Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ФИЗИКА. Методичка и задания для КР 2 сем

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
20.05.2015
Размер:
1.21 Mб
Скачать

18

y

 

x 1

 

.

2

 

 

 

 

Полученное уравнение представляет собой параболу, у которой ось лежит на оси 0x, ветви направлены в положительном направлении оси 0х.

Траектория результирующего колебания точки представляет собой часть параболы, заключенной внутри прямоугольника амплитуд со сторонами 2A1, 2A2.

Для построения траектории найдем значения y, соответствующие ряду значений x.

х

–1

 

0

1

у

0

 

1

 

0,7

±1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим направление движения.

В начальный момент при t 0 имеем: x 1, y 1. Точка находится в положении а.

При t 1 с получим x – 1, y 0. Материальная точка находится в вершине параболы b.

При t 2 с получим x 1, y – 1. Материальная точка находится в положении c.

После этого она будет двигаться в обратном направлении.

Ответ: y

 

x 1

 

.

2

 

 

 

 

19

1.3. Волны в упругой среде.

Рекомендуется изучить §§ 93-98 учебного пособия И.В. Савельева "Курс общей физики", т.2. М. Наука, 1982 г.

Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. В волновом процессе имеет место следующее соотношение:

= vT,

где – длина волны, Т – период колебаний,

v – скорость распространения волны (фазовая скорость). Уравнение плоской волны имеет вид:

 

r

 

s A cos t

 

 

A cos( t kr) ,

 

 

v

 

где s – смещение колеблющейся точки от положения равновесия, A – амплитуда колебаний,

– частота колебаний,

k 2 – волновое число, v

r – расстояние, пройденное волной от источника колебаний до рассматриваемой точки.

Разность фаз двух колеблющихся точек, находящихся на расстояниях r1 и r2, от источника колебаний, равна:

 

 

 

2

r r

2

,

2

 

 

 

1

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

где r2 r1 – разность хода волн.

Уравнение стоячей волны:

s 2A cos(kr ) cos( t ) ,

где и – постоянные, которые определяются начальными и граничными условиями

Aст.в. (r) 2A cos(kr ) – амплитуда стоячей волны,ст.в. (t) ( t ) – фаза стоячей волны.

Дано: s(t) Asin t
s(L,t) 0
s(х,t) ? xmin = ? xmax = ?

20

Пример 7. Плоская монохроматическая волна распространяется вдоль прямой, совпадающей с положительным направлением оси 0x в среде, не поглощающей энергию, со скоростью v 15 м/с. Две точки, находящиеся на этой прямой на расстояниях x1 5 м и x2 5,5 м от источника колебаний, колеблются с разностью фаз/5. Амплитуда волны A 0,04 м. Определить: 1) длину волны , 2) уравнение волны, 3) смещение s1 первой точки в мо-

мент времени t1 3 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

 

v 15 м/с

Уравнение плоской монохроматической волны,

x1 5 м

распространяющейся вдоль оси x имеет вид:

x2 5,5 м

 

 

 

 

 

 

x

 

 

2

 

/5

s A cos t

 

 

A cos

t

 

x ,

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

A 0,04 м

где s – смещение колеблющейся точки,

 

t1 3 с

A – амплитуда волны,

 

 

 

1) = ?

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2) s(x,t) = ?

 

t

 

x – фаза волны,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) s1 = ?

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– циклическая частота колебаний,

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vT – длина волны (наименьшее расстояние между точками волны, колебания которых отличаются по фазе на 2).

Разность фаз колебаний двух точек волны:

2 x 2 x1 .

Отсюда:

2 (x 2 x1 ) 2 5·(5,5 5) 5(м) .

 

2

,

T

.

 

 

T

 

 

v

Следовательно:

 

2

 

2 v

 

 

 

2 ·15

 

6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

5

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

Искомое уравнение волны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

s 0,04 cos

6 t

 

 

 

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

Смещение первой точки в момент времени t1 3 с:

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

s1 0,04 cos 6 3

 

 

 

·5

0,04(м) .

