О каком же явлении говорит М. Твен? Как объяснить появление, казалось бы, в прозрачной пленке мыльного пузыря, радужных полос? Чтобы ответить на эти и другие вопросы, познакомимся с явление интерференции волн.
Интерференционный опыт Юнга
Обычные источники света не являются когерентными, так как состоят из большого числа атомных излучателей, работающих независимо друг от друга. Для получения интерференционной картины прибегают к искусственным приемам. Таким являлся опыт Юнга (1802 г.), основанный на расщеплении светового пучка и получившим объяснение на основе волновой теории света.
Свет от Солнца падал на ширму с узкой щель S, а затем падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2, которые становились когерентными источниками волн. Световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались и на экране в области их перекрытия, наблюдалась интерференционная картина, в виде чередующихся светлых и темных полос.
Это интересно …
Современные источники света – лазеры излучают свет, являющийся монохроматическим, т. е. имеющий определенную частоту. Поэтому если осветить два отверстия светом лазера, то на экране за отверстиями можно наблюдать картину чередования интерференционных максимумов и минимумов.
Интерференции является характерным признаком волновых процессов любой природы (звуковых, электромагнитных, световых). Вернемся к опыту Юнга и рассмотрим, что происходит при наложении когерентных волн в точке М.
В точку М одновременно приходят волны от источников S1 и S2. Волны проходят различные пути d1 и d2. Они будут усиливать друг друга, если разность хода волн Dd=d2—d1 равна целому числу длин волн. В этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.
Если разность хода равна длине волны, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой ровно на один период (как раз за период волна проходит путь, равный длине волны).
Если разность хода волн кратна нечетному числу длин волн, то колебания будут происходить в противофазе. В этом случае гребень одной волны совпадает с впадиной другой волны. Происходит ослабление колебаний в точке М.
То есть в зависимости от положения точки М мы увидим либо усиление, либо ослабление света
Интерференцией волн называется явление, возникающее при сложении двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства.
Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз их колебаний. Такие волны называются когерентными.
При интерференции происходит пространственное перераспределение энергии волны. В точках, характеризующих интерференционные максимумы, происходит концентрация энергии, в других точках энергия не поступает совсем (интерференционные минимумы).
Интерференцию можно наблюдать и в естественных условиях. Например, окраска мыльных пузырей или тонких пленок бензина на поверхности воды объясняется интерференцией волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. Объясним цветовую окраску интерференционных полос.
Тонкая бесцветная прозрачная пленка, освещенная белым светом кажется окрашенной. Окраска может меняться в зависимости от угла падения световых волн и изменения толщины пленки. Например, при определенной толщине условие максимума выполнится для какой-то длины волны, и пленка в отраженном свете приобретет окраску в цвет, соответствующий данной длине волны.
Если пленка имеет переменную толщину, то интерференционные полосы приобретут радужную окраску.
Использование интерференции в технике
Просветление оптики
Для уменьшения доли отраженной энергии от поверхности линз в оптических приборах на поверхность стекла наносят тонкую пленку с показателем преломления меньшим показателя стекла. Для ослабления отраженных волн разность хода равняется половине длины волны в пленке. Т.к. волны имеют разные частоты, то гашение отраженных волн всех частот невозможно. Полное гашение волн возможно только для длин волн средней части спектра. Поэтому в отраженном свете линзы имеют сиреневый оттенок.
Проверка качества обрабатываемой поверхности
Несовершенство обработки определяется по искривлению интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и грани эталона. Точность обработки составляет до 10-6 см
Интерферометры
Служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.
Вопросы для самоконтроля
- Что представляет собой интерференционная картина, образованная от двух монохроматических когерентных волн?
А) Чередование только светлых полос.
Б) Чередование только темных полос.
В) Чередование темных и светлых полос.
- В центре интерференционной картины наблюдается …
А) светлая полоска.
Б) темная полоска.
В) светлая или темная полоска, т.к. нельзя заранее предсказать результат.
- При увеличении длины волны падающего света ширина интерференционных полос …
А) уменьшается.
Б) увеличивается.
Г) не изменяется.
- При уменьшении расстояния между щелями ширмы ширина интерференционных полос …
А) уменьшается.
Б) увеличивается.
Г) не изменяется.
- Ширина интерференционных полос минимальна при освещении ширмы …
А) красным светом.
Б) фиолетовым светом.
В) не зависит от длины волны падающего света.
- Когерентными волнами называют волны, имеющие …
А) одинаковую амплитуду колебаний и постоянную разность фаз;
Б) одинаковую частоту колебаний и постоянную разность фаз;
В) одинаковую амплитуду и частоту колебаний.
- Два когерентных источника излучают волны. В определенную точку пространства волны от одного источника приходят позже, чем от другого на три периода. Что будет наблюдаться в результате интерференции в этой точка?
А) Ослабление света, так как разность хода волн равна нечетному числу длин волн.
Б) Ослабление света, так как разность хода волн равна четному числу длин волн.
В) Усиление света, так как разность хода волн равна целому числу длин волн.
- При интерференции двух когерентных световых волн интенсивность в некоторой области пространства может быть значительно меньше интенсивности каждой волны в отдельности. Это связано с тем, что энергия волн …
А) исчезает.
Б) перераспределяется в пространстве.
В) превращается в другие виды энергии.
- Интерференция в тонких пленках объясняется отражением …
А) от наружной поверхности пленки.
Б) от внутренней поверхности пленки.
В) от внутренней и наружной поверхности пленки.
- Для получения когерентных световых волн необходимо …
А) взять две лампы накаливания.
Б) расщепить световой пучок на два составляющих пучка.
В) использовать два лазера, дающих свет одной частоты.
- Интерференционные полосы приобретают радужную окраску т.к. …
А) пленка имеет разную толщину, и условие максимума выполняется для какой-то длины волны.
Б) белый свет содержит набор волн разных частот.
В) от поверхности пленки отражаются световые волны.
- Объектив с просветленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок. Это означает, что …
А) красные и фиолетовые лучи не проходят через объектив.
Б) красные и фиолетовые лучи проходят через объектив полностью.
В) красные и фиолетовые лучи проходят через объектив, ослабляясь незначительно.
- Для просветления оптики (гашение отраженного света) на поверхность стекла наносят тонкую прозрачную пленку с показателем преломления …
А) равным показателю преломления стекла.
Б) большим показателем преломления стекла.
В) меньшим показателем преломления стекла.
