Занятие 7. Интерференция света
Задача 10.1
На ДФ диафрагму с узкой S щелью падает в вакууме монохроматическая световая волна, за которым расположено бизеркало Френеля. Угол α между зеркаламиФренеля равен12' , т.е. α = 12' , расстояние от линии пересечения зеркал, на которой находится O точка, до этой узкой S щели и
Э экрана равны соответственно r = 10,0 см и b = 130 см. Длина волны света в вакууме монохроматической световой волны λ0 = 0,55 мкм.
Определить:а) ширину Δzш интерференционнойполосы на Э экране и m числовозможных интерференционныхмаксимумов, возникающих на этом Э экране;
б) сдвигΔzинтерференционнойкартины на Э экране при смещении S щелипо дуге окружности с центром в O точке и r = 10,0 см радиусом на длину этой дуги, равной δl = 1,0 мм;
в) при какой максимальнойhmax ширине S щели интерференционныеполосы на Э экране будут наблюдаться достаточно отчётливо?
|
изображения S щели соответственно в З' и З'' зеркалах. Эти S' и S'' мнимые изображения S щели находятся на окружности с центром в O точке и r радиусом. Перпендикуляры (рис. 10.1) n1 и n2, опущенные из S щели соответственно на продолжение плоскости З' зеркалаи плоскость З'' зеркалаи используемые для построения S' и S'' мнимых изображений S щели, пересекаются в S щели под α углом, равным α углу между зеркаламиФренеля. ЩельS и два её S' и S'' мнимых изображений находятся на окружности с центром в O точке и
(рис. 10.1) r радиусом, поэтому n1 и n2 перпендикуляры, пересекающиеся в S щели под α углом, являются внутреннимуглом в этой окружности с центром в O точке и r радиусом и опираетсяна
S' S'' дугу. На ту же S' S''дугу опирается центральныйугол, образованный продолжением
1' и 1'' отражённых световых лучей. Поэтому угол между отражёнными 1' и 1'' световыми лучамиравен 2α.
Простым построением отражённых лучей от З' и З'' зеркал, которые вызваны падающим световым лучомот Sщели в направлении, отличнымот направления светового (рис. 10.1) 1 луча, можно доказать, что все эти отражённых лучи от З' и З'' зеркал будут попадать на Э экран в его области zш шириной. Вследствие малости α угламежду зеркаламиФренеляzш ширина области, в которую попадают все отражённые лучи от З' и З'' зеркал, имеет следующий вид: zш = 2bα. (1.1) где b - расстояние от линии пересечения З' и З'' зеркал, на которой находится O точка, до Э экрана.
|
S' и S'' мнимыми изображениями в З' и З'' зеркалах, вследствие чего для анализа интерференционнойкартины на Э экране (рис. 10.1) в его области zш шириной возможно применить схему от двух
S1 и S2 источников (рис. 10.4) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света".
Согласно (10.44) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" Δzшширинаинтерференционныхполос с учётом расстояния до Э экрана, равного примерно b + r, от двух источниковкогерентныхотражённых световыхволн, которыми на рис. 10.1 являются S' и S'' мнимые изображения в З' и З'' зеркалах, имеет следующий вид: Δzш ≈ (b + r)λ0/h.(1.3) Подставляем (1.2) d расстояниемежду S' и S'' мнимыми изображениями S щели в
З' и З'' зеркалах в (1.3) и получаем следующее окончательное выражение Δzш шириныинтерференционныхполос на Э экране (рис. 10.1) в его области zш шириной:
Δzш ≈ (b + r)λ0/2rα ≈ 1,1 мм.(1.4) Число m возможных интерференционныхмаксимумов, возникающих на Э экране в его области zш шириной с учётом (рис. 10.4) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" интерференционного максимумав центре Э экрана 0 max, т.е. нулевого порядка, а также с учётомокругления полученного m числа с его уменьшением до ближайшего целого значения это m число возможных интерференционныхмаксимумов имеет следующий вид:
m = (zш/Δzш) + 1 = {4brα2/[(b + r)λ0]} + 1 ≈ 9.(1.5) где (1.1) zш = 2bα - ширина области, в которую попадают все отражённые лучи от З' и З'' зеркал; Δzш ≈ (b + r)λ/2rα - ширина(1.4)интерференционныхполос на Э экране (рис. 10.1.1.1) в его области
|
При смещении S щелипо дуге окружности с центром в O точке и r радиусомна центральныйβ угол из (рис. 10.2) S1 положения в S2 положение на такой же β угол смещаются отражённые от З' и З'' зеркал 2' и 2''световые лучи соответственноотносительно отражённых от этих З' и З'' зеркал 1' и 1''световыхлучей соответственно, когда S щельнаходится в S1 положении.
На такой же (рис. 10.2) β угол смещается OO2 линия, делящая пополамугол между отражёнными от З' и З'' зеркал 2' и 2''световые лучами соответственно, относительно OO1 линии, делящей пополамугол между отражёнными от З' и З'' зеркал 1' и 1''световымилучами соответственно. Пересечения этих OO1, OO2 линий с плоскостью Э экрана определяют положения центра интерференционнойкартины. Поэтому Δzлинейноесмещение (рис. 10.2) центра интерференционнойкартины при смещении S щели по дуге окружности с центром в O точке и
r радиусом на центральныйβ уголиз S1 положения в S2 положение с учётом малостиэтого центрального β угла, а также с учётом b расстояния до Э экрана от линии пересечения З' и З'' зеркал, на которой находится O точка, имеет следующий вид: Δz ≈ bβ. (1.7) Подставляем (1.6) в (1.7) и получаем следующее Δzлинейноесмещение (рис. 10.1.1.2) центра интерференционнойкартины на Э экране при смещении S щелипо дуге окружности с центром в
O точке и r радиусом на длину этой дуги, равной δl: Δz ≈ bδl/r =13 мм. (1.8) При расширении S щелив ДФ диафрагме(рис. 10.1) до значения h леваяи праваяграницы этой S щелисогласно принципу Гюйгенса- Френеля(рис. 10.15) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" является источником вторичной сферической волны, т.е. при расширении S щелив ДФ диафрагмедо h значения образуются дваисточника вторичной сферической волны. Каждый из этих двухисточников вторичной сферической волны образует на Э экране своюинтерференционнуюкартину, центры которых имеют Δzлинейноесмещение, рассчитываемое по (1.8), где вместо смещения S щелипо дуге окружности с центром в O точке и r радиусом на длину этой дуги, равной δl, используется h ширина этой S щелив ДФ диафрагме, вследствие чего выражение для расчёта Δzлинейногосмещения принимает следующий вид: Δz ≈ bh/r. (1.9)
Если (1.9) Δzлинейноесмещение между (рис. 10.47) из раздела 10.2 " Дифракция света" интерференционнымимаксимумами от каждого из двухисточников вторичной сферической волны, которые возникают при расширении S щелив ДФ диафрагмедо h значения, будет не большеполовины Δzш ширины(1.4)интерференционныхполос на Э экране, рассчитанной при условии (рис. 10.1) узкой S щелив ДФ диафрагме, то интерференционныеполосы на Э экране будут наблюдаться достаточно отчётливо, поэтому условиеотчётливогонаблюдения интерференционныхполос на Э экране имеет следующий вид: Δz ≤ Δzш/2. (1.10)
МаксимальноеΔzmax значение линейногосмещения между интерференционнымимаксимуми, которое согласно (1.9) получается при ширине S щелив ДФ диафрагме,равной hmax,будет при замененеравенства (1.10) следующим равенством: Δzmax = Δzш/2. (1.11) Подставляем в (1.11) выражение (1.9), связывающее Δz величинулинейногосмещения между интерференционнымимаксимуми от каждого из двухисточников вторичной сферической волны с шириной S щелив ДФ диафрагме,равной h, а также подставляем выражение в (1.11) выражение (1.4) ширины Δzш интерференционныхполос на Э экране, в результате чего получаем следующее выражение, определяющее максимальноеhmax значение ширины S щелив ДФ диафрагме, до которой можно расширять величину щели без нарушения отчётливогоизображения интерференционныхполос на Э экране: bhmax /r = (b + r)λ0/4rα ↔ hmax = [1 + (r/b)]λ0/4α ≈ 43 мкм. (1.12)
Задача 10.2
|
|