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: 1) = 5 м, 2) s

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

0,04 cos 6 t

 

 

 

x , 3) s1

= 0,04 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

Пример 8. Один конец упругого стержня длиной L соединен с источником гармонических колебаний s(t) A sint. Другой конец жестко закреплен. Определить характер колебаний в любой точке стержня. Найти координаты точек стержня, в которых амплитуда колебаний минимальна и максимальна.

Решение:

Колебания от источника колебаний (x 0) будут распространяться вдоль стержня, т.е. вдоль стержня (вдоль оси x) будет распространяться упругая волна частоты со скоростью v. Дойдя до места закрепления волна отразится, при этом ее фаза меняется на (жесткое закрепление).

До точки с координатой х отраженная волна проходит путь: r = L + (L –x) = 2L – x.

Уравнение падающей волны:

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

s1

x, t A sin t

 

 

A0 sin t kx ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

где k

 

 

2

 

– волновое число,

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

– длина волны.

Уравнение отраженной волны:

s 2 x, t A sin t k 2L x A sin t kx 2kL , s 2 A sin t kx 2kL .

22

Наложение падающей и отраженной волн образуют стоячую волну, которая и определяет характер колебаний в любой точке стержня:

s x, t s1 (x, t) s 2 (x, t) A sin t kx A sin t kx 2kL2Asin k(L x) cos( t kL) .

Амплитуда стоячей волны:

Aст.в. (x) 2A sin k(L x) .

Амплитуда колебаний точек зависит от их координаты x. Найдем координаты узлов, т.е. точек где амплитуда колебаний

минимальна.

Aст.в. 0,

если:

k(L-x) m ,

(m 0, 1, 2, ...).

2 (L x) m ,

x min L m 2 .

Найдем координаты пучностей, т.е. точек где амплитуда колебаний максимальна.

Aст.в. 2А,

если:

 

 

 

k(L x) (2m 1)

 

,

(m 0, 1, 2, ...).

 

2

 

 

2 (L x) (2m 1) 2 , x max L (2m 1) 4 .

Ответ: s(x, t) 2A sin k(L x) cos( t kL) ,

x

min

L m

,

m 0, 1, 2, ... ,

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x

max

L (2m 1) ,

m 0, 1, 2, ... .

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

2.ВОЛНОВАЯ ОПТИКА.

2.1.Интерференция света.

Для решения задач по этой теме нужно изучить по учебному пособию И. В. Савельева "Курс общей физики", т.2, §§119-122.

Интерференция волн возможна лишь в случае, если волны когерентные. Обычно два любых независимых источника света не являются когерентными. Когерентные световые волны можно получить, разделив с помощью некоторой оптической системы волну, излучаемую одним источником, на две части. Соответствующие две волны, пройдя различные оптические пути, накладываются, создавая интерференционную картину.

Задачи на интерференцию света делятся в основном на две группы.

К задачам первой группы относятся случаи интерференции, полученной с помощью зеркала Ллойда, зеркал Френеля, в опыте Юнга и др. В этих задачах нередко для расчета интерференционной картины удобно данную оптическую систему заменить другой, эквивалентной, считая при этом, что имеется не один, а два когерентных источника (примеры 9, 10).

Вторую группу составляют задачи на интерференцию в плоскопараллельных, клинообразных тонких слоях, а также задачи на кольца Ньютона. При решении этих задач следует обратить внимание на то, что разность фаз когерентных волн при встрече, а следовательно, результат интерференции, обусловлены двумя причинами: оптической разностью хода и условиями отражения обеих волн.

Если отражение происходит от границы с оптически более плотной средой, фаза волны претерпевает изменение на .

Если отражение происходит от границы с оптически менее плотной средой, то скачка фазы не происходит.

