Дифракция света примеры: Примеры дифракции в физике, теория и онлайн калькуляторы

Содержание

Дифракция света — интернет энциклопедия для студентов

Определение 1
Дифракция света представляет собой явление, при котором происходит отклонение света от прямого направления его распространения, когда он проходит в непосредственной близости к каким-либо препятствиям.

Основные примеры явления.

Классическая физика предполагает описывать это явление в соответствие с интерференцией волны. Такое явление появляется, когда волна движется и сталкивается с препятствием или отверстием, через которое не может пройти. Обычно, длина препятствия должна быть равной длине волны. Такие явления возникают, когда волна пересекает те пространства, в которых изменяется угол преломления света. Данное явление признано фундаментальным в области исследований физики.

Явление дифракции относится к любым существующим видам волн: звуковым, световым, электромагнитным. Даже применительно к лучам рентгена и радиоволнам. В связи с тем, что световые волны присущи всем физическим существам, то дифракция может относиться и к тем предметам, которые изучаются квантовой физикой. Эта область знаний поможет дополнить выводы, которые можно сделать на основе исследований классической физики.

Примеры.
Дифракцию можно заметить достаточно легко в обычной жизни каждый день. Одними из показательных примеров являются световые дифракции. Если рядом расположить два диска, то они будут рассматриваться как своеобразные дифракционные решетки.

Так же можно наблюдать явления дифракции в атмосфере, например, они могут привести к образованию яркого кольца около источника света.

Эти явления являются прямым доказательством, что свет распространяется в виде волн.

Можно заметить, что морские волны и волны океана распространятся вокруг пристани потоками. Звуковые волны часто огибают препятствия, поэтому можно слышать музыку в другой комнате. Или слышать звук голоса, если человек стоит за стеной или деревом.

История происхождения.

Явление дифракции всегда интересовало ученых. Первые серьезные исследования начались еще в далеком семнадцатом веке. Одним из первых исследований были проведены Гримальди Франческо Марией. Этот ученый и стал тем, кто предложил называть подобные явления именно дифракцией. Он долгое время изучал все процессы и явления, которые были связаны с распространением волн, однако первые его труды удалось опубликовать только после смерти ученого.

Еще одним выдающимся исследователем дифракции стал Томас Юнг. Среди его блестящих экспериментов особенно известным является эксперимент 1803 года. Именно тогда была продемонстрирована интерференция таких волновых потоков, которые начинаются из двух разных мест. Именно тогда он установил, что распространение должно происходить волнообразно. Данное явление было в дальнейшем использовано физиками для подтверждения волновой теории не только света, но и других веществ и явлений.

Френель предложил еще более точные варианты своих исследований. Работы были выпущены в 1815 году, так обозначались основные положения его теории. Он описал явление вторичных волн. Далее он подробно описал свой эксперимент, в результате которого было полностью доказана волновая природа света. Ученый долгое время занимался проведением подобных экспериментов, чтобы в итоге прийти к тем выводам, которые берут за основу современные исследователи.

Понятие дифракции света.

Дифракция может быть описана следующим образом. Если существует щель небольшой ширины, которая полностью освещается светом, то она осуществит преломление света. Если щель широкая, то произойдет явление интерференции. Так как лучи будут проходить большими потоками и распространяться.

Что из себя представляет дифракционная решетка? Это оптический компонент, который имеет промежутки между закрытыми полостями. Именно они расщепляют свет на множество лучей, которые расходятся в различные направления. Чтобы определить количество света, надо сложить все показатели.

Презентация «Дифракция света»

Дифракция света

Дифракция — явление, свойственное всем волновым процессам.

Явление огибания механическими волнами преград наблюдается когда речные волны свободно огибают выступающие из воды предметы и распространяются так, как будто этих предметов не было совсем.

Звуковые волны так же огибают препятствия и мы можем слышать сигнал автомобиля за углом дома, когда самого автомобиля не видно

Дифракция механических волн

Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий

Основы теории дифракции были заложены при изучении света в первой половине XIX века в трудах Юнга и Френеля. Среди других учёных, которые внесли значительный вклад в изучение дифракции: Гримальди, Гюйгенс, Гаусс, Фраунгофер, Кирхгоф, Аббе и другие.

Дифракция была открыта Франческо Гримальди.

Объяснение явления дифракции света дано Томасом Юнгом и Огюстом Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство прямолинейности распространения света с позиций волновой теории.

Гримальди Франческо 2.IV.1618 — 28.XII.1663

В середине 17-го века итальянский ученый

Ф. Гримальди наблюдал странные тени от небольших предметов, помещенных в узкий пучок света. Эти тени не имели четких границ, были окаймлены цветными полосами.

Гримальди Франческо 2.IV.1618 — 28.XII.1663

Итальянский ученый.

С 1651 года — священник.

Открыл дифракцию света, систематически ее изучал и сформулировал некоторые правила.

Описал солнечный спектр, полученный с помощью призмы.

В 1662 г. определил величину поверхности Земли.

Дифракция света – огибание световой волной непрозрачных тел с проникновением в область геометрической тени и образованием там интерференционной картины.

Свет обладает волновыми свойствами, ему присущи явления интерференции и дифракции

Нет отдельно интерференции и отдельно дифракции – это единое явление, но в определённых условиях больше выступают интерференционные, в других – дифракционные свойства света.

Томас Юнг (13.06.1773-10.05.1829)

Английский ученый. Полиглот. Научился читать в 2 года.

Объяснил аккомодацию глаза, обнаружил интерференцию звука, объяснил интерференцию света, и ввел этот термин.

Измерил длины волн световых лучей.

Томас Юнг (13.06.1773-10.05.1829)

Дифракция света – отклонение от прямолинейного направления на резких неоднородностях среды

Когерентные волны интерферируют

Опыт Юнга

Из-за дифракции от отверстий выходят два частично перекрывающихся конуса

Для дифракции характерно не столько загибание за края преград, сколько возникновение за преградой интерференционной картины

Христиан Гюйгенса (14.04.1629 — 8.07.1695)

В становлении представлений о том, что распространение света является волновым процессом, большую роль сыграл Христиан Гюйгенс.

Принцип Гюйгенса

Каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

Френель Огюстен Жан (10.05.1788–14.06.1827).

Французский физик.

Научные работы посвящены физической оптике.

