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Un esempio della 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 piccola, essa può discostarsi dalla propagazione rettilinea solo per angoli percepibili se le dimensioni degli ostacoli sono paragonabili 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 problemi di diffrazione è un problema piuttosto complicato. 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 della risoluzione 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 varie varianti di diffrazione e ha creato una teoria quantitativa che consente di caratterizzare quantitativamente il modello di diffrazione che si verifica se un'onda luminosa aggira un ostacolo. La base della teoria di Fresnel era la posizione secondo cui la superficie dell'onda in un momento di tempo arbitrario 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 che si trovano sulla superficie risultante determinerà l'ampiezza nel punto dello spazio studiato. O, in altre parole, al di fuori della superficie immaginaria, 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 vicine al punto da considerare sia pari alla metà della lunghezza d'onda. In questo caso vengono prese in considerazione le onde secondarie provenienti da punti simili di una coppia di zone vicine, che hanno fasi opposte, 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 di un reticolo di diffrazione si basa sul fenomeno della diffrazione. È un insieme di strette fessure che separano stretti spazi opachi. I valori degli angoli (), che si ottengono quando diretti ai massimi dello spettro di diffrazione, derivanti quando si utilizza un reticolo di diffrazione, sono determinati dall'espressione:

dove d è il periodo reticolare. Con l'aiuto di un reticolo di diffrazione, la luce bianca viene scomposta 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 rivela 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 un triangolo rettangolo SCB. Per lui:

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

Uguagliamo le parti giuste delle espressioni (1.1) e (1.2), teniamo presente che abbiamo:

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

Il valore può essere trascurato rispetto a . Si può considerare che:

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

Facciamo i calcoli:
Risposta M

ESEMPIO 2

Esercizio Un'onda monocromatica cade normalmente su un reticolo di diffrazione con periodo m, che è uguale alla 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 per i 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 d'onda secondo il principio di Huygens-Fresnel. Questi modelli caratteristici di comportamento compaiono 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 cambiamento nell'impedenza acustica. 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 si incontrano spesso 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 in un'atmosfera di piccole particelle può provocare un anello luminoso visibile vicino a una fonte di luce intensa come il sole o la luna. Anche la macchiolina che si forma 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.

Osservazione 1

La diffrazione può verificarsi con qualsiasi tipo di onda.

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

Storia

Gli effetti della diffrazione della luce erano ben noti ai tempi di Francesco Maria Grimaldi, 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 con l'aiuto dell'interferenza delle onde provenienti da due diverse fenditure, concluse che la luce deve propagarsi sotto forma di onde. Fresnel fece studi e calcoli più accurati sulla diffrazione, che furono pubblicati nel $ 1815. Come base della sua teoria, Fresnel utilizza la definizione di luce sviluppata da Christian Huygens, integrandola con l'idea dell'interferenza delle onde secondarie. La conferma sperimentale della teoria di Fresnel è diventata 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 all'uscita della 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 una 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 raggi che si propagano in direzioni diverse.

La luce diffratta dal reticolo è determinata sommando la luce diffratta da ciascuno degli elementi ed è essenzialmente una convoluzione dei modelli di diffrazione e interferenza.

l3 -4

Diffrazione della luce

La diffrazione è chiamata la flessione delle onde attorno agli ostacoli incontrati sul loro percorso o, in un senso più ampio, qualsiasi deviazione della propagazione delle onde vicino agli ostacoli dalle leggi dell'ottica geometrica. A causa della diffrazione, le onde possono entrare nella regione di un'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 consistono nella ridistribuzione del flusso luminoso a seguito della sovrapposizione (sovrapposizione) di 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 chiamata diffrazione dell'onda.

L'osservazione della diffrazione viene solitamente effettuata secondo il seguente schema. Una barriera opaca è posta sul percorso di un'onda luminosa che si propaga da una sorgente, coprendo 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, formano travi quasi parallele, parliamo di diffrazione in fasci paralleli o circa Diffrazione di Fraunhofer. Altrimenti, parlane Diffrazione di Fresnel. La diffrazione di Fraunhofer può essere osservata posizionando dietro una sorgente luminosa S e davanti al punto di osservazione P lungo l'obiettivo in modo che i punti S E P erano nel piano focale della lente corrispondente (Fig.).

Fondamentalmente la diffrazione di Fraunhofer non differisce dalla diffrazione di Fresnel. Il criterio quantitativo che permette di stabilire che tipo di diffrazione avviene è determinato dal valore del parametro adimensionale, dove Bè la 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 da un'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 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 contraddistinto dal foro funge da sorgente di onde secondarie (in un mezzo isotropo sono sferiche). Avendo costruito l'inviluppo delle onde secondarie per un certo istante di tempo, vediamo che il fronte d'onda entra nella regione dell'ombra geometrica, cioè avvolge il bordo del foro.

Il principio di Huygens risolve solo il problema della direzione di propagazione del fronte d'onda, ma non influenza la questione 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 è necessario integrare il principio di Huygens che consente di determinare l'intensità dell'onda.

Fresnel integrò il principio di Huygens con l'idea dell'interferenza delle onde secondarie. Secondo il 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 racchiude 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 Eè il vettore luce, che include la dipendenza dal tempo
, Kè il 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 forma della 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 ci sono schermi opachi con fori, l'effetto di questi schermi può essere preso in considerazione come segue. Sulla superficie degli schermi opachi, si presuppone che le ampiezze delle sorgenti secondarie siano pari a zero; nella regione 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. Tenendo conto delle ampiezze e delle fasi delle onde secondarie è possibile, in linea di principio, trovare l'ampiezza dell'onda risultante in qualsiasi punto dello spazio e risolvere il problema della propagazione della luce. Nel caso generale, il calcolo dell'interferenza delle onde secondarie secondo la formula (1) è piuttosto complicato e macchinoso. Tuttavia, una serie di problemi possono essere risolti applicando una tecnica estremamente visiva che sostituisce calcoli complessi. Questo metodo è chiamato metodo Zone di Fresnel.

Analizzeremo l'essenza del metodo usando l'esempio di una sorgente luminosa puntiforme S. Le superfici d'onda sono in questo caso sfere concentriche centrate in S. Dividiamo la superficie d'onda mostrata in figura in zone anulari costruite in modo tale 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. si può vedere che la distanza dal bordo esterno M-esima zona al punto P equivale

, Dove Bè la distanza dalla sommità della superficie dell'onda O al punto P.

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

, (2) dove , , … sono le 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 La zona -esima seleziona un segmento di altezza sferica sulla superficie dell'onda . Indica l'area di questo segmento attraverso , trovalo, zona M la zona di Fresnel è uguale a
. Dalla figura si può vedere che . Dopo semplici trasformazioni, tenendo conto
E
, noi abbiamo

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

,
. (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'azione 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, possiamo considerarla approssimativamente

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

, (5) poiché le espressioni tra parentesi, secondo (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, per così dire, dalla metà dell'azione della zona centrale di Fresnel.

Quando non troppo grande M altezza del segmento
, quindi possiamo presumerlo
. 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 liceità della suddivisione del fronte d'onda in zone di Fresnel è stata confermata sperimentalmente. Per questo viene utilizzata una piastra di zona - nel caso più semplice, una lastra di vetro, costituita da un sistema di anelli concentrici alternati trasparenti e opachi, con raggi di zona 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), l'ampiezza risultante sarà maggiore rispetto a quella 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 il 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, allora l'ampiezza (intensità) nel punto centrale sarà maggiore rispetto a quando l'onda si propaga liberamente; se anche allora l'ampiezza (intensità) sarà pari a zero. Ad esempio, se il foro apre una zona di Fresnel, l'ampiezza
, quindi l'intensità (
) quattro volte di più.