24

Пример 9. Источник монохроматического света ( = 0,5 мкм) и плоское зеркало М расположены, как показано на рисунке. Определить: 1) что будет наблюдаться на экране в точке Р, где сходятся лучи SP и S1МP – усиление или ослабление освещенности, если SP = L = 1 м, и а = 2 мм, SМ = МР, 2) как изменится освещенность в точке Р, если на пути луча SP перпендикулярно к нему поместить плоскопараллельную пластинку стекла (n = 1,55) тол-

щиной h = 6 мкм?

 

 

 

Дано:

 

Решение:

= 0,5·10–6 м

 

 

L = 1 м

 

 

а = 2·10–3 м

 

 

h = 6·10–6 м

 

 

n = 1,55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Источник света S и его изображение в зеркале S1 можно рассматривать как два источника когерентных волн, идущих по направлениям SP и S1МP. В результате их наложении в точке экрана Р будет наблюдаться интерференция, т.е. либо усиление, либо ослабление освещенности.

Условие ослабления или усиления света определяется величиной оптической разности хода волн .

Если разность хода кратна нечетному числу длин полуволн,

т.е. (2m 1) 2 , где m = 0, 1, 2, ..., то наблюдается минимум

освещенности, если 2m 2 , т.е. кратна четному числу длин полуволн, то наблюдается максимум освещенности.

1) Рассмотрим оптическую разность хода в первом случае. Так как волны идут в воздухе, то можно считать оптическую длину пути равной геометрической длине пути.

25

Путь первой волны:

SP = L.

Путь второй волны:

S1MP L2 d 2 L 1 d 2 . L2

Геометрическая разность хода рассматриваемых волн:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

2

 

 

d

2

 

 

 

 

 

 

L L

 

 

1 .

 

 

L 1

 

 

1

 

 

 

L2

L2

 

геом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используем разложение в степенной ряд:

(1 x)m 1 m x m(m 1) x 2 ....

1 1·2

Ограничимся двумя первыми членами разложения. Это можно

 

 

 

d

2

 

 

 

 

сделать, т.к.

x

 

 

16·10

 

2

 

 

 

 

L

 

 

 

Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2

 

 

 

 

 

 

геом.

L

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

6 <<1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 d2

 

 

d2

2

 

 

 

1

L 1

 

 

 

 

1

 

 

.

2

 

 

 

 

 

 

 

2L

 

 

 

 

2 L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения полной оптической разности хода учтем, что вторая волна отражается от среды оптически более плотной (зеркало), чем та среда, в которой она распространялась (воздух), следовательно, при отражении фаза волны меняется на = . В оптической разности хода появится добавочный член, соответствующий этой разности фаз.

На основании формулы, связывающей разность фаз с разностью хода:

2 ,

можно найти:

 

2

 

 

или

 

.

 

доб.

доб.

 

 

 

2

 

 

 

 

26

Таким образом, полная оптическая разность хода интерферирующих волн будет равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

геом.

 

доб.

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2L

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравним 1 с

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

2

d 2

 

 

 

 

 

 

d 2

 

 

 

 

16·10 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1 33 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

L

 

 

0,5·10

 

 

 

 

 

 

2L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

33 – нечетное

 

число,

следовательно, в точке Р будет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наблюдаться минимум освещенности.

2) Если поместить на пути луча SP стеклянную пластинку, то изменится оптическая длина пути первой волны, она складывается из оптической длины пути в воздухе (L – h)nвоздух (h – толщина стеклянной пластинки), и оптической длины пути в стеклянной пластинке hnстекло. Вся оптическая длина пути первой волны будет равна (здесь учтено что nвоздух = 1, nстекло = n):

SP (L h) hn L (n 1)h ,

Оптическая длина пути второй волны остается прежней

S MP L

1

d 2

 

 

 

.

2

 

2

1

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

Таким образом, оптическая разность хода волн:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

S MP SP

L 1

d 2

 

 

L (n 1)h 1

(n 1)h .

2

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

Сравним 2 с 2 :

2

2

 

2

1

 

2(n 1)h

 

 

2(1,55 1)·6·10

6

 

 

 

 

 

33

 

 

 

33 13 20 .