Дополнил известный принцип Гюйгенса, введя так называемые зоны Френеля

(принцип Гюйгенса — Френеля).

Разработал в 1818 году теорию дифракции света.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции

Френель

Френель построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчитывать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий

Фраунгофер Йозеф (6.III.1787- 7.VI.1826)

Немецкий физик.

Научные работы относятся к физической оптике.

Фраунгофер изучал дифракцию в параллельных лучах (так называемая дифракция Фраунгофера).

Сначала от одной щели, а потом от многих.

Большой заслугой учёного является использование(с 1821 года) дифракционных решеток для исследования спектров (некоторые исследователи считают его даже изобретателем первой дифракционной решетки)

дифракция Фраунгофера

Дифракционная картина

Дифракционная картина, возникающей на экране при дифракции света на линейном препятствии (щель)

Модель дифракционной картины, возникающей на экране при дифракции света на линейном препятствии (щель), при различных длинах волн падающего света.

Дифракционная картина, возникающей на экране при дифракции света на круглом препятствии (диск)

Модель дифракционной картины, возникающей на экране при дифракции света на круглом препятствии (шарик), при различных длинах волн падающего света и размерах препятствия.

Границы применимости геометрической оптики.

Наиболее отчетливо дифракция света проявляется тогда, когда выполняется данное условие (условие наблюдения дифракции).

Где D- размер препятствия или отверстия,  — длина световой волны,

L- расстояние от препятствия до места, где наблюдается дифракционная картина

Разрешающая способность оптических приборов.

Дифракция налагает также предел на разрешающую способность телескопа. Предельное угловое расстояние(  ) между светящимися точками, при котором их можно различать, определяется отношением длины волны(  ) к диаметру объектива (D).

Дифракцию света используют для создания чувствительных спектральных приборов

Дифракционные явления приносят не только пользу,

но и вред, ограничивая разрешающую способность оптических приборов.

Дифракционная решетка

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

СОВОКУПНОСТЬ БОЛЬШОГО ЧИСЛА РЕГУЛЯРНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ЩЕЛЕЙ И ВЫСТУПОВ, НАНЕСЕННЫХ НА НЕКОТОРУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ

ПРОЗРАЧНЫЕ

Штрихи наносятся на зеркальную (металлическую) поверхность

Штрихи наносятся на прозрачную (стеклянную) поверхность

Дифракционная решетка

Дифракционная решётка представляет собой чередующиеся щели и непрозрачные промежутки .

d – период дифракционной решётки

n – густота штрихов (в СИ: м -1 )

d = a + b d = 1 / n

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками

Условие max:

— длина волны

— угол отклонения световых лучей вследствие дифракции

k — порядок спектра

— период решетки

Дифракционная решётка служит для наблюдения дифракционной картины, что даёт возможность определить длину падающей волны.

Дифракционная решетка

k max = [d / λ] N = 2 k + 1

N — общее количество спектров

k max — максимальный порядок спектра

n — количество штрихов на мм

Дифракционные спектры

Дифракционная решетка – спектральный прибор, служащий для разложения света и измерения длины волны

Дифракционные спектры

Примеры дифракции света

В лабораторной работе по определению длины волны с помощью дифракционной решётки получают первый дифракционный максимум на экране на расстоянии 30 см от средней линии. Период решётки 2 ·10 -3 мм, а расстояние от экрана до решётки 1,5 м. Определите длину световой волны.

Дано : Решение : Запишем формулу дифракционной решетки:

k = 1 d·sinφ = k λ Выразим λ:

d =2·10 -6 м λ = d·sinφ / k

b = 0,3 м Для малых углов: sinφ ≈ tg φ = b / a

а = 1,5 м Тогда получим: λ = ( d·b) / (kа)

λ — ? После подстановки численных данных имеем: λ = 400 нм

Ответ: λ = 400 нм

Открытые видеолекции учебных курсов МГУ

Курс «Оптика» читается на втором курсе физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова в 4 семестре.

В рамках курса подробно рассматривается теория интерференционных явлений: двухволновая интерференция монохроматических волн, интерференция квазимонохроматического света, методы получения интерференционных картин, интерференция в тонких пленках, и теория дифракционных явлений: дифракция Френеля и Фраунгофера, понятие о теории дифракции Кирхгофа.

Особое внимание уделяется рассмотрению характеристик спектральных приборов: призмы, дифракционной решетки и интерферометра ФабриПеро. Рассматриваются вопросы рассеяния и излучения света. Вводятся основные представления квантовой теории излучения света атомами и молекулами, изучаются многоуровневые системы, явление люминесценции, устройство и принцип работы лазеров, нелинейные оптические явления.

Список всех тем лекций

Лекция 1. Волновое уравнение. Плоские и сферические волны.
Предмет изучения оптики Электромагнитная теория света Уравнения Максвелла и материальные уравнения Волновое уравнение, световое возмущение, принцип суперпозиции Формула Максвелла Плоские волны Сферические волны

Лекция 2. Модели реальных световых волн. Поляризация.
Повторение прошлой лекции Сферические волны, продолжение Модели реальных световых волн Квазигармоническая и квазисферическая гармонические волны Квазигармонические волны Случайно модулированные волны Свойства плоских волн Ориентация и взаимосвязь полевых векторов Классификация состояний поляризации Вектор Умова Интенсивность света

Лекция 3. Перенос энергии световой волной. Спектральное описание волновых полей.
Повторение прошлой лекции Энергия световых пучков и импульсов Закон изменения энергии электромагнитного поля Давление и плотность импульса электромагнитной волны Давление световой волны на поверхность тела Момент импульса фотона Метод спектрального описания волновых полей Суть и основы метода Преобразование Фурье Интеграл и коэффициенты Фурье Спектральные амплитуда, фаза и плотность, комплексная спектральная амплитуда и их свойства

Лекция 4. Преобразование Фурье. Спектральная плотность излучения.
Повторение прошлой лекции Свойства преобразований Фурье Суперпозиция импульсов Смещение импульса по времени Изменение масштаба времени Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра Смещение спектра по частоте Теорема Планшереля Примеры преобразования Фурье Гармоническое колебание Прямоугольный импульс и цуг волн Экспоненциальный импульс и слабозатухающая волна Спектральная плотность излучения Световой импульс Непрерывное стационарное излучение Совокупность случайно разбросанных во времени одинаковых световых импульсов Интерференция света Интерференция и когерентность

