditura è concentrata nel massimo principale.

Il restringimento del divario porta al fatto che il massimo centrale si allarga e la sua illuminazione diminuisce. Al contrario, più ampia è la fenditura, più luminosa è l'immagine, ma le frange di diffrazione sono più strette e il numero delle frange stesse è maggiore. A
al centro si ottiene un'immagine nitida della sorgente luminosa, cioè Si ha una propagazione rettilinea della luce.

Articolo: Fisica

Classe: 11° grado.

Soggetto: Diffrazione della luce

Domanda principale: La luce può piegarsi attorno agli ostacoli e come ciò avverrà.

Ipotesi:

La luce viaggia in linea retta e quindi non può evitare gli ostacoli.

Obiettivi:

Lo studio dei fenomeni luminosi utilizzando l'esempio della diffrazione e identificando le condizioni per il suo verificarsi e le limitazioni che impone all'applicazione delle leggi dell'ottica geometrica.

Compiti:

Studiare dalla teoria il fenomeno della diffrazione, le condizioni del suo verificarsi e le condizioni in cui impone restrizioni sull'applicazione delle leggi dell'ottica geometrica.
Condurre esperimenti che mostrino/spieghino chiaramente il fenomeno della diffrazione.

Fasi:

Familiarizzare con la teoria e le informazioni su Internet.
Conduci una consultazione con insegnanti di fisica e analizza i video di esperimenti precedentemente trovati su Internet.
Conduci i tuoi esperimenti (esperimenti con carta, con una spilla e un CD).
Analizzare i risultati ottenuti.
Trarre conclusioni.

Risultati dello studio della letteratura scientifica

Diffrazione la luce è il fenomeno della deviazione della luce dalla direzione rettilinea di propagazione quando si passa in prossimità di ostacoli.

L'esperienza dimostra che la luce, in determinate condizioni, può entrare nella regione dell'ombra geometrica.

Se c'è un ostacolo rotondo nel percorso di un raggio di luce parallelo (un disco rotondo, una palla o un foro rotondo in uno schermo opaco), sullo schermo situato a una distanza sufficientemente grande dall'ostacolo appare uno schema di diffrazione: un sistema di anelli chiari e scuri alternati.

Se l'ostacolo è di natura lineare (fessura, filo, bordo dello schermo), sullo schermo appare un sistema di frange di diffrazione parallele.

I fenomeni di diffrazione erano ben noti già ai tempi di Newton, ma risultò impossibile spiegarli sulla base della teoria corpuscolare della luce. La prima spiegazione qualitativa del fenomeno della diffrazione basata sui concetti di onda fu data dallo scienziato inglese T. Young.

Il fenomeno della diffrazione impone restrizioni all'applicazione delle leggi dell'ottica geometrica:

La legge della propagazione rettilinea della luce, le leggi della riflessione e della rifrazione della luce sono soddisfatte in modo abbastanza accurato solo se la dimensione degli ostacoli è molto maggiore della lunghezza d'onda della luce.

La diffrazione pone un limite alla risoluzione degli strumenti ottici:

- al microscopio, quando si osservano oggetti molto piccoli, l'immagine risulta sfocata
— in un telescopio, quando osserviamo le stelle, invece dell'immagine di un punto, otteniamo un sistema di strisce chiare e scure.

Impostazione degli esperimenti:
ESPERIENZA CON LA CARTA

Puoi anche vedere la diffrazione della luce su un foro rotondo in un foglio di carta nera.
Fai un buco grande, ad esempio, usando un perforatore. Quindi, sotto una lente d'ingrandimento, sarà visibile un bordo di colore chiaro lungo i bordi esterni. Un raggio di luce che emerge da un grande foro ha uno schema di diffrazione quasi invisibile. Nella maggior parte dei casi, si può ignorare del tutto, presupponendo che la luce viaggi esclusivamente in linea retta. Lo schema di diffrazione di un minuscolo foro praticato nella carta da un ago è molto più grande del foro stesso e sembra un sistema di anelli.

In questo caso il foro funge da sorgente luminosa di piccole dimensioni angolari. Può essere sostituito con un punto luminoso di qualsiasi origine.

Prendendo, ad esempio, il riflesso del sole in una sfera appoggiata su uno sfondo nero, si può vedere un disegno distinto di anelli, come la diffrazione da un'apertura.

Il riflesso del sole nella palla non è altro che la sua immagine otticamente ridotta! Così, ad esempio, in una palla del diametro di 3 mm vediamo il sole come lo vedrebbero da un pianeta molto distante. Pertanto, le stelle molto più lontane da noi appaiono davanti all'oculare di un telescopio convenzionale come minuscoli punti luminosi, ingrandendoli è possibile vedere solo le loro figure di diffrazione.

ESPERIENZA CON UNO SPILLO

Un normale perno con un anello è montato su un pezzo di legno e illuminato da una lampada a torcia da una distanza di 1 - 1,5 m. Se guardi il perno attraverso una lente d'ingrandimento, il modello di diffrazione diventerà chiaramente visibile.

Allo stesso modo, osservare piccoli oggetti attraverso un microscopio ad un ingrandimento molto elevato consente di vedere chiaramente i loro schemi di diffrazione, che vengono spesso scambiati per caratteristiche reali, portando a volte a false scoperte.

