Развитие представлений о природе света

Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный технологический

университет "СТАНКИН"

Егорьевский технологический институт (филиал)

 

Изучение интерференционного опыта Юнга

 

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

 

 

ЕТИ.Ф. 03б

 

 

 

 

Егорьевск 2012

 

 

Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.

 

Рецензент к.ф.н. Шабаева Г.Г.

 

В методических указаниях даны основные определения геометрической оптики, рассмотрены корпускулярно-волновой дуализм света, шкала электромагнитных волн, основные законы геометрической оптики, интерференция и интерференционный опыт Юнга, а также дифракция света, принцип Гюйгенса – Френеля, дифракция на щели в параллельных лучах света, В основе данных методических указаний лежит учебное пособие «Тихомиров Ю.В. Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений дневной, вечерней и заочной (дистанционной) форм обучения. -М.:2003.-22 с. Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (электричество и магнетизм, оптика) ». Методические указания предназначены для студентов по направлениям подготовки бакалавров 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 280700 «Техносферная безопасность» по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Колебания и волны, оптика».

 

Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин.

Протокол № от

 

Заведующий кафедрой А.П. Нилов

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института

Протокол № от

 

Председатель совета А.Д.Семенов

Изучение интерференционного опыта Юнга

1 Цель работы: Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн.

Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн от двух источников (щелей).

2 Оборудование и материалы: компьютерный класс, пакет прикладных программ для поддержки лабораторного практикума компании ООО «ФИЗИКОН» «Виртуальный практикум для ВУЗов»,

 

Содержание работы.

3.1 Изучение теоретического материала, с использованием конспекта лекций и учебника.

3.2 Запуск программы. Выберите во вкладке «Модели» раздел «Оптика». Выберите тему «Интерференционный опыт Юнга».

3.3 Измерение, используя шкалу на экране, расстояние X_MAX между нулевым и первым максимумами и запишите в таблицу 2. Увеличивая d каждый раз на 0,3 мм, измерьте еще 9 значений расстояния X_MAX.

3.4 Построить графики по данным таблиц.

3.5 Провести необходимые расчеты.

3.6 Оформить отчет.

 

 

Теоретические сведения к работе

Развитие представлений о природе света

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболического зеркала, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления:

где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн (плоскость A1A2 на рис. 3.6.1) дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рисунок 1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

 

Рисунок 1 Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны

Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:

Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпывающее объяснение этих явлений могло быть дано только на основе волновой теории. Важное экспериментальное подтверждение справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c.

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался открытым.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца по исследованию электромагнитных волн (1887–1888 гг.). В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт.

Важнейшую роль в выяснении природы света сыграло опытное определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались неоднократные попытки измерения скорости света различными методами (астрономический метод А. Физо, метод А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет измерять скорость света с очень высокой точностью на основе независимых измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν). Таким путем было найдено значение

превосходящее по точности все ранее полученные значения более чем на два порядка.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физики под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рисунок 2 дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рисунок 2 Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10–9 м = 10–7 см = 10–3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений. Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.