 

 

 

 

 

0,5·10 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 20 –четное число, следовательно, в точке Р будет наблю-

даться максимум освещенности.

27

Примет 10. Расстояние между щелями в опыте Юнга 0,5 мм. Расстояние от щелей до экрана 1 м. Опыт проводится с красным светом ( = 0,7 мкм). Определить расстояние между интерференционными максимумами на экране.

Дано: Решение: d = 0,5·10–3 м

L = 1 м

= 0,7·10–6 м

х = ?

Пусть на экране Э, вдоль которого расположена ось 0х, в точке А с координатой xm находится максимум m-го порядка, а в точке В с координатой xm–1 находится максимум (m-1)-го порядка, тогда ширина интерференционной полосы х = xm – xm–1.

Для того, чтобы в точках А и В наблюдались максимумы, необходимо, чтобы оптическая разность хода волн, идущих от щелей S1 и S2, (двух когерентных источников света), была равна четному числу длин полуволн, или целому числу длин волн:

m = S2A –S1A = m , где m = 0, 1, 2, … .

Из S1AC по теореме Пифагора:

(S1A)2 = L2 + (OA – OC)2.

Из S2AD по теореме Пифагора:

(S2A)2 = L2 + (OA + OD)2,

где ОС = ОD = d2 , ОА = xm.

 

 

 

(S1A)2

= L2

 

 

 

 

 

d

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x m

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(S2A)2

= L2

 

 

 

 

 

d

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x m

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычтем из второго уравнения первое:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(S2A)2 – (S1A)2 = L2

 

 

 

 

d

 

2

– L2

 

 

 

 

 

d

 

2

+ x m

 

 

 

– x m

 

=

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

d 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

d 2

 

 

 

 

 

 

x 2

2x

m

 

 

 

 

 

x 2

2x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

m

d ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

2

 

4

 

 

m

 

 

 

2

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(S2A – S1A)·(S2A + S1A) = 2xmd.

Так как OA<<L, OC<<L, OD<<L, то можно положить:

S1A = S2A = L,

тогда получим:

m·2L = 2xmd,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

L

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

d

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

L

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 1

d

 

m

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x

 

x

 

 

L

(

 

 

 

 

 

 

)

L

(m (m 1))

L

,

m

m 1

 

 

m

m 1

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

L

 

 

0,7·10 6

1,4·10 3 (м) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

0,5·10 3

 

 

 

 

 

Ответ: х = 1,4 мм.

Пример 11. На толстую стеклянную пластинку (n2 = 1,5), покрытую тонким слоем пленки (n1 = 1,4), под углом i = 30° падает пучок лучей монохроматического света ( = 0,52 мкм). Определить минимальную толщину пленки, если отраженный свет максимально ослаблен.

 

Дано:

 

Решение:

 

 

n1

= 1,4

 

 

n2

= 1,5

 

 

i = 30°

 

 

= 0,52 10–6 м

 

 

dmin = ?

 

 

29

На границу раздела воздух - пленка падает плоская монохроматическая волна, угол падения которой i. На границе раздела волна частично отражается (1), частично преломляется (2). Угол преломления r. Преломленная волна, достигнув границы раздела пленка - стекло, также частично преломляется и частично отражается (2'). Волна 2', претерпев преломление на границе пленка - стекло, выходит в воздух (2"). Волны 1 и 2" будут когерентными и при наложении интерферируют.

Результат интерференции зависит от того, какому условию удовлетворяет оптическая разность хода.

Отраженный свет максимально ослаблен, следовательно, при интерференции выполняется условие минимума:

(2m 1) 2 , где m = 0, 1, 2, ... .

Запишем оптическую разность хода волн 1 и 2'' (nвоздух = 1):1 = (AB + BC)n1 – AD·nвоздух.

Если выразить величины через толщину пленки и угол падения, то получим:

1 2dn12 sin 2 i .