Лекция 5. Интерференция света. Когерентность.
Спектральная плотность интенсивности Непрерывное стационарное излучение Пример непрерывного стационарного излучения в виде совокупности случайно разбросанных по времени одинаковых световых импульсов Когерентные волны Методы получения когерентного излучения Историческая справка Утверждения принципа Гюйгенса-Френеля Общая схема рассмотрения двухволновой интерференции Основное уравнение двухволновой интерференции Интерференция монохроматических волн Видность интерференционной картины Связь характерных линейных размеров интерференционных полос с характеристиками излучения Интерференция квазимонохроматических волн

Лекция 6. Функция временной корреляции. Пространственная когерентность.
Повторение прошлой лекции Функция видности, время и длина когерентности, максимальный порядок интерференции Функция корреляции и ее свойства Функция временной корреляции совокупности случайно разбросанных во времени одинаковых световых импульсов Теорема Винера-Хинчина Разрешающая способность Фурье-спектрометра Пространственная когерентность Уравнение интерференции Функция видности, угол и радиус когерентности

Лекция 7. Комплексные функции корреляции. Схемы двухволновой интерференции.
Повторение прошлой лекции Звёздный интерферометр Майкельсона Комплексные функции корреляции и степень когерентности Основные схемы двухволновой интерференции Метод деления волнового фронта Метод деления амплитуды

Лекция 8. Многоволновая интерференция.
Метод деления амплитуды Интерференция при естественных условиях в тонких плёнках Многоволновая интерференция Уравнения многоволновой интерференции — формулы Эйри Функции видности, ширина и резкость интерференционных полос Интерференционный фильтр Реализации многоволновой интерференции

Лекция 9. Дифракция света. Метод зон Френеля. Спираль Френеля.
Дифракция света Дифракционный интеграл Френеля Принцип Гюйгенса-Френеля и дифракционный интеграл Свойства дифракционного интеграла Френеля Метод зон Френеля Радиус и площадь зон Френеля Условия подобия дифракции и перехода от волновой к геометрической оптике Метод векторных диаграмм Спираль Френеля Зонные пластинки

Лекция 10. Простейшие дифракционные задачи. Ближняя и дальняя зоны дифракции.
Повторение прошлой лекции Линза как оптимальная фазовая зонная пластинка Простейшие дифракционные задачи Дифракция на круглом отверстии Пятно Пуассона Спираль Корню Ближняя и дальняя зоны дифракции Дифракционная длина пучка Дифракционная расходимость пучка в дальней зоне Фокусировка света как дифракционное явление

Лекция 11. Теория дифракции Кирхгофа. Приближения Френеля и Фраунгофера.
Понятие о теории дифракции Киргхофа Недостатки положений принципа Гюйгенса-Френеля Уравнение Гельмгольца и интегральная теорема Гельмгольца-Киргхофа Дифракционный интеграл Френеля-Киргхофа Приближения Френеля и Фраунгофера Дифракция в дальней зоне как пространственное преобразование Фурье

Лекция 12. Дифракция Фраунгофера на пространственных структурах.
Дифракция Фраунгофера на пространственных структурах Дифракция на прямоугольном отверстии Дифракция на круглом отверстии Дифракционные решетки Дифракция на многомерных периодических структурах

Лекция 13. Анализ, преобразование и синтез световых полей.
Повторение прошлой лекции Анализ, преобразование и синтез световых полей Спектральный прибор и его основные характеристики Дисперсионные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы Опыт Аббе-Портера Специальные методы наблюдения фазовых объектов

Лекция 14. Дифракционные приборы, голография. Распространение света в веществе.
Роль дифракции в приборах формирующих изображения Предел разрешения Разрешающая способность Телескоп Микроскоп Освещение объекта когерентным освещением Запись и восстановление светового поля (голография) Голограмма Денисюка Распространение света в веществе Дисперсия поглощения света

Лекция 15. Дисперсия и поглощение света.
Дисперсия и поглощение света Формула Мосотти-Клаузиуса Закон Бугера Дисперсионные формулы Распространение светового импульса в диспергирующей среде

Лекция 16. Оптические явления на границе двух сред. Анизотропные среды.
Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков Законы отражения и преломления света Формулы Френеля Закон Брюстера Явление полного внутреннего отражения Энергетические соотношения при преломлении и отражении света Распространение света в анизотропных средах Главные диэлектрические оси Плоские электромагнитные волны в анизотропной среде

Лекция 17. Распространение света в анизотропных средах. Поляризационные приборы.
Распространение света в анизотропных средах Эллипсоид лучевых скоростей Оптические свойства одноосных кристаллов Характерные случаи построения Гюйгенса Закон Этьена Луи Малюса Поляризационные приборы Дихроизм Наглядный пример оптических явлений

Лекция 18. Рассеяние света. Закон Рэлея.
Наведённая анизотропия оптических свойств Рассеяние света Индикатриса рассеяния, сечения и коэффициенты рассеяния Закон Рэлея, индикатриса рассеяния

Лекция 19. Молекулярное рассеяние света. Излучение света.
Повторение прошлой лекции Молекулярное рассеяние света Рассеяние Релея в дисперсных средах Рассеяние Ми Рассеяние Мандельштама-Бриюллена Комбинационное излучение Излучение света Излучение атома Классическая осцилляторная модель атома

Лекция 20. Ансамбль независимых осцилляторов. Квантовые свойства света.
Повторение прошлой лекции Естественная форма и ширина линии излучения Излучение ансамбля статистически независимых осцилляторов Уширение спектральной линии Понятие об однородном и неоднородном уширении Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами Квантовые свойства света Квантовые свойства атомов, постулаты Бора Двухуровневые квантовые системы

Лекция 21. Многоуровневые системы. Люминесценция и резонансное усиление света.
Контуры спектральных линий Многоуровневые системы Энергетическая структура атомов, молекул и твердых тел Явление люминесценции Резонансное усиление света

Лекция 22. Лазеры — принцип работы. Нелинейные оптические явления.
Лазеры — устройство и принцип работы Условия стационарной генерации Ширина полосы усиления Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов Характеристики лазеров Нелинейные оптические явления Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения Самофокусировка волновых пучков и генерация гармоник Самофокусировка волновых пучков и генерация гармоник Тепловое самовоздействие излучения

Дифракция света: явление, наблюдение, примеры

Шесть важных явлений описывают поведение световой волны, если она встречает на своем пути какое-либо препятствие. К этим явлениям относятся отражение, преломление, поляризация, дисперсия, интерференция и дифракция света. В данной статье речь пойдет о последнем из них.