r0 радиуса уменьшается по сравнению с 2b оптическим(10.67) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" ходом1′′ световоголуча, отражённого от верхнейповерхностиПл.2 прозрачнойпластины, в случае (рис. 10.11) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" использования несошлифованной плоско - выпуклойЛ линзы, на величину, равную удвоенной толщине (2.1) 2b0 сошлифованного участка r0 радиуса, и этот оптический 2br ход1′′ световоголуча имеет следующий вид:
2br = 2b - 2b0 ↔ 2br = (rm 2 - r0 2)/R. (2.2) Подставляем (2.2) в (10.67) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" и получаем (рис. 10.10) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" следующую оптическую Δс разность ходамежду 1′ световымлучом, отражённым от нижнейповерхности Л линзы, и 1′′ световымлучом, отражённым от верхнейПл.2 поверхностипрозрачнойпластины, в случае (рис. 10.3) использования плоско - выпуклойЛ линзы с сошлифованным участком r0 радиуса: Δс = 2br + (λ0/2) = [(rm 2 - r0 2)/R] + (λ0/2). (2.3) Подставляем (2.3) в (10.70) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" и получаем следующее условие интерференционных максимумови минимумовмежду когерентными световыми(рис. 10.10) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" 1′ и 1′′ лучами, отражёнными соответственно от нижнейповерхности Л линзы и от верхнейПл.2 поверхностипрозрачнойпластиныс тем различием, что в данной задаче используется плоско - выпуклая Ллинза с сошлифованным участком r0 радиуса: [(rm 2 - r0 2)/R] + (λ0/2) = mλ0/2. (2.4) Решаем (2.4) относительно rm радиусовинтерференционных светлых колец, где m = 1, 3, 5, …, и rm радиусовинтерференционных тёмных колец, где m = 0, 2, 4, 6,…, и получаем следующее выражение для их значений для данной задачи, в которой используется плоско - выпуклаяЛ линзас сошлифованным участком r0 радиуса: rm = [r0 2 +(Rλ0m/2)]1/2. (2.5)Согласно (рис. 10.10) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" шестой интерференционныймаксимум, т.е. шестоесветлое кольцо, имеет порядковый номер со следующим значением: m = 11.(2.6)Подставляем порядковый (2.6) номер m = 11 в выражение (2.5) и получаем следующее значение радиусашестогосветлого кольцаНьютона для данной задачи, в которой используется плоско - выпуклая Ллинзас сошлифованным участком r0 радиуса: rm ≈ 3,8 мм.(2.7)
Задача 10.3
Линзу диаметром D = 5, 0 см и с фокусным расстоянием f = 25, 0 см разрезали по диаметру на две одинаковые половины, причём удалённым оказался слой толщины a = 1, 00 мм. После этого обе половины сдвинули до соприкосновения и в фокусе полученной таким образом билинзы Бийепоместили параллельно разрезу узкую щель, испускающую монохроматический свет в вакууме с λ0 = 0, 64 мкм длиной волны. За билинзой Бийерасположили экран на расстоянии b = 50, 0 см от неё. Определить:
а) ширину Δzшинтерференционнойполосы наэкранеи число m возможных максимумов;
б) ширину щели hmax, при которой полосы на экране будут наблюдаться ещё достаточно отчётливо.
|
оптической осью зелёной Л полулинзы равно a толщине удалённого слоя.
Световаяволны в вакууме от S источника является цилиндрической, т.е. плоскости равных фазэтой световойволны являются окружностис центром в S точке расположения источника. Поэтому на площади полулинз падающие лучи имеют в данном направлении одинаковый угол падения.
Световой луч, нормальный (рис. 10.4) площади полулинз и падающий на стык этих полулинз, вследствие преломления в каждой из полулинз, раздваивается. После преломления в синей Л полулинзе световой луч пересекает ГО главную оптическую ось синей Л полулинзыв F фокусе, а после преломления в зелёной Л полулинзе световой луч пересекает ГО главную оптическую ось зелёной Л полулинзыв F фокусе.
Световые лучи, падающие (рис. 10.4) на площадь полулинз под φmax максимальными углами падения, вследствие преломления направляются в точки пересечения ПО побочной оптическую оси синей Л полулинзы и ПО побочной оптическую оси зелёной Л полулинзы с ФП фокальной плоскостью этих полулинз.
Световой луч, нормальный (рис. 10.4) площади полулинз и падающий на стык этих полулинз, вследствие преломления в каждой из полулинз, раздваивается, вследствие чего образуется область когерентных световыхволн, ограниченная световымиволнами, имеющими α угол между направлениями распространения.
Угол α между направлениями распространения раздвоенных световыхволн с учётом его малого значения имеет (рис. 10.4) следующее значение: α ≈ a/f, (3.1)
где a - толщина удалённого слоя линзы, разрезанной по диаметру на две одинаковые половины;
f - фокусное расстояние каждой из полулинз.
Согласно (10.44) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" Δzшширинаинтерференционныхполос от когерентных плоских световых волн, распространяющихся под α углом друг к другу, имеет следующий вид: Δzш ≈ λ0/α, (3.2)
где α ≈ d/(b + r) - угол (рис. 10.4) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света", под которым когерентные плоские световые волны распространяются к Э экрану.
Подставляем (3.1) в (3.2) и получаем для монохроматического света в вакууме с заданной λ0 длиной волны следующее выражение Δzш ширины интерференционныхполос на Э экране, зависящее от a толщины удалённого слоя линзы, f фокусного расстояния каждой из полулинз и не зависящее от bрасстояниябилинзы Бийе до Э экрана: Δzш ≈ λ0 f/a ≈ 0, 16 мм. (3.3)
Согласно (рис. 10.4)ширина zш зоны интерференции с учётом (3.1) величины α угла, под которым когерентные плоские световые волны распространяются к Э экрану, и с учётом величины
bрасстояниябилинзы Бийе до Э экрана имеет следующее значение: zш ≈ bα = ba/f. (3.4)
Отношение(3.4)ширины zш зоны интерференциик (3.3) ширине Δzш интерференционныхполос от когерентных плоских световых волн определяют с учётом (рис. 10.4) из раздела 10.1 "Волновые свойства света" интерференционного максимумав центре Э экрана 0 max, т.е. нулевого порядка, а также с учётомокругления полученного m числа с его уменьшением до ближайшего целого значения, вследствие чего это m число возможных интерференционныхмаксимумов имеет следующий вид: m = (zш/Δzш) + 1= (ba2 /λ0 f 2)+ 1 ≈ 13. (3.5)
|
направляется в точку пересечения ПО побочной оптическую оси синей Л полулинзы с ФП фокальной плоскостью этой полулинзы. Точка пересечения ПО побочной оптическую оси синей Л полулинзы с ФП фокальной плоскостью находится на h+ a/2 расстоянии от OY оси, проходящей через стык полулинз и S источник, поэтому α1 угол, под которым распространяется один из раздвоенных лучей после преломления в синей Л полулинзе, имеет следующее значение: α1 ≈ (h+ a/2)/f. (3.6)
Согласно (рис. 10.5)верхняя z1 координата зоны интерференции при расширении щелипо
OZ оси до h величиныс учётом (3.6) величины α1 угла, под которым когерентные плоские световые волны распространяются к Э экрану, и с учётом величины bрасстояниябилинзы Бийе до Э экрана имеет следующее значение: z1 ≈ bα1 = b(h+ a/2)/f. (3.7)
Смещение Δz верхней z1 координаты зоны интерференции(рис. 10.1.1.5) при расширении щелипо OZ оси до h величины относительно верхней z координаты зоны интерференциипри наличии только узкой щели, т.е. при наличии только S источника, имеет с учётом (3.4), (3.7) следующее значение: Δz = z1 - z = [b(h+ a/2)/f] - (ba/2f) = bh/f.(3.8)
Смещение Δz верхней z1 координаты зоны интерференции(рис. 10.5) при расширении щелипо OZ оси до h величины приводит к расширению ширины интерференционныхполос на эту
Δz величину. Поэтому интерференционныеполосы от узкой щели, т.е. при наличии только
S источника, накладываются на интерференционныеполосы от щели h величины, т.е. при наличии
S1 источника.
Согласнокритерию Релея (рис. 10.47) из раздела 10.2 "Волновые свойства света" интерференционныеполосы при их наложении от двух источников, т.е. (рис. 10.5) от
S, S1 источников, будут различимы, если (3.3) Δzш/2 полуширина интерференционныхполос на
Э экране будет не больше(3.8) смещения Δz верхней z1 координаты зоны интерференции при расширении щелипо OZ оси до h величины относительно верхней z координаты зоны интерференциипри наличии толькоузкой щели,т.е. эти интерференционныеполосы будут различимы, если выполняется следующее неравенство: Δz ≤ Δzш/2 ↔ bh/f ≤ λ0 f/2a. (3.9)
Согласно (3.9) hmax максимальноезначение (рис. 10.5)ширины щелипо OZ оси, при которой интерференционныеполосы будут различимы, определится из следующего равенства:
hmax = λ0 f 2/2ba = 40 мкм. (3.10)
Задача 10.4
|
Результирующая A1 амплитуда вектора A1 плоской световой волны на Э экране (рис. 10.7) посередине геометрической тени Щ1 щели, т.е. в M точке на Э экране, с величиной d = b1/2 полуширины в непрозрачной Пл плоскости, определится (рис. 10.32) из раздела 10.2 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" на спирали Корню длиной вектора A1, направленного из точки с s1 = 0, 6 параметром в левойчастиспирали Корню в точку с s1 = 0, 6 параметром в правойчастиспирали Корню, где величина s1 = 0, 6 параметра спирали Корню определяется (10.114) из раздела 10.2 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" следующим (рис. 10.8) соотношением: s1 = (b1/2) (2/lλ0)1/2 ≈ 0, 6. (4.1)
Результирующая A2 амплитуда вектора A2 плоской световой волны на Э экране (рис. 10.9) посередине геометрической тени Щ1 щели, т.е. в M точке на Э экране, с величиной d = b2/2 полуширины в непрозрачной Пл плоскости, определится (рис. 10.32) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" на спирали Корню длиной вектора A2, направленного из точки с s2 = 1, 1 параметром в левойчастиспирали Корню в точку с s2 = 1, 1 параметром в правойчастиспирали Корню, где величина s1 = 1, 1 параметра спирали Корню определяется (10.114) из раздела 10.2 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" следующим (рис. 10.8) соотношением: s2 = (b2/2) (2/lλ0)1/2 ≈ 1, 1. (4.2)Результирующая A3н амплитуда вектора A3н плоской световой волны в M точке на Э экране (рис. 10.10) от нижнейЩ3н щели b2 - b1 шириной при отсутствии выемки(рис. 10.6) h глубиной
в стеклянной Пл пластине, определится (рис. 10.32) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" на спирали Корню длиной вектора A3н, направленного (рис. 10.8) из точки с s2 = 1, 1 параметром в левойчастиспирали Корню в точку с s1 = 0, 6 параметром в этой же левойчастиспирали Корню.
Результирующая A3в амплитуда вектора A3в плоской световой волны на Э экране (рис. 10.10) от верхнейЩ3в щели b2 - b1 шириной при отсутствиивыемки(рис. 10.1.6) h глубиной в стеклянной Пл пластине, определится (рис. 10.32) из раздела 10.1 "Волновые свойства света" на спирали Корню длиной вектора A3в, направленного (рис. 10.8) из точки с s1 = 0, 6 параметром в правойчастиспирали Корню в точку с s2 = 1, 1 параметром в этой же правойчастиспирали Корню.
Согласно (рис.10.8)результирующий вектор A2 с A2 амплитудой плоской световой волны от Щ2 щели (рис.10.9) с величиной d = b2/2 полуширины в непрозрачной Пл плоскостиполучаетсясуммой A1 результирующеговектора плоской световой волны от Щ1 щели (рис. 10.7) с величиной
|
|
верхнейЩ3н, Щ3в щелей (рис. 10.6) при наличии выемкиh глубиной в стеклянной Пл пластине, равные по величине амплитудам двух A3н, A3в результирующихвекторов плоской световой волны в M точке на Э экране от соответственно нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей (рис. 10.10) при отсутствии выемки(рис. 10.6) h глубиной в стеклянной Пл пластине.
Согласно (рис. 10.8) суммарнаяA′результирующая амплитуда A′ вектора плоской световой волны в M точке на Э экране в случае сонаправленности двух A′3н, A′3в результирующихвекторов плоской световой волны отнижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей A1 результирующемувектору плоской световой волны от Щ1 щели (рис. 10.7) больше суммарной результирующейA2 амплитуды вектора A2 плоской световой волны в случае, когда два A3н, A3в результирующихвекторов плоской световой волны отнижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей (рис. 10.10) составляют δ угол с A1 результирующимвектором плоской световой волны от Щ1 щели. Для поворота (рис. 10.8) по "часовой стрелке" двух A3н, A3в результирующихвекторов плоской световой волны от соответственно нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей (рис. 10.10) на δ угол, равный примерноπ/2, т.е. δ ≈ π/2, до положения, когда векторы A′3н, A′3в становятся сонаправленными A1 результирующему вектору плоской световой волны от Щ1 щели
|
nпоказателем преломлениягеометрический путь,равный h глубине выемки в стеклянной пластине. ОптическаяΔразность хода(10.32) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света" между оптическимпутём(рис. 10.1.6) плоской световой волны от нижней,верхнейЩ3н, Щ3в и Щ1 щелей имеет с учётом (4.4) следующий вид: Δ = lo - lo ′ = h(n - 1). (4.5) Разность Ф3 - Ф1 фаз плоской световой волны от нижней,верхнейЩ3н, Щ3в и Щ1 щелей, т.е.
δ угол (рис. 10.8) между A3н, A3в результирующимивекторами плоской световой волны от соответственно нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей и A1 результирующимвектором плоской световой волны от Щ1 щели равен примерноπ/2, т.е. δ ≈ π/2, при отсутствии выемки(рис. 10.6) h глубиной в стеклянной Пл пластине.
Для поворота (рис. 10.8) по "часовой стрелке" двух A3н, A3в результирующихвекторов плоской световой волны от соответственно нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей (рис. 10.10) на δ угол, равный примерноπ/2, т.е. δ ≈ π/2, до положения, когда векторы A′3н, A′3в становятся сонаправленными A1 результирующему вектору плоской световой волны от Щ1 щели (рис. 10.7) нужно в этих нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелях (10.32) из раздела 10.1 "Электромагнитная природа света. Интерференция света"сделать выемку(рис. 10.6) с учётом (4.5) следующей hmin глубиной:
δ = (2π/λ0 )Δ ↔ δ = (2π/λ0 )hmin (n - 1) ↔ π/2 = (2π/λ0 )hmin (n - 1) ↔ hmin = λ0/4(n - 1). (4.6)
При выполнении (рис. 10.6) выемки(4.6) hmin глубиной плоские световые волны будут приходить в одной Ф фазе от нижней,верхнейЩ3н, Щ3в щелей и от Щ1 щели стеклянной Пл пластины, поэтому в M точке на Э экране освещённость будет максимальной.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Шкала электромагнитных излучений | | | Дифракция световых волн: принцип Гюйгенса-Френеля 1 страница |
Дата добавления: 2016-02-14; просмотров: 1468;