Проанализируем условия отражения. Так как показатель преломления воздуха (nвоздух = 1) меньше показателя преломления вещества пленки (n1 = 1,4), который в свою очередь меньше показателя преломления стекла (n2 = 1,5), то в обоих случаях отражение происходит от среды оптически более плотной, чем та среда, в которой идет падающая волна.

Волна 1, отраженная от верхней поверхности пленки, изменит

фазу на и точно также на изменится фаза волны 2, отраженной от нижней поверхности пленки. Добавочная разность фаз и разность хода не возникает доб. = 0.

Таким образом, оптическая разность хода волн 1 и 2'':

1 доб. 2dn12 sin 2 i . Условие минимума освещенности:

2dn12 sin 2 i (2m 1) 2 .

30

Найдем толщину пленки d:

d

 

(2m 1)

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 2

sin 2

 

4

 

i

 

 

1

 

 

 

 

Минимальная толщина пленки, если m = 0:

 

 

 

 

 

 

 

0,52·10

6

d

min

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1·10 6 (м) .

 

 

 

 

 

 

 

 

4

n12 sin 2 i

 

 

4 1,96 0,25

 

 

 

 

Ответ: dmin = 0,1 мкм.

Пример 12. На стеклянный клин падает нормальный пучок света ( = 0,582 мкм). Угол клина равен 20'. Какое число темных интерференционных полос приходится на единицу длины клина?

Дано: Решение:

= 0,582·10–6 м

= 20' n = 1,5

NL ?

Параллельный пучок света, падая нормально к грани клина, отражается как от верхней, так и от нижней грани. Условный ход лучей показан на рисунке. В действительности падающий, отраженный и преломленный лучи направлены вдоль одной прямой. Отраженные пучки света 1 и 2 когерентны. Поэтому на поверхности клина будет наблюдаться интерференционная картина.

Картина имеет вид чередующихся светлых и темных полос, положение которых определяется условиями max и min при интерференции.

Темные полосы видны в тех местах, где оптическая разность хода интерферирующих волн:

(2m 1) 2 , где m = 0, 1, 2, ... .

31

Полная оптическая разность хода волн 1 и 2 складывается из разности оптических длин путей этих волн 1, и добавочной разности хода доб., возникающей за счет разных условий отражения.

Из чертежа видно, что путь волны 1 короче пути волны 2 на 2dm, где dm – толщина клина, соответствующая m-му минимуму. Вторая волна проходит путь 2dm в стекле с показателем преломления n, поэтому оптическая разность хода волн I и 2 будет:

1 = 2dmn.

Рассмотрим условия отражения на верхней и нижней поверхностях клина.

Луч 1 отражается от стекла, т.е. от среды оптически более плотной, чем среда, в которой шел падающий луч (воздух), следовательно фаза волны, отраженной от верхней поверхности клина, меняется на .

Луч 2 отражается от границы стекло – воздух, т.е. от среды оптически менее плотной, и фаза волны, отраженной от нижней грани клина, не меняется.

Следовательно, у волн, отраженных от верхней и нижней граней клина, появляется добавочная разность фаз доб. = , кото-

рой соответствует добавочная разность хода доб. 2 .

Итак, полная разность хода интерферирующих волн:

1 доб. 2d m n 2 .

Для минимума m-го порядка можно записать уравнение:

2d

m

n

(2m 1) .

(1)

 

2

2

 

 

 

 

Аналогично для минимума k-го порядка:

2d

k

n

(2k 1) .

(2)

 

2

2

 

 

 

 

Вычитая из уравнения (1) уравнение (2), получим:

2d m n 2d k n m k , 2n(d m d k ) (m k) .

32

(dm – dk) можно определить из ABC dm – dk = АС·sin ,

тогда

2n·AC·sin = (m – k),

где (m – k) – число интерференционных полос, уложившихся на длине АС. Отсюда число полос на единице длины клина

N m k 2n sin . L AC

Угол мал, поэтому sin =, если угол выражен в радианах. Переведем 20' в радианы:

 

 

 

 

 

10

 

20' 5,82·10 3

(рад) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

180 0

60'

 

 

 

 

N

 

2n sin

 

2n

 

 

2·1,5·5,82·10 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3·104 1 ) .