Споры о природе света и опыты Томаса Юнга

В середине XVII века на равных правах существовали две теории, касающиеся природы световых лучей. Основоположником одной из них был Исаак Ньютон, который полагал, что свет — это совокупность быстро движущихся частичек материи. Вторую теорию выдвинул голландский ученый Кристиан Гюйгенс. Он считал, что свет — это особый тип волн, распространяющийся в среде подобно тому, как звук движется в воздухе. Средой для света, согласно Гюйгенсу, был эфир.

Поскольку эфира никто не обнаружил, а авторитет Ньютона был огромным на то время, теорию Гюйгенса отклонили. Однако в 1801 году англичанин Томас Юнг провел следующий эксперимент: он пропускал монохроматический свет через две узкие щели, расположенные близко друг от друга. Проходящий свет он проецировал на стену.

Каков был результат этого опыта? Если бы свет представлял собой частицы (корпускулы), как полагал Ньютон, то изображение на стене соответствовало бы четким двум ярким полосам, происходящим от каждой из щелей. Однако Юнг наблюдал совершенно иную картину. На стене появлялась череда темных и светлых полос, причем светлые линии появлялись даже за пределами обеих щелей. Схематическое изображение описанной световой картины представлено на рисунке ниже.

Эта картина говорила об одном: свет является волной.

Явление дифракции

Световая картина в опытах Юнга связана с явлениями интерференции и дифракции света. Оба явления трудно отделить друг от друга, поскольку в ряде экспериментов можно наблюдать их совокупный результат.

Дифракция света заключается в изменении волнового фронта, когда он встречает на своем пути препятствие, размеры которого сравнимы или меньше длины волны. Из этого определения понятно, что дифракция характерна не только для света, но и для любых других волн, например звуковых или волн на поверхности моря.

Также понятно, почему в природе не удается наблюдать это явление (длина световой волны составляет несколько сотен нанометров, поэтому любые макроскопические объекты отбрасывают четкие тени).

Принцип Гюйгенса — Френеля

Явление дифракции света объясняется благодаря названному принципу. Его суть заключается в следующем: распространяющийся прямолинейный плоский волновой фронт приводит к возбуждению вторичных волн. Эти волны являются сферическими, однако если среда однородная, то, налагаясь друг на друга, они приведут к первоначальному плоскому фронту.

Как только возникает какое-либо препятствие (например, две щели в опыте Юнга), то оно становится источником вторичных волн. Поскольку количество этих источников ограничено и определяется геометрическими особенностями препятствия (в случае двух тонких щелей вторичных источников всего два), то результирующая волна уже не даст первоначальный плоский фронт. Последний изменит свою геометрию (например, приобретет сферическую форму), более того, появятся максимумы и минимумы интенсивности света в разных его частях.

Принцип Гюйгенса — Френеля демонстрирует, что явления интерференции и дифракции света являются неразделимыми.

Какие условия необходимы, чтобы можно было наблюдать дифракцию?

Одно из них уже было озвучено выше: это наличие небольших (порядка длины волны) препятствий. Если же препятствие будет относительно больших геометрических размеров, то дифракционная картина будет наблюдаться только вблизи его краев.

Вторым важным условием дифракции света является когерентность волн от разных источников. Это означает, что они должны иметь постоянную разность фаз. Только в этом случае благодаря интерференции можно будет наблюдать устойчивую картину.

Когерентность источников достигается простым способом, достаточно любой световой фронт от одного источника пропустить через одно или несколько препятствий. Вторичные источники от этих препятствий уже будут действовать, как когерентные.

Заметим, что для наблюдения интерференции и дифракции света совершенно не обязательно, чтобы первичный источник был монохроматическим. Об этом будет сказано ниже при рассмотрении дифракционной решетки.

Дифракция Френеля и Фраунгофера

Говоря простым языком, дифракция Френеля заключается в рассмотрении картины на экране, расположенном близко к щели. Дифракция же Фраунгофера рассматривает картину, которая получается на расстоянии гораздо большем ширины щели, кроме того, она предполагает, что падающий на щель волновой фронт является плоским.

Выделяют эти два вида дифракции потому, что картины в них получаются разными. Связано это со сложностью рассматриваемого явления. Дело в том, что для получения точного решения дифракционной задачи необходимо использовать теорию электромагнитных волн Максвелла. Принцип же Гюйгенса — Френеля, упомянутый ранее, является хорошим приближением для получения практически пригодных результатов.

Ниже на рисунке показано, как изменяется изображение на дифракционной картине, когда экран удаляют от щели.

На рисунке красная стрелка показывает направление приближения экрана к щели, то есть верхний рисунок соответствует дифракции Фраунгофера и нижний — Френеля. Как видно, при приближении экрана к щели картина становится более сложной.

Далее в статье будем рассматривать только дифракцию Фраунгофера.

Дифракция на тонкой щели (формулы)

Как выше отмечалось, дифракционная картина зависит от геометрии препятствия. В случае тонкой щели, имеющей ширину a, которую освещают монохроматическим светом с длиной волны λ, положение минимумов (тени) можно наблюдать для углов, соответствующих равенству

sin(θ) = m × λ/a, где m = ±1, 2, 3…

Угол тета здесь отсчитывается от перпендикуляра, соединяющего центр щели и экран. Благодаря этой формуле можно рассчитать, при каких углах будет происходить полное гашение волн на экране. Более того, можно рассчитать порядок дифракции, то есть число m.

Поскольку речь идет о дифракции Фраунгофера, то L>>a, где L — расстояние до экрана от щели. Последнее неравенство позволяет заменить синус угла простым отношением координаты y к расстоянию L, что приводит к следующей формуле:

y_m = m×λ×L/a.

Здесь y_m — это координата положения минимума порядка m на экране.

Дифракция на тонкой щели (анализ)

Приведенные в предыдущем пункте формулы позволяют проанализировать изменения дифракционной картины при изменении длины волны λ или ширины щели a. Так, увеличение величины a приведет к уменьшению координаты минимума первого порядка y₁, то есть свет будет концентрироваться в узком центральном максимуме. Уменьшение же ширины щели приведет к растяжению центрального максимума, то есть он становится расплывчатым. Эта ситуация продемонстрирована на рисунке ниже.