Il calcolo dell'ampiezza di oscillazione nelle sezioni fuori asse dello schermo è più complicato, in quanto le corrispondenti zone di Fresnel sono parzialmente sovrapposte da uno schermo opaco. È qualitativamente chiaro che la figura di diffrazione avrà la forma di anelli scuri e chiari alternati con un centro comune (se M anche, allora ci sarà un anello scuro al centro, se M dispari - quindi 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 si ottiene un punto luminoso diffuso; in questo caso non si verifica l'alternanza degli 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 una zona molto ristretta al confine dell'ombra geometrica. Infatti la figura di diffrazione non viene osservata e la propagazione della luce infatti è rettilinea.

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 oscillazioni della luce al centro. Lascia che il disco si chiuda M le prime zone di Fresnel. Quindi l'ampiezza dell'oscillazione è uguale a

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, l'alternanza degli anelli chiari e scuri si osserva solo in una regione ristretta al confine dell'ombra geometrica. In questo caso
, in modo che non vi sia alcun punto luminoso al centro, e l'illuminazione nella regione dell'ombra geometrica è quasi ovunque uguale a zero. Infatti la figura di diffrazione non viene osservata e la propagazione della luce è rettilinea.

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

.

Dividiamo la parte aperta della superficie dell'onda nel piano della fessura in zone di Fresnel, che hanno la forma di bande di uguali dimensioni parallele alla fessura. Poiché la larghezza di ciascuna zona viene scelta in modo tale che la differenza del percorso dai bordi di queste zone sia uguale a
, la larghezza della fessura si adatterà
zone. Le ampiezze delle onde secondarie nel piano della fessura saranno uguali, poiché le zone di Fresnel hanno la stessa area 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 uguale a zero.

Se il numero di zone Fresnel è pari, allora

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

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

Il calcolo dell'illuminazione in base alla direzione dà

, (10) dove è l'illuminazione al centro del modello 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 illuminamento corrispondono ai valori di  che soddisfano le condizioni

,
,
eccetera. 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 trasmessa attraverso la fenditura è concentrata nel massimo principale.

Il restringimento della fessura 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, ad es. la luce si propaga in linea retta.

Articolo: Fisica

Classe: 11 classi.

Soggetto: Diffrazione della luce

Domanda principale: La luce può piegarsi attorno agli ostacoli e Come potrebbe accadere?

Ipotesi:

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

Obiettivi:

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

Compiti:

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

Fasi:

  1. Acquisire familiarità con la teoria e le informazioni su Internet.
  2. Conduci una consultazione con insegnanti di fisica e analizza i video di esperimenti precedentemente trovati su Internet.
  3. Conduci i tuoi esperimenti (esperimenti con carta, con una spilla e un CD).
  4. Analizzare i risultati.
  5. Trarre conclusioni.

I risultati dello studio della letteratura scientifica

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

Come dimostra l'esperienza, in determinate condizioni la luce può penetrare nella regione dell'ombra geometrica.

Se un ostacolo rotondo si trova 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 un modello di diffrazione - un sistema di anelli chiari e scuri alternati.

Se l'ostacolo è 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. Jung.

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 sufficientemente accurato solo se le dimensioni degli ostacoli sono molto maggiori della lunghezza d'onda della luce.

La diffrazione impone un limite alla risoluzione degli strumenti ottici:

- al microscopio, quando si osservano oggetti molto piccoli, l'immagine è 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 la lente d'ingrandimento, dall'esterno sarà visibile un bordo di colore chiaro lungo i suoi bordi. Un raggio di luce che esce da un grande foro non ha quasi alcuno schema di diffrazione. Nella maggior parte dei casi, ciò può essere del tutto ignorato, presupponendo che la luce si propaghi esclusivamente in linea retta. Lo schema di diffrazione di un minuscolo foro praticato nella carta con un ago è molto più grande di se stesso e sembra un sistema di anelli.

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

Prendendo, ad esempio, il riflesso del sole in una palla da un cuscinetto posto su uno sfondo nero, si può vedere uno schema distinto costituito da anelli, come la diffrazione su un foro.

Il riflesso del sole nel pallone non è altro che la sua immagine otticamente ridotta! Quindi, ad esempio, in una palla del diametro di 3 mm, vediamo il sole come se fosse visto da un pianeta molto distante. Pertanto, le stelle molto più lontane da noi appaiono davanti all'oculare di un normale telescopio come minuscoli punti luminosi, quando ingrandite si possono vedere solo i loro schemi di diffrazione.

