Что такое интерференция световых волн

Интерференция света

Интерференция света

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Условия интерференции

Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.
Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₁ и S₂.
Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ₁ и ℓ_2.
На экране наблюдается чередование светлых и темных полос.

Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками ,

Условие минимума

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие минимума: ,

Интерференция света в тонких пленках

Различные цвета тонких пленок — результат интерфе­ренции двух волн, отражаю­щихся от нижней и верхней по­верхностей пленки. При отражении от верх­ней поверхности пленки проис­ходит потеря полуволны. Сле­довательно, оптическая раз­ность хода .

Тогда условие максимального усиле­ния интерферирующих лучей в отраженном свете следую­щее: .

Если потерю полуволны не учитывать, то .

Кольца Ньютона

Интерференционная карти­на в тонкой прослойке воздуха между стеклянными пластина­ми — кольца Ньютона.

Волна 1 — результат отра­жения ее от точки А (граница стекло —воздух). Волна 2 — отражение от плоской пласти­ны (точка В, граница воздух — стекло). Волны когерентны: возникает интерференционная картина в прослойке воздуха между точками А и В в виде-концентрических колец. Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу , где r — радиус кольца, R — радиус кри­визны выпуклой поверхности линзы.

Использование интерференции в технике

Проверка качества обра­ботки поверхности до одной де­сятой длины волны. Несовершенство обра­ботки определяют но искрив­лению интерференционных по­лос, образующихся при отра­жении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы под­водных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполиро­ванная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, исполь­зуется явление интерференции света.

.

Чтобы рассчитать толщину пленки в этой формуле необходимо взять длину волны и показатель преломления зеленого света.

Лучи красного и фиолетового цвета ослабляются незначительно.поэтому объективы оптических приборов в отраженном свете имеют сиреневые оттенки

Источник

Интерференция световых волн

Интерференция – это одно из наиболее ярких проявлений волновой природы света. Мы можем наблюдать такое интересное и красивое явление, если наложить друг на друга 2 или более световых пучков. В месте перекрывания пучков интенсивность волны света обладает характером чередующихся светлых и темных полос, при этом в точках максимумов интенсивность больше, а в точках минимумов меньше суммы интенсивностей пучков.

При белом свете интерференционные полосы окрашиваются в разные цвета светового спектра. На практике интерференционные явления окружают нас повсюду. Это и цвета масляных пятен на асфальте, и окрашивание замерзающих оконных стекол, и чудесные цветные рисунки на крыльях отдельных бабочек и жуков.

Первый научный эксперимент проявления интерференции света

Интерференционный опыт Юнга

Путем простых тригонометрических вычислений можно прийти к следующему выражению для интенсивности результирующего колебания в точке P :

где Δ = r 2 – r 1 – это разность хода.

Подчеркнем, что в волновой оптике понятие “луч света” теряет физический смысл в отличие от геометрической оптики. Определение «луч» в волновой оптике употребляется для краткости обозначения направления распространения волны.

Далее данный термин будет упоминаться без кавычек.

По данной формуле рассчитывается длина световой волны λ при известном радиусе кривизны R линзы.

Проблема когерентности волн

Источник

Интерференция световых волн

Вы будете перенаправлены на Автор24

Явление интерференции в природе

Иногда при наблюдении областей пересечения двух или более световых пучков можно наблюдать чередующиеся светлые и темные полосы. Можно также видеть, что на некоторых поверхностях, таких, как мыльные пленки, взаимодействующие световые волны белого цвета формируют радужные изображения. Такие же явления можно наблюдать на масляных пятнах, появляющихся на лужах вследствие утечек топлива или масла из двигателей автомобилей, на морозных узорах, появляющихся зимой на стеклах, на крыльях насекомых. Это физическое явление связано с тем, что электромагнитные волны, несущие свет, взаимодействуют пересекаясь, усиливают и ослабляют друг друга с определенной периодичностью. В максимумах таких пересечений, где волны действуют синфазно, интенсивность света выше, в минимумах, соответственно, ниже. Это явление и есть интерференция.

Интерференция световых волн — это их соединение при совпадающих частотах, но различающихся фазах (когерентных волн), порождающее повышение и понижение интенсивности совместных волновых колебаний.

Открытие интерференции. Опыт Юнга

Ученые конца XVII в. Роберт Бойль и Роберт Гук открыли интерференцию независимо друг от друга при наблюдениях за разноцветными тонкими масляными плёнками на воде. Томас Юнг в начале 1800-х гг. теоретически обобщил эти наблюдения и ввел в научный оборот само понятие интерференции света. Он также впервые продемонстрировал это явление в ходе опыта с использованием щелевых источников.

Для наблюдения интерференции нужны световые волны, колеблющиеся с одинаковой частотой, но не в одинаковой фазе. Из источников света только лазеры обладают свойством когерентности, однако получить ее можно разбив единый световой пучок на два или более, что и проделал Юнг во время своего знаменитого опыта.

Готовые работы на аналогичную тему

Рисунок 1. Опыт Юнга. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Опыт Юнга экспериментальным путем доказывает, что волны от щелевых источников распространяются независимо друг от друга и складываются в точке наблюдения. Это явление известно как принцип суперпозиции.

Выразим разность между расстояниями, которое проходит свет как

Это расстояние называется разностью хода.

Для определения интенсивности свечения интерференционных полос на экране выразим каждую из световых волн как

При сложении волн результирующее колебание можно выразить как

Интенсивность света, от которой зависит темная или светлая «окраска» интерференционных полос, принято выражать как квадрат амплитуды электрического поля волны:

Выразив амплитуду из предыдущих формул и подставив в уравнение интенсивности, получим, после тригонометрических преобразований:

По этой формуле можно вычислить интенсивность освещенности любой точки экрана, на который падает свет от взаимодействующих в процессе интерференции волн.

Условия максимума и минимума

Минимальная интенсивность результирующей волны (т.е. интенсивность в точках экрана, где полосы темные) описывается формулой:

$\Delta = (2m + 1) \cdot \frac<\lambda><2>$

Это означает, что разность хода должна быть в точках минимума кратна нечетному числу волн. Для точек максимума, напротив, число волн, укладывающихся в разность хода, должно быть четным:

Интерференция подтверждает волновую природу света. Ее удобно рассматривать с помощью таких понятий, как длина волны, частота, фаза и прочих характеристик, свойственных волновым явлениям.

Интерференция света в тонких пленках

Картину интерференции часто можно наблюдать в тонких пленках, например, таких, какие образуются на поверхности воды при попадании на нее маслянистых прозрачных жидкостей. Такие вещества, будучи легче воды, растекаются по ее поверхности до тех пор, пока их толщина не будет представлять собой всего несколько слоев молекул. Это расстояние сопоставимо с длиной световой волны. К тому же наружная и внутренняя поверхности таких пленок параллельны с высокой точностью.

Интерференционная картина при попадании света на такую пленку получается потому, что часть пучка отражается от внешней ее стороны, а часть, пройдя сквозь пленку, отражается от внутренней.

Поскольку оптическая плотность пленки отличается от оптической плотности среды, из которой пришел световой пучок, световой луч преломляется при вхождении в пленку и выходе из нее. От точки, где такой луч выходит из пленки, может отразиться еше один луч, пришедший из того же источника. Таким образом, для наблюдателя эта точка будет выглядеть как источник двух независимых лучей, светящих с одной частотой, но с разностью по фазе, возникающей в результате задержки при прохождении первого луча сквозь пленку. Эта разность зависит от угла, под которым наблюдатель смотрит на точку, а математические закономерности, описывающие характеристики результирующей волны, будут такими же, как в опыте Юнга.

Зависимость длины результирующей волны от толщины пленки можно описать формулой

Кольца Ньютона

Еще одно проявление интерференции можно наблюдать в так называемых кольцах Ньютона. Увидеть их можно в ходе следующего опыта. Нужно положить выпуклую линзу на прозрачную пластину выпуклостью вниз. Верхняя поверхность линзы должна быть плоской. Если осветить такую систему монохроматическим (с постоянной длиной волны) светом сверху, то вокруг места соприкосновения линзы и пластинки образуется система из темных и светлых концентрических колец. Замерив диаметр одного из таких колец и определив его порядковый номер, можно узнать длину волны освещающего пучка. Чем больше выпуклость линзы, тем ближе друг к другу располагаются светлые и тёмные кольца.

Рисунок 2. Кольца Ньютона. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Здесь, как и в случаях с опытом Юнга и тонкими пленками, мы имеем дело с распадением исходного светового пучка на два производных с той же длиной волны (частотой), но сдвинутых по фазе за счет преломления в линзе и ее геометрии.

Проблема когерентности волн

Для возникновения интерференционных полос недостаточно двух источников света, излучающих с одинаковой частотой. В повседневной жизни можно видеть множество примеров, когда при наличии таких источников (например, светящихся одноцветных светодиодов в гирлянде) никаких светлых и темных полос не возникает.

Применение интерференции в технике

Благодаря тому, что интерференционные изображения чувствительны к малейшим изменениям геометрии и оптической плотности прозрачных тел, интерференцию используют в технике для точных измерений. Особенно широко она примеряется в оптике.

Например, при шлифовке вогнутых зеркал для телескопов отклонения их поверхностей от геометрически правильной формы проверяют особым образом освещая и рассматривая отражение светового пучка на специальном экране. Характер расположения светлых и темных полос выявляет характер дефектов.

Интерферометры применяются также для анализа химического состава и физических характеристик (температуры, плотности) газов и других пропускающих свет веществ.

Источник

Что такое интерференция световых волн

Необходимы более веские доказательства того, что свет при распространении ведет себя как волна. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Для того чтобы быть уверенным в том, что свет имеет волновую природу, необходимо найти экспериментальные доказательства интерференции и дифракции света.

Сложение волн. Очень часто в среде одновременно распространяется несколько различных волн. Например, когда в комнате беседуют несколько человек, то звуковые волны накладываются друг на друга. Что при этом происходит?

Проще всего проследить за наложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто бы другой волны совсем не существовало. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно улавливаемые нашим ухом. Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.

Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются друг на друга. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается.

Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.

Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую (т. е. с учетом их знаков) сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.

Интерференция. Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.

Выясним, при каких условиях имеет место интерференция волн. Для этого рассмотрим более подробно сложение волн, образуемых на поверхности воды.

Результат сложения волн, приходящих в точку M, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d₁ и d₂, волны имеют разность хода Δd = d₂—d₁. Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

Условие минимумов. Пусть теперь на отрезке Δd укладывается половина длины волны. Очевидно, что при этом вторая волна отстает от первой на половину периода. Разность фаз оказывается равной п, т. е. колебания будут происходить в противофазе. В результате сложения этих колебаний амплитуда результирующего колебания равна нулю, т. е. в рассматриваемой точке колебаний нет (рис. 121). То же самое произойдет, если на отрезке укладывается любое нечетное число полуволн.

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:

Когерентные волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной.

Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.

Если же разность фаз колебаний источников не остается постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени изменяется. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве и интерференционная картина размывается.

Распределение энергии при интерференции. Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН

Если свет представляет собой поток волн, то должно наблюдаться явление интерференции света. Однако получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещенности) с помощью двух независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

Выясним, в чем причина этого и при каких условиях можно наблюдать интерференцию света.

Условие когерентности световых волн. Причина состоит в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Напомним, что такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить Постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн, имеющими длину около метра. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Никакой устойчивой картины с определенным распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве не наблюдается.

Интерференция в тонких пленках. Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Курьез состоит в том, что ее наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчета.

Вы тоже много раз видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина или нефти на поверхности воды. «Мыльный пузырь, витая в воздухе. зажигается всеми оттенками цветов, присущими окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы» (Марк Твен). Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 (рис. 123), одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (2) —от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн — сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиление или ослабление результирующих колебаний) зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 отстанет от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхностей пленки, обеспечивается тем, что они являются частями одного и того же светового пучка. Цуг волн от каждого излучающего атома разделяется пленкой на два, а затем эти части сводятся вместе и интерферируют.

Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

Кольца Ньютона. Простая интерференционная картина возникает в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.

Удовлетворительно объяснить, почему возникают кольца, Ньютон не смог. Удалось это Юнгу. Проследим за ходом его рассуждений. В их основе лежит предположение о том, что свет — это волны. Рассмотрим случай, когда волна определенной длины падает почти перпендикулярно на плоско-выпуклую линзу (рис. 124). Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе воздух — стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.

Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друг друга.

Если известен радиус кривизны R поверхности линзы, то можно вычислить, на каких расстояниях от точки соприкосновения линзы со стеклянной пластиной разности хода таковы, что волны определенной длины λ гасят друг друга. Эти расстояния и являются радиусами темных колец Ньютона. Ведь линии постоянной толщины воздушной прослойки представляют собой окружности. Измерив радиусы колец, можно вычислить длины волн.

Явление интерференции не только доказывает наличие у света волновых свойств, но и позволяет измерить длину волны. Подобно тому как высота звука определяется его частотой, цвет света определяется частотой колебаний или длиной волны.

При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется. Это можно обнаружить так. Заполним водой или другой прозрачной жидкостью с показателем преломления п воздушную прослойку между линзой и пластиной. Радиусы интерференционных колец уменьшатся.

Почему это происходит? Мы знаем, что при переходе света из вакуума в какую-нибудь среду скорость света уменьшается в n раз. Так как v = λv, то при этом должна уменьшиться в n раз либо частота, либо длина волны. Но радиусы колец зависят от длины волны. Следовательно, когда свет входит в среду, изменяется в n раз именно длина волны, а не частота.

Интерференция электромагнитных волн. На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать интерференцию электромагнитных (радио) волн.

Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 125). Затем подводят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора непосредственно попадает в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.

Источник