Изменение длины волны действует наоборот. Большие значения λ приводят к размыванию картины. Это означает, что длинные волны лучше дифрагируют, чем короткие. Последнее имеет принципиальное значение при определении разрешающей способности оптических приборов.

Дифракция и разрешающая способность оптических приборов

Наблюдение дифракции света является ограничителем разрешающей способности любых оптических приборов, например телескопа, микроскопа и даже человеческого глаза. Когда речь идет об этих приборах, то рассматривают дифракцию не на щели, а на круглом отверстии. Тем не менее все выводы, сделанные ранее, остаются верными.

Для примера будем рассматривать две светящиеся звезды, которые находятся на огромном расстоянии от нашей планеты. Отверстие, через которое свет попадает в наш глаз, называется зрачком. От двух звезд на сетчатке глаза формируются две дифракционные картины, каждая из которых имеет центральный максимум. Если в зрачок свет от звезд падает под некоторым критическим углом, то оба максимума будут сливаться в один. В этом случае человек будет видеть одну-единственную звезду.

Критерий разрешающей способности был установлен лордом Дж. У. Рэлеем, поэтому в настоящее время он носит его фамилию. Соответствующая математическая формула выглядит так:

sin(θ_c) = 1,22×λ/D.

Здесь D — диаметр круглого отверстия (объектив, зрачок и так далее).

Таким образом, разрешающую способность можно увеличить (уменьшить θ_c), если увеличить диаметр объектива или уменьшить длину волны. Первый вариант реализуется в телескопах, позволяющих в несколько раз уменьшать θ_c по сравнению с глазом человека. Второй вариант, то есть уменьшение λ, находит применение в электронных микроскопах, которые обладают в 100 тысяч раз лучшей разрешающей способностью, чем аналогичные световые приборы.

Дифракционная решетка

Она представляет собой совокупность тонких щелей, находящихся на расстоянии d друг от друга. Если фронт волны является плоским и падает параллельно на эту решетку, тогда положение максимумов на экране описывается выражением

sin(θ) = m×λ/d, где m = 0, ±1, 2, 3…

Формула показывает, что максимум нулевого порядка возникает по центру, остальные расположены под некоторыми углами θ.

Поскольку в формуле стоит зависимость θ от длины волны λ, то это означает, что дифракционная решетка может разлагать свет на цвета подобно призме. Этот факт применяют в спектроскопии для анализа спектров различных светящихся объектов.

Пожалуй, самым известным примером дифракции света является наблюдение цветных оттенков на DVD-диске. Бороздки на нем представляют собой дифракционную решетку, которая, отражая свет, разлагает его на ряд цветов.

перевод на английский, синонимы, антонимы, примеры предложений, значение, словосочетания

Другие результаты
Вы идёте по нему с портативным стробом, и куда бы вы не направили свет фонаря, мультипликация оживает.	You walk through with a handheld strobe, and wherever you point the flashlight, the animation pops to life.
До сих пор мы могли видеть свет звёзд через электромагнитные волны.	Until now, we were able to see the light of the stars via electromagnetic waves.
Поэтому когда «Лимонад» появился на свет — бум — всё пошло от нуля до 100 реально быстро.	So when Lemonade dropped, of course, boom, everything just went from zero to 100 real fast.
Примерно в то же время мы поняли, как записывать свет на лист светочувствительной бумаги, изобрели киноплёнку — основу кино и телевидения.	Right around the same time, we figured out how to record light onto a piece of photographic paper, celluloid — the beginning of film and television.
Дневной свет выглядел необычно, тени стали странными: они казались удивительно чёткими, как будто кто-то увеличил контрастность.	Daylight looked odd, and shadows became very strange; they looked bizarrely sharp, as if someone had turned up the contrast knob on the TV.
Теперь, для того, чтобы рассказать вам всё целиком, я хочу вернуться назад, к поворотному событию в истории США, и это был тот момент, когда фракционные разногласия и приверженность партиям появились на свет.	Now, in order to tell you the story, I want to go back to a pivotal moment in US history, and that is the moment when factional disagreement and partisanship was born.
И это имеет значение, потому что если твоя работа — блокировать солнечный свет, ты будешь намного больше полезен в тропиках, под палящим тропическим солнцем, чем в высоких широтах.	It’s kind of like your grandparents in reverse.
И это имеет значение, потому что если ваша работа состоит в том, чтобы блокировать поступающий солнечный свет, вы будете гораздо более эффективны в тропиках под этим интенсивным тропическим солнцем, чем в более высоких широтах.	And this matters, because if your job is to block incoming sunlight, you are going to be much more effective in the tropics under that intense tropical sun than you are in higher latitudes.
Она излучала солнечный свет.	She radiated sunshine.
Как сказал Леонард Коэн: «Трещины есть везде, и через них проникает свет».	Like Leonard Cohen said, There are cracks in everything, and that’s how the light gets in.
Раннее утро, солнечные лучи на фасадах зданий, чёткие тени, а ночью свет фонарей делит здания на тысячи отдельных участков, балконов, окон и галерей, каждый со своей визуальной составляющей.	Early in the morning, sunlight rakes the facades, sharpening shadows, and at night, lamplight segments the buildings into hundreds of distinct areas, balconies and windows and arcades, each one a separate pocket of visual activity.
С тьмою приходит и свет.	So, with the dark you have to have the light.
Я включаю свет и буквально трясу беднягу, чтобы он проснулся, потому что знаю, что, как и с отрыванием пластыря, лучше разделаться с этим побыстрее.	I flip on the light and physically shake the poor boy awake, because I know that, like ripping off a Band-Aid, it’s better to get it over with quickly.
Можете использовать свою энергию, чтобы создать ядерные бомбы и погрузить мир во тьму разрушения, или можете использовать её, чтобы нести свет миллионам.	You can use your energy to build nuclear bombs and spread the darkness of destruction, or you can use it to spread the joy of light to millions.
Для морских млекопитающих, которые живут под водой, где химические сигналы и свет передаются слабо, ориентиром служит звук.	For marine mammals that live underwater, where chemical cues and light transmit poorly, sound is the sense by which they see.
И во тьме раздирающих мир противоречий каждый из нас может загореться свечой, которая напомнит о том, что свет побеждает тьму, а не наоборот.	Through the darkness of today’s conflicts, each and every one of us can become a bright candle, a reminder that light will overcome darkness, and never the other way around.
Это локальная межзвёздная пыль, которая не пропускает свет звёзд.	Now, that is local dust that’s obscuring the light of the stars.
Этот свет называется синхротронное излучение, оно формируется из электронов, вращающихся вокруг магнитных полей.	This is a light called synchrotron radiation, and it’s formed from electrons spiraling around cosmic magnetic fields.
Если я уберу свет радиоволн, вот что мы увидим.	If I fade in the radio light, this is what we observe with our survey.
Я нарисовал этот эскиз: нечто двухслойное, полупрозрачное с внутренней структурой, которая захватывает свет.	And I drew this sketch, something with two layers, translucent with structure in between capturing light.
Наверное, единственная излучающая свет, чистая форма, которую только можно себе представить, — купольная, поэтому всё, что мы придумывали, было очень похоже на яйцо.	Maybe a pure form, a single form of emanation that you could imagine would be all dome and everything we kept making was looking too much like an egg.
Храм, состоящий из двух слоёв и девяти светящихся завес, с плавными, текучими линиями, похожими на сияющую ткань, — воплощённый свет.	This is this temple with two layers, nine luminous veils, embodied light, soft-flowing lines like luminescent drapery.
Однако при этом мы хотели, чтобы внутри храма свет был рассеянным, словно подкладка у куртки.	But on the inside, we wanted something with a soft light, like the inner lining of a jacket.
Надеюсь, это подходящий отклик на ту замечательную цитату об услышанной молитве: храм, открытый во всех направлениях, перехватывающий алый свет зари, белоснежный, словно шатёр, дневной, золотой вечерний свет и, конечно, совершенно другой ночной: чувственный, ловящий свет самыми разными загадочными способами.	Hopefully, a befitting response to that beautiful quote, a prayer answered, open in all directions, capturing the blue light of dawn, tent-like white light of day, the gold light of the afternoon, and of course, at night, the reversal: sensuous, catching the light in all kinds of mysterious ways.
Именно через них проникает свет.	That’s how the light gets in.
Надеюсь, этот доклад помог прояснить и пролить свет на некоторые тёмные стороны использования АВД во вселенной Звёздных войн и в любой вселенной в целом.	Hopefully, this helped to clarify and put some light on some of the darker issues of using an AED in the Star Wars universe, or any universe in total.
Или случай, когда контролирующий орган вывел на свет информацию о завышении производителем предполагаемой пользы их йогуртов для здоровья.	I can tell you about the regulator who went after the food company for exaggerating the purported health benefits of its yogurt.
На фоне яркой вспышки газа сильнейшее гравитационное притяжение чёрной дыры изгибает свет в кольцо.	Set against a backdrop of bright gas, the black hole’s massive gravitational pull bends light into a ring.
Наблюдая за движением этих звёзд, астрономы пришли к выводу, что единственный небольшой, но тяжёлый объект, способный вызвать это движение, — это сверхмассивная чёрная дыра, объект настолько плотный, что он всасывает всё поблизости, даже свет.	By tracking the paths of these stars, astronomers have concluded that the only thing small and heavy enough to cause this motion is a supermassive black hole — an object so dense that it sucks up anything that ventures too close — even light.
Это яркое кольцо очерчивает горизонт событий чёрной дыры, где притяжение становится настолько сильным, что даже свет не может вырваться.	This bright ring reveals the black hole’s event horizon, where the gravitational pull becomes so great that not even light can escape.
Координируя свою работу по точным атомным часам, команды учёных на каждом телескопе замораживают свет, собирая тысячи терабайт данных.	Linked through the precise timing of atomic clocks, teams of researchers at each of the sights freeze light by collecting thousands of terabytes of data.
Каждое отдельное зеркало будет собирать свет, из которого мы затем сложим изображение.	Each individual mirror would collect light that we could then combine together to make a picture.
Хотя мы собираем свет только с нескольких телескопов, по мере вращения Земли мы можем получать новые данные.	But although we only collect light at a few telescope locations, as the Earth rotates, we get to see other new measurements.
В отделении интенсивной терапии для новорождённых, где появляются на свет недоношенные, больные, инвалиды, важность молока первостепенна.	In the NICU, when infants are born early or sick or injured, milk or bioactive constituents in milk can be critically important.
Мы называем это нулевой день жизни, первый день жизни, появление на свет.	Day of life zero, we call it, the first day of life, just born into the world.
Мы шагнули в бездну, но мы были поражены, найдя свет и путь именно в тех сообществах, на которые так долго нападали.	We walked into an abyss, but we were shocked to find the light and a way forward in the same communities we’d targeted for so long.
Отец одной малышки, которая попала к нам перед тем, как покинуть этот мир, без сомнения уловил эту грань, он сказал, что появиться на свет ребёнку помогают десятки рук, а вот проводить в последний путь могут помочь только единицы.	The dad of a sweet baby for whom we cared at the end of her life certainly captured this dichotomy when he reflected that there are a lot of people to help you bring an infant into the world but very few to help you usher a baby out.
И вот вторая книга: в США она выходит в свет на следующей неделе.	And here’s the follow-up, which I think is being published in the US next week.
Итак, представьте: вы пришли на работу в середине ночи по марсианскому времени, а сквозь окна пробивается свет, это уже само по себе странно.	If you think that right now, you’ve come to work and it’s the middle of the Martian night and there’s light streaming in from the windows that’s going to be confusing as well.
Это сделано для того, чтобы свет не отвлекал нас от работы.	So that there’s no light to distract us.
Давайте разобьём это слово: фото означает свет от солнца, а катализатор — то, что ускоряет химическую реакцию.	Let’s break it down: photo means from the sun, and a catalyst is something that speeds up a reaction.
Когда солнечный свет попадает на фотокатализатор, например, на TiO2, или диоксид титана, образуются высокоактивные формы кислорода, такие как супероксиды, перекись водорода и гидроксильные радикалы.	When sunlight comes in and strikes a photocatalyst, like TiO2, or titanium dioxide, it creates these really reactive oxygen species, like superoxides, hydrogen peroxide and hydroxyl radicals.
Причина существенного влияния звёзд на планетарный ветер состоит в том, что они дают планетам частицы, свет и тепло, которые могут вызвать утечку атмосферы.	The reason that fundamentally stars drive atmospheric escape from planets is because stars offer planets particles and light and heat that can cause the atmospheres to go away.
Причина мерцания в том, что планеты, которые постоянно проходят мимо неё, имеют особое расположение, из-за чего заслоняют свет звезды, и мы видим, как она мерцает.	And the reason that it’s blinking is because there are planets that are going past it all the time, and it’s that special orientation where the planets are blocking the light from the star that allows us to see that light blinking.
Глядя на свет, исходящий от этих звёзд, на самом деле мы видим не сами планеты, а затемнение света, которое можно зафиксировать.	So when we look at the light from these stars, what we see, like I said, is not the planet itself, but you actually see a dimming of the light that we can record in time.
Мы не только находим планеты, но и изучаем этот свет в волнах разной длины.	So not only do we detect the planets but we can look at this light in different wavelengths.
Они произведут на свет намного больше профессий, чем отберут, но важно то, что для многих заданий, которые мы передадим им, важна эффективность и производительность.	So they’re going to produce even more jobs than they take away, but it’s important that a lot of the tasks that we’re going to give them are tasks that can be defined in terms of efficiency or productivity.
Где горит свет — там живут люди.	Where the lights are shining up is where people live.
Эд к тому же занимается тем, что придумывает, как соединить мозг, используя свет или другие механизмы, с протезами напрямую.	And one of the other sides of Ed is he’s been thinking about how to connect the brain using light or other mechanisms directly to things like these prosthetics.
Но так же часто новые идеи рождаются на свет просто потому, что они забавные.	But just as often, new ideas come into the world simply because they’re fun.
Они никогда не останавливаются на красный свет.	They never stop at red lights.
Я доверяю детям, когда они обещают мне выключить на ночь свет.	I trust my children when they say they’re going to turn the lights out at night.
Поскольку обычная маетрия или излучает свет или отражает его.	Because ordinary matter either emits light or reflects it.
Свет, снова вспыхнувший в ее глазах, пристыдил меня.	The resurgence of light in her eyes shamed me.
Представьте себе свет, падающий в дико крутой гравитационный колодец.	Imagine light falling into a savagely steep gravitational well.
Сквозь дыру в потолке в сарай проникал тусклый свет.	Light entered the kennel from an aperture in the ceiling.
Во всех окнах от подвала до чердака горел свет.	The house was lighted up from basement to garret.
Фарадей знал, что свет перемещается в виде волны.	Faraday knew that light can travel as a wave.
Заняться любовью под свет газовой горелки	Make love by the light of the Bunsen burner.
Свет от уличного фонаря просачивается в комнату сквозь занавески.	Light from a streetlight filters in through the curtain.

План урока с презентацией по физике на тему «Дифракция света. Дифракционная решетка»

Ход урока:

1. Здравствуйте. Присаживайтесь. Я рада вас видеть и каждому желаю хорошего настроения. Давайте поработаем сегодня не только для ума, но и для души.

Готовят рабочее место, приветствуют учителя, настраиваются на работу.

II. Актуализация знаний

1. Сегодня на уроке мы с вами познакомимся с новой темой, но перед этим мне бы хотелось, чтобы вы вспомнили то, что мы изучали на предыдущих уроках. Итак, будьте внимательны.

Что такое свет? Какова его природа? (Свет – это видимое излучение и обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. обладает свойствами частиц и свойствами волн).
Какие свойства света являются корпускулярными? (Распространение, отражение и преломление света).
Какие свойства являются волновыми? (Интерференция, дифракция).
Что такое интерференция волн? (Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая картина усиления и ослабления результирующих колебаний).
Какие волны дают устойчивую интерференционную картину? (Когерентные, т.е. волны, у которых одинаковая частота и постоянная разность фаз).
Каково условие максимума интерференции? (Разность хода равна целому числу длин волн).
Каково условие минимума интерференции? (Разность хода равна нечетному числу полуволн).
Назовите несколько примеров применения интерференции света. (Для определения качества обработки деталей, для исследования структуры атома, для просветления оптики).
Подумайте, почему мыльный пузырь имеет радужную окраску? (Потому что световые лучи, падающие на внутреннюю и внешнюю поверхности пузыря, отражаясь, становятся когерентными источниками вторичных волн, которые интерферируют в некоторых точках и создают интерференционную картину. Т.к. пленка неоднородна по толщине, то это приводит к неоднородности отражения волн разного цвета от нее. Это и придает пленке радужную окраску).

Отвечают на вопросы.

III. Изучение нового материала

1. Молодцы. А сегодня на уроке мы с вами поговорим еще об одном явлении, которое присуще только волнам. Это явление называется дифракцией, а именно поговорим о дифракции света. И эпиграфом к нашему уроку будут слова выдающегося советского физика и основателя научной школы физической оптики С.И.Вавилова:

Свет … такое короткое и в то же время такое ёмкое слово.

В слове «свет» заключена вся физика.

(С.И.Вавилов)

2. Итак, тема нашего урока «Дифракция света. Дифракционная решетка» и к концу урока вы сможете:

дать определение дифракции света;

знать, какое условие должно выполняться, чтобы это явление проявлялось;

объяснять принцип действия дифракционной решетки и ее применение.

3. Давайте вспомним, в чем заключается явление дифракции механических волн? Это явление представляет собой проникновение волн в тень различных встречающихся на их пути препятствий. Т.е. это огибание волнами препятствий или отклонение от прямолинейного распространения волн.

Например, волны на воде огибают камень, выступающий из воды, если его размеры сравнимы с длиной волны. Точно так же волны огибают торчащий из воды прутик, как будто его нет, а вот за большим камнем образуется место, где вода спокойная без волн, так называемая «тень».

Дифракцией обладают и звуковые волны. Поэтому мы можем услышать сигнал машины из-за угла дома.

4. Если свет представляет собой волновой процесс, то должна существовать и дифракция света, а условия ее проявления должны быть похожими с условиями в случае механических волн. Т.е. размеры препятствий должны быть соизмеримы с длиной световой волны. А это порядка 10^-6м.

5. Дифракцию света можно наблюдать, если пропускать свет через маленькое отверстие.

И мы знаем, что согласно закону прямолинейного распространения света в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Но! Обратите внимание на следующий опыт, который поставил ученый Юнг в 1802 г. Этот опыт заключался в следующем. В непрозрачной ширме он сделал 2 щели B и C, которые освещались световым пучком, идущим из отверстия A. Согласно закону о прямолинейности распространения света мы должны были бы получить на экране картину в виде двух светлых полосок с четкими контурами, повторяющие форму щели. Каково было изумление ученых, когда на экране появилась картина виде полос.

Объяснить это явление смог А. Френель лишь в 1818 г. Для этого он дополнил принцип Гюйгенса об интерференции вторичных волн: каждая точка среды, до которой дошел волновой фронт – ведет себя как источник сферических когерентных вторичных волн. В результате интерференции, которых возникает новый фронт волны.

Т.е. на основе этого принципа он теоретически рассчитал перераспределение освещенности в виде максимумов и минимумов в случае дифракции. Его работы содержат убедительные аргументы, которые подтверждают волновую природу света.

6. Наблюдение дифракции света от одной щели очень затруднено из-за слабой освещенности полос. Для получения более четкой и яркой картины свет надо пропустить через систему щелей. Чем больше щелей – тем больше света проходит через них, соответственно тем четче дифракционная картина. Но наблюдаемая на экране картина это не только результат дифракции, но и интерференции волн. Этот метод усиления яркости картины используется в приборе, который называется дифракционная решетка. Каково же ее устройство? Она состоит из большого числа параллельных щелей одинаковой ширины, расположенных на очень малом одинаковом расстоянии друг от друга. У лучших решеток количество штрихов достигает сотен тысяч. Штрихи не отражают и не пропускают свет, а промежутки между ними играют роль щелей. И важной характеристикой дифракционной решетки является период: d=a+b. Где а – это ширина щели, а b – ширина непрозрачного штриха. И у каждой решетки своя постоянная.

Если известно число штрихов на единицу длины, т.е. n=N/l, то период решетки d=l/N=1/n.

Пройдя через решетку благодаря дифракции, свет распространяется во всех возможных направлениях в виде когерентных волн, а интерференция волн усилит яркость только в определенных направлениях. Условие получения светлых полос (главных максимумов) можно выразить формулой дифракционной решетки:

7. Что мы получим на экране, когда на дифракционную решетку падает пучок белого света? Давайте проверим с помощью дифракционной решетки. Возьмите свои установки с дифракционными решетками и направьте их на источник света (лампочку). Обратите внимание на главные максимумы и в каком порядке распределяются волны определенной длины.

8. Для чего нужна дифракционная решетка? Дифракционную решётку применяют в спектральных приборах, также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётки), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и так называемых «антибликовых» очках, а также для определения длины волны света.

9. Простейшей дифракционной решеткой можно считать наши реснички. Если прищуриться на свет – можно увидеть дифракцию света.

Слушают учителя.

Записывают тему урока.

Слушают учителя.

Конспектируют тему.

Смотрят на источник света через решетку. Делают выводы.

IV. Закрепление.

На следующих уроках мы с вами будем наблюдать явление дифракции и интерференции, измерим длину волны света с помощью дифракционной решетки, будем решать задачи, а сейчас давайте проверим, как вы усвоили сегодняшнюю тему. Для этого проведем тест.

1. Какое из приведенных ниже выражений определяет понятие дифракция?

А. Наложение когерентных волн

Б. Разложение света в спектр при преломлении

В. Огибание волной препятствия

2. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?

А.Излучение света лампой накаливания

Б. Радужная окраска компакт-дисков

В. Получение изображения на киноэкране

3. Какое из наблюдаемых явлений объясняется дифракцией?

А. Радужная окраска тонких мыльных пленок

Б. Появление светлого пятна в центре тени от малого непрозрачного диска

В. Отклонение световых лучей в область геометрической тени

4. Какое условие является необходимым для наблюдения дифракционной картины?

А. Размеры препятствия много больше длины волны

Б. Размеры препятствия сравнимы с длиной волны

В. Размеры препятствия много больше амплитуды волны

5. Свет какого цвета располагается дальше всего от центра дифракционной картины?

А. Красного

Б. Зеленого

В. Фиолетового

6. Как вы думаете, достигли ли вы цели урока?

А. Да

Б. Нет

7. Тема была раскрыта?

А. Да

Б. Нет

8. Оцените свою работу.

А. Очень хорошо

Б. Хорошо

В. Удовлетворительно

Г. Неудовлетворительно

Отвечают на вопросы теста.

V. Подведение итогов.

Упражнение «Свободный микрофон»

Сегодня на уроке меня удивило …

Сегодня на уроке меня вдохновляло …

Сегодня на уроке я узнал новое, а именно …

Отвечают на вопросы.

VI. Домашнее задание.

Параграф 3.8 выучить

Стр. 63 № 9 решить.

Записывают домашнее задание.

Научно-образовательный портал ТУСУР | Волновая и квантовая оптика: Учебно-методическое пособие по аудиторным практическим занятиям и самостоятельной работе / Орловская Л. В., Иванова Е. В., Орловская А. В. — 2018. 127 с.

Введение 5

1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

1.1. Краткая теория 6

1.1.1. Общие сведения об интерференции 6

1.1.2. Интерференция от двух источников 7

1.1.3. Интерференция от тонких пластинок постоянной толщины 9

1.1.4. Интерференция от тонких пластинок переменной толщины 11

1.2. Примеры решения задач 12

1.3. Задачи для решения на практических занятиях 17

1.4. Задачи для самостоятельного решения 20

1.5. Вопросы для самоконтроля 22

2. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

2.1. Краткая теория 23

2.1.1. Общие сведения о дифракции 23

2.1.2. Дифракция в сходящихся лучах (дифракция Френеля) 25

2.1.3. Дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера) 26

2.1.4. Дифракционная решетка 29

2.1.5. Спектральное разложение. Разрешающая способность решетки 31

2.2. Примеры решения задач 32

2.3. Задачи для решения на практических занятиях 36

2.4. Задачи для самостоятельного решения 39

2.5. Вопросы для самоконтроля 43

3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

3.1. Краткая теория 44

3.1.1. Общие сведения о поляризации 44

3.1.2. Поляризаторы. Степень поляризации 44

3.1.3. Закон Малюса 45

3.1.4. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера 45

3.1.5. Поляризация при двойном лