Тема: Интерференция, дифракция и поляризация механических волн.
Цели:
Ø Рассмотреть физическую сущность интерференции волн, изучить условия ее возникновения;
Ø Объяснить способы получения когерентных волн;
Ø Дать реальную возможность ученикам зрительно ознакомиться с явлением интерференции механических волн с помощью виртуального эксперимента;
Ø Разъяснить условия наблюдения интерференции света;
Ø зрительно наблюдать интерференцию света в виртуальном эксперименте.
Ø Изучить явление дифракции механических волн и света;
Планируемые результаты (цели):
Метапредметные: умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности её решения; владение основами самоконтроля, самооценки; умение определять понятия, создавать обобщения, устанавливать аналогии, классифицировать; умение строить логическое рассуждение, умозаключение и делать выводы;
Личностные: формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки; формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию; формирование осознанного, уважительного и доброжелательного отношения к другому человеку, его мнению; формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками;
Предметные: формирование представлений о закономерной связи и познаваемости явлений природы, об объективности научного знания; формирование первоначальных представлений о физической сущности явления интерференции; применение полученных знаний при решении задач.
Ход урока.
I. 1.Повторение:
II. 2.Актуализация знаний.
Итак, целью сегодняшнего урока будет найти ответы на два важных вопроса: Что такое интерференция волн? И при каких условиях ее можно наблюдать?
Но сначала вспомним:
1. Что такое механическая волна?
2. Какие виды механических волн вам известны?
3. Переносится ли вещество волной?
4. Почему частицы среды совершают колебания?
III. 3.Объяснение нового материала.
Интерференция – это сложение колебаний. В результате интерференции в каких-то точках пространства происходит рост амплитуды колебаний, а в других – их уменьшение. Неизменная картина интерференции наблюдается только тогда, когда разность складываемых колебаний постоянна (они когерентны). Очевидно, что когерентными могут быть колебания одинаковой частоты. Поэтому чаще всего изучают интерференцию монохроматических колебаний.
Дифракцией -- называют явления, связанные со свойством волн огибать препятствия,т.е отклоняться от прямолинейного распространения.
На рисунке справа показано, как меняют направление звуковые волны после прохождения через отверстие в стене. Согласно принципа Гюйгенса области 1-5 становятся вторичными источниками сферических звуковых волн. Видно, что вторичные источники в областях 1 и 5 приводят к огибанию волнами препятствий.
Стоячие волны. Уравнение стоячей волны.
Если в среде распространяется несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Волны накладываются друг на друга, не возмущая (не искажая друг друга). Это и есть принцип суперпозиции волн.
Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции.
Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.
Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (начальная фаза 
):
 .
| (5.5.1) |
Сложим уравнения и преобразуем по формуле суммы косинусов (5.4.3):
.
Т.к. 
, то можно записать:
.
Учитывая, что 
, получим уравнение стоячей волны:
 .
| (5.5.2) |
В выражении для фазы не входит координата, поэтому можно записать:
 ,
| (5.5.3) |
где суммарная амплитуда 
.
В точках, где координаты удовлетворяют условию 
(n = 1, 2, 3, …), 
, суммарная амплитуда равна максимальному значению: 
, – это пучности стоячей волны. Координаты пучностей:
 .
| (5.5.4) |
| |
| а | б |
| Рис. 5.5 |
В точках, координаты которых удовлетворяют условию 
(n = 0, 1, 2…), 
и суммарная амплитуда колебаний равна нулю 
, – это узлы стоячей волны. Координаты узлов:
 .
| (5.5.5) |
Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают.
Образование стоячих волн наблюдают при интерференции бегущей и отраженных волн. На границе, где происходит отражение волны, получается пучность, если среда, от которой происходит отражение, менее плотная (рис. 5.5, а), и узел – если более плотная (рис. 5.5, б).
Если рассматривать бегущую волну, то в направлении ее распространения переносится энергия колебательного движения. В случае же стоячей волны переноса энергии нет, т.к. падающая и отраженная волны одинаковой амплитуды несут одинаковую энергию в противоположных направлениях.
Дифракция
Отклонение волн от распространения по прямой, огибание волной препятствий, называют дифракцией.
Слово дифракция с латинского языка означает разломанный.
Явление дифракции объясняют при помощи принципа Гюйгенса. Вторичные волны, которые испускаются участками вещества (среды), попадают за края препятствия, которое находится на пути движения волны. Согласно теории Френеля поверхность волны в любой произвольный момент времени – это не только огибающая вторичных волн, а результат их интерференции.
Условия, при которых наблюдается дифракция
Особенно явно дифракция проявляется тогда, когда размеры препятствия меньше или сравнимы с длиной волны.
Дифрагировать могут волны любой природы, как и интерферировать.
.
Значение дифракции
Дифракция не дает возможности получать четкие изображения мелких предметов, так как не всегда можно считать, что свет распространяется строго по прямой. Вследствие этого, изображения могут быть размытыми, при этом увеличение не помогает увидеть детали предмета, если его размер сравним с длиной волны света. Явление дифракции накладывает границы на применимость законов геометрической оптики и определяет предел разрешающей способности оптических приборов.
ПРИМЕР 1
| Задание | Почему нельзя наблюдать явление интерференции при помощи двух электрических лампочек? |
| Решение | Если включить одну электрическую лампу, потом добавить к ней еще, то увеличится освещенность, но не будет ни каких чередований темных и светлых полос (минимумов и максимумов освещенности). Это происходит потому, что волны света, которые испускаются лампами, являются не когерентными (несогласованными). Для того чтобы получать устойчивую во времени интерференционную картину световые волны должны иметь одинаковые частоты (длины волн) и постоянную во времени разность фаз. Атомы источников света, например, ламп испускают волны независимо друг от друга отдельными цугами. Цуги разных источников накладываются друг на друга. Амплитуда колебаний в произвольной точке пространства меняется во времени хаотически, в зависимости от разности фаз цугов волн. Устойчивого распределения максимумов и минимумов увидеть нельзя. |
8. Итоги урока:
Интерференция одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков.
При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.
На основании увиденных вами опытов попробуйте ответить на вопросы:
1. Чем объяснить радужную окраску тонких масляных и нефтяных пленок?
2. Почему на мыльных пузырях цветная окраска?
3. Почему толстый слой нефти не имеет радужной окраски?
4. Что такое «интерференция?
5. При каком условии можно наблюдать интерференционную картину?
8. Выставление оценок. Задание на дом.