Esempi di diffrazione in natura e nella vita di tutti i giorni:

Un sottile strato di nuvole di goccioline d'acqua che oscura il sole o la luna funge da reticolo di diffrazione. Il luminare sembra essere circondato da una corona multicolore (alone arcobaleno). Nel caso delle nubi di ghiaccio a forma di ago si verifica un fenomeno diverso: un anello stretto di ampio raggio attorno al sole o alla luna. Si verifica a causa della rifrazione della luce.

Se guardi la fiamma di una candela attraverso un vetro appannato cosparso di polvere finissima, la fiamma appare circondata da un alone arcobaleno.

Gli arcobaleni si verificano principalmente come risultato della rifrazione e della riflessione totale dei raggi del sole in gocce di pioggia sferiche. Un arcobaleno è costituito da uno spettro disposto in modo tale che il bordo esterno dell'arcobaleno sia colorato di rosso e il bordo interno sia di colore viola; Dal bordo esterno al viola si trovano tutti gli altri colori dello spettro. Il raggio del semicerchio è visibile con un angolo di visione di 42,5º. L'arcobaleno laterale ha un raggio interno visibile con un angolo di 51º ed è colorato di rosso all'interno e di viola all'esterno.

Conclusioni:

Dopo aver studiato la teoria e condotto esperimenti, abbiamo concluso che nei mezzi in cui la velocità dell'onda varia dolcemente (rispetto alla lunghezza d'onda) da punto a punto, la propagazione del raggio d'onda è curvilinea.
In questo caso l'onda luminosa può anche curvarsi attorno ad un ostacolo, ma la dimensione dell'ostacolo deve essere paragonabile alla lunghezza della sua onda, quindi la nostra ipotesi era errata.
Abbiamo scoperto che il fenomeno della diffrazione impone restrizioni sull'applicazione delle leggi dell'ottica geometrica: la legge della propagazione rettilinea della luce, le leggi della riflessione e della rifrazione della luce sono soddisfatte in modo abbastanza accurato solo se la dimensione degli ostacoli è molto più grande di la lunghezza d'onda della luce.

La diffrazione pone un limite alla risoluzione degli strumenti ottici: al microscopio, quando si osservano oggetti molto piccoli, l'immagine risulta sfocata; Nel telescopio, quando osserviamo le stelle, invece dell'immagine di un punto, otteniamo un sistema di strisce chiare e scure.

http://www.physics.ru Portale informativo sulla fisica “PHYSICON”

https://ru.wikipedia.org/wiki/Diffraction "Wikipedia" - Enciclopedia.

http://class-fizika.spb.ru/ “Fisica fantastica: pagine interessanti”

http://www.scienceforum.ru/ Forum scientifico

Presentazione

Diffrazione- questa è la flessione delle onde attorno agli ostacoli. In caso di luce determinazione della diffrazione potrebbe suonare così:

Diffrazione - si tratta di eventuali deviazioni nella propagazione delle onde luminose dalle leggi dell'ottica geometrica, in particolare la penetrazione della luce nella regione di un'ombra geometrica.

A volte viene utilizzata una definizione più ampia:

Diffrazione è un insieme di fenomeni che si osservano durante la propagazione delle onde in un mezzo con forti disomogeneità.

Classico esempio di diffrazione- il passaggio di un'onda luminosa sferica attraverso un piccolo foro rotondo, quando sullo schermo, invece di un cerchio illuminato dai confini netti, si osserva un cerchio luminoso dai confini sfumati, punteggiato da anelli scuri e chiari alternati.

Modificando il diametro del foro vedremo che l'immagine sullo schermo cambierà, in particolare apparirà e scomparirà una macchia scura al centro del cerchio illuminato. Una spiegazione a questo fenomeno è stata data da Fresnel. Ha diviso il fronte d'onda in zone in modo che le distanze dalle zone vicine al punto di osservazione differiscano di mezza lunghezza d'onda. Quindi le onde secondarie provenienti da zone vicine si annullano a vicenda. Pertanto, se nel foro viene inserito un numero pari di zone, al centro del cerchio illuminato ci sarà un punto scuro; se ce n'è un numero dispari, ci sarà un punto luminoso.

Reticolo di diffrazioneè un dispositivo ottico che è una lastra su cui vengono applicati un gran numero di tratti regolarmente spaziati. Invece di tratti, la piastra può avere fessure, scanalature o sporgenze regolarmente distanziate.

Il modello di diffrazione ottenuto da tali strutture periodiche ha la forma di massimi e minimi alternati di intensità variabili. Materiale dal sito

I reticoli di diffrazione vengono utilizzati negli strumenti spettrali. Il loro scopo è studiare la composizione spettrale della radiazione elettromagnetica. Per lavorare nella regione dell'ultravioletto si utilizzano reticoli che hanno 3600-1200 linee per 1 mm, nel visibile - 1200-600 linee/mm, nell'infrarosso - 300 o meno linee/mm. Per le onde dei raggi X ultracorti, la natura ha creato un reticolo di diffrazione: è un reticolo cristallino di solidi.

Le onde più lunghe si diffondono più fortemente, quindi quando superano un ostacolo, i raggi rossi deviano maggiormente da un percorso rettilineo rispetto ai raggi blu. Quando la luce bianca cade su un prisma, i raggi, per effetto della dispersione, vengono deviati nell'ordine opposto. La velocità della luce dei raggi rossi nel vetro è maggiore e, di conseguenza, l'indice di rifrazione è inferiore a quello dei raggi blu. Di conseguenza, i raggi rossi deviano meno dalla loro direzione originale.