L

 

 

 

5,82·10 7

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: на единице длины клина в условиях данной задачи укладывается 3 104 полос на 1 м или 30полос на 1мм.

Пример 13. Установка для получения колец Ньютона освещается белым светом, падающим нормально. Найти:1). радиус четвертого синего кольца ( 1 = 0,4 мкм), 2) радиус третьего красного кольца ( 2 = 0,63 мкм). Наблюдение производится в проходящем свете. Радиус кривизны линзы 5 см.

 

 

Дано:

Решение:

m1

= 4

 

1

 

= 0,4·10–6 м

 

m2

= 3

 

2

 

= 0,63·10–6 м

 

R = 0,05 м

 

 

 

 

r1

= ?

 

r2

= ?

 

33

Для наблюдения колец Ньютона берется установка, состоящая из плоскопараллельной пластинки и плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны R. Между пластинкой и сферической поверхностью линзы образуется воздушный слой. Кольца Ньютона можно наблюдать как в отраженном свете, так и в проходящем.

Падающая волна частично отражается от верхней поверхности воздушного слоя, а частично преломляется. Преломленная волна достигнув нижней поверхности воздушного слоя, также частично преломляется (луч1), и частично отражается. То же самое вновь происходит с отраженной волной на верхней, а затем на нижней поверхностях воздушного слоя. Таким образом, образуются две когерентные волны 1 и 2, которые могут интерферировать.

Интерференционная картина имеет вид колец, т.к. геометрическое место точек с одинаковой толщиной воздушного слоя dm, расположено по окружности.

Светлые кольца будут наблюдаться там, где полная оптическая разность хода волн 1 и 2

= m, где m = 0, 1, 2 ... .

Поскольку радиус кривизны линзы R большой, угол падения на верхнюю поверхность воздушного слоя, близок к нулю. Можно считать, что оптический путь у волны 2 больше, чем у волны 1

на 2dmn. Так как среда, заполняющая пространство между линзой и пластинкой, воздух, то n = 1 и оптическая разность хода волн

1 = 2dm.

Рассмотрим условия отражения волн. Волна 1 не отражается нигде, волна 2 отражается дважды: от пластины и сферической поверхности линзы, т.е. отражение происходит в обоих случаях от среды оптически более плотной чем та, в которой шла волна до отражения. Следовательно волна 2 дважды претерпевает изменение фазы на , поэтому добавочная разность фаз будет кратна 2 и добавочная разность хода будет равна нулю

доб. = 0.

= 1 + доб. = 2dm.

34

 

Для светлых колец

 

2dm = m .

(1)

Рассмотрим OAB: ОA = R – радиус кривизны линзы, AB = rm – радиус m-го кольца,

OB = R – dm.

По теореме Пифагора ОА2 = ОВ2 + АВ2,

R2 = (R – dm)2 + rm2, R2 = R2 –2Rdm + dm2 + rm2,

dm2 – очень малая величина, поэтому ей можно пренебречь

rm2 = 2Rdm. (2)

Из уравнения (1) найдем dm:

 

d

 

 

m

,

 

 

m

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

и подставим в формулу (2):

 

 

 

 

 

 

 

r 2

2R

m

mR ,

 

 

m

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rm

 

mR .

Отсюда видно, что радиусы колец Ньютона зависят для данной установки (R = const) от номера кольца и длины световой волны.

Если установка освещается белым светом, то для каждой длины волны будет свой радиус при m = const, т.е. светлые кольца будут спектральными.

Определим радиусы r1 и r2:

r1 m1R 1 4·5·10 2 ·0,4·10 6 2,8·10 4 (м) ,

r

m

2

R

2

 

3·5·10 2 ·0,63·10 6

3,1·10 4 (м) .