ESPERIENZA CON UNO SPILLO

Un normale perno con un anello è fissato 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 diventa chiaramente visibile.


Allo stesso modo, osservando piccoli oggetti attraverso un microscopio ad altissimo ingrandimento è possibile vedere chiaramente i loro schemi di diffrazione, che spesso vengono scambiati per dettagli reali, portando a volte a false scoperte.

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

Un sottile strato di goccioline d'acqua che copre 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 aciculari e ghiacciate si verifica un fenomeno diverso: uno stretto anello di ampio raggio attorno al Sole o alla Luna. Si verifica a causa della rifrazione della luce.

Se si osserva la fiamma di una candela attraverso un vetro appannato cosparso di una polvere finissima, allora la fiamma sembra essere circondata da un alone iridescente.

L'arcobaleno si forma principalmente a causa della rifrazione e della riflessione totale dei raggi solari nelle gocce di pioggia sferiche. L'arcobaleno è costituito da uno spettro disposto in modo tale che il lato esterno dell'arcobaleno sia colorato di rosso e il bordo interno sia viola; dal bordo esterno al viola ci sono tutti gli altri colori dello spettro. Il raggio del semicerchio è visibile con un angolo di campo di 42,5º. L'arcobaleno secondario ha un raggio interno visto con un angolo di 51º ed è colorato di rosso all'interno e di viola all'esterno.

Conclusioni:

  1. Dopo aver studiato la teoria ed effettuato esperimenti, siamo giunti alla conclusione che nei mezzi in cui la velocità dell'onda cambia dolcemente (rispetto alla lunghezza d'onda) da punto a punto, la propagazione di un raggio d'onda è curvilinea.
  2. In questo caso l'onda luminosa può anche aggirare l'ostacolo, ma le dimensioni dell'ostacolo dovrebbero essere paragonabili alla sua lunghezza d'onda, quindi la nostra ipotesi non era corretta.
  3. 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 sufficientemente accurato solo se le dimensioni degli ostacoli sono molto maggiori rispetto alla lunghezza d'onda della luce.

    4. La diffrazione impone 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.

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

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

http://class-fizika.spb.ru/ "Cool! Fisica - pagine interessanti"

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

Presentazione

Diffrazioneè l'onda attorno agli ostacoli. Nel caso della luce definizione di diffrazione potrebbe suonare così:

Diffrazione - queste sono eventuali deviazioni nella propagazione delle onde luminose dalle leggi dell'ottica geometrica, in particolare, questa è la penetrazione della luce nell'area di un'ombra geometrica.

A volte viene utilizzata una definizione più ampia:

Diffrazione chiamato 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, al posto di un cerchio illuminato dai confini netti, appare 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. Questo fenomeno è stato spiegato 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 dalle 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 il numero dispari è luminoso.

Reticolo di diffrazione- Questo è un dispositivo ottico, che è una piastra su cui vengono applicati un gran numero di tratti regolarmente spaziati. Invece di tratti sulla piastra, possono essere presenti fessure, scanalature o sporgenze regolarmente distanziate.

Il modello di diffrazione ottenuto su tali strutture periodiche ha la forma di massimi e minimi alternati di varie intensità. 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 vengono utilizzati reticoli, in cui ci sono 3600-1200 tratti per 1 mm, nel visibile - 1200-600 tratti / mm, nell'infrarosso - 300 o meno tratti / mm. Per le onde dei raggi X ultracorti, il reticolo di diffrazione è stato creato dalla natura: questo è il reticolo cristallino dei solidi.

Le onde con una lunghezza maggiore si diffondono maggiormente, quindi quando attraversano un ostacolo, i raggi rossi deviano maggiormente da un percorso rettilineo rispetto a quelli blu. Quando la luce bianca cade su un prisma, i raggi vengono deviati nell'ordine inverso a causa della dispersione. 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 direzione originale.