Методика изучения интерференции света

Основная задача изучения волновых свойств состоит в том, чтобы у учащихся сформировать твердое убеждение в том, что процессы явлений интерференции и дифракции характерны только для волнового процесса и поэтому являются наличием доказательства волнового характера исследуемого процесса. Таким образом, чтобы доказать волновую природу света, необходимо обнаружить его интерференцию и дифракцию.

Первым из волновых явления изучается явление интерференции. При изучении явления интерференции волн на поверхности воды на основе опытов с волновой ванной дается определение интерференции как явления сложения в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуды результирующих колебаний частиц среды, на основании этого формулируется понятие интерференционной картины, рассматриваются все понятия, относящиеся к интерференции вообще: вводится понятие разности хода и на основании этого формулируются условия максимума и минимума при интерференции; понятие когерентных волн и источников.

При изучении интерференции света акцентируем внимание учащихся на том, что обнаружение этого явления для света является доказательством того, что свет является электромагнитной волной, о чем учащиеся уже знают.

Особое внимание здесь необходимо уделить обоснованию того, что свет от любым разных источников не является когерентным. Важно раскрыть причины некогерентности света от разных источников света и причины отсутствия интерференционной картины. Рассуждение можно провести по следующей логической цепочке. Свет излучается одновременно огромным множеством возбужденных частиц (атомов, молекул). Излучение света происходит независимо друг от друга и несогласованно. Значит испускаемые световые импульсы имеют разные начальные фазы и фаза суммарной световой волны хаотично меняется. Таким образом, у световых пучков, излучаемых несколькими независимыми источниками света, разность фаз со временем также меняется беспорядочно. Также беспорядочно в любой точке пространства будут сменять друг друга максимумы и минимумы, поэтому устойчивая интерференционная картина не возникает.

Это позволяет сформулировать перед учащимися проблему, как получить когерентные лучи, если любые из двух обычных источников дают некогерентное излучение. Решение проблемы - наблюдать интерференцию света можно, например светом от одного источника, для этого необходимо разделить свет на две части и заставить их интерферировать.

Существует несколько способов разделения светового пучка на две части: а) метод Юнга (свет проходит через два близко распо­ложенных малых отверстия), который обязательно рассматривается при изучении дифракции света; б) зеркало Ллойда (прямой пучок света интерферирует с пучком, отраженным от зеркала); в) зерка­ло и бипризма Френеля (свет, попадая на зеркала, расположенные под углом, близким к 180°, или проходя через би­призму, разделяется на два пучка, ко­торые затем встречаются и налагаются друг на друга; г) опыты с тон­кими пленками и кольцами Ньютона.

В школьной практике обычно применяется бипризма Френеля, которая входит во все комплекты приборов для наблюдения волновых свойств света. Однако, опыты по интерференции света (а также по дифракции) с использованием ФОС требуют хорошего затемнения класса, так как яркость получающейся интерференци­онной картины очень мала. Из-за недостаточной ви­димости явления на уроке обычно организовывается наблюдение интерференционной картины поочередно отдельными группами, что создает на уроке дополнитель­ные неудобства. Для совершенствования этого эксперимента применяется принципиально новый источник света - лазер. Но, с одной стороны, применение лазера позволяет предельно упростить подготовку многих опытов и рез­ко повысить качество наблюдаемых картин, с другой стороны, лазер воспринимается учащимися как специфический, а не обычный источник света. Однако опыты с ФОС имеют существенный плюс – интерференционная картина получается от обычного источника, содержит информацию о характере распределения цветов в интерференционной картине, т.е. более красочна и информативна. В связи с этим более наглядное представление картины в этом случае может дать проецирование её на экран с помощью видеокамеры.

После показа и объяснения опыта целесообразно обсудить с учащимися следующие вопросы: как осуществляется разделение бипризмой Френеля светового пучка на два когерентных? Каково условие образования в интерферен­ционной картине максимума (минимума) колебаний? Как зависит расположение интерференционных полос от длины световой вол­ны? Где применяется интерференция?

После этого рассматриваются особенности возникновения интерференционных картин в тонких пленках и в тонкой прослойке воздуха между стеклянной пластинкой и положенной на неё плосковыпуклой линзой (кольца Ньютона). При изучении этих явлений особое внимание необходимо уделить следующим вопросам: причины возникновения интерферирующих световых волн т.е. какие лучи интерферируют); почему наблюдается радужная окраска картины, а не чередование светлых и темных полос. Это позволит учащимся разобраться в физических основах применения интерференции.

Завершают изучение интерференции света рассмотрением ее проявлений в природе и примерами практического использования в технике (интерференционный способ проверки качества обработ­ки поверхностей, просветленная оптика, интерферометры и т.п.). Целесообразно предложить учащимся различные интересные прак­тические задания с простым оборудованием: наблюдение и объяс­нение радужного окрашивания мыльных пленок, капли масла или керосина на поверхности воды, цветов побежалости на металли­ческих предметах. Эти задания можно выполнять дома.