2

 

 

 

 

 

Из полученных результатов следует, что максимумы третьего и четвертого порядка перекрываются, т.к. радиус синего кольца в максимуме высшего порядка (m1 =4) меньше радиуса красного кольца в максимуме низшего порядка (m2 =3).

Ответ: r1 = 0,28 мм, r2 = 0,31 мм.

35

2.2. Дифракция света.

Для решения задач по этой теме нужно изучить §§125-130 по учебному пособию И.В. Савельев "Курс общей физики", т.2.

Решить дифракционную задачу – значит найти относительное распределение освещенности на экране в зависимости от размеров и формы неоднородностей, вызывающих дифракцию.

Различают два вида дифракции: дифракция в параллельных лучах или дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля.

Критерий, позволявший определить, о каком виде дифракции - Френеля или Фраунгофера - идет речь в каждом конкретном случае рассмотрен в выше названном пособии в параграфе "Дифракция Фраунгофера от щели" (§129).

Задачи на дифракцию света можно разделить на три группы: задачи на дифракцию Френеля от простейших преград, задачи на дифракцию Фраунгофера от щели и дифракционной решетки.

Условие минимумов для дифракционной щели: bsin m ,

где b – ширина щели,

– угол под которым виден минимум,– длина падающей волны,

m = 1, 2, … – порядок минимума.

Условие максимумов для дифракционной щели (если = 0 также наблюдается максимум, который данная формула не дает):

b sin (2m 1) 2 ,

где m = 1, 2, … – порядок максимума.

Условие главных максимумов для дифракционной решетки: d sin m ,

где d – период решетки,

– угол, под которым виден максимум,– длина падающей волны,

m = 0, 1, 2, … – порядок максимума.

36

Пример 14. Плоская световая волна ( = 0,6 мкм) падает на ширму с круглой диафрагмой. На расстоянии b = 2 м за диафрагмой расположен экран. При каком диаметре D диафрагмы освещенность экрана в точке В, лежащей на оси светового пучка, будет максимально ослаблена.

Дано: Решение:= 0,6·10–6 м

b = 2 м

D = ?

Задачу решаем методом зон Френеля. Открытую часть фронта волны разобьем на зоны Френеля с помощью системы концентрических сфер с центром в точке В, радиусы которых

rk r0 k 2 , где k = 0, 1, 2, … .

Поскольку в точку наблюдения волны приходят от соответствующих точек двух соседних зон в противофазе, то в точке В наблюдается минимум освещенности, если в отверстии укладывается четное число зон Френеля, и максимум, если в отверстии укладывается нечетное число зон Френеля.

Искомая освещенность будет максимально ослаблена в том

случае, когда в диафрагме укладывается две зоны Френеля. Следовательно при k = 2 с учетом того что r0 = b

 

 

 

 

 

r r 2

b .

 

 

 

 

 

 

 

2

0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из АВС по теореме Пифагора следует

 

 

D 2

2

2

 

2

 

2

 

2

2

2

 

 

 

 

r2

r0

(b )

 

b

 

b

 

2b b

 

2b .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаметр отверстия

D 22b 22·2·0,6·10 6 3·10 3 (м) .

Ответ: D = 3 мм.

37

Пример 15. Каково наибольшее значение порядка дифракционного максимума для желтой линии натрия ( = 0,6 мкм) при нормальном падении лучей на щель шириной 2 мкм? Сколько всего наблюдается максимумов?

Дано: Решение:= 0,6·10–6 м

b = 2·10–6 м

mmax = ? N = ?

Для решения задачи разность хода волн , идущих от краев щели, делим

на участки по 2 . Плоскости, параллельные АС и отстоящие друг

от друга на 2 , разбивают открытую часть фронта волны на зоны равные по ширине. Разность хода от соответствующих точек двух соседних зон будет равна 2 . Колебания от каждой пары сосед-

них зон взаимно гасят друг друга Если число зон четное, то они попарно гасят друг друга и ам-

плитуда результирующего колебания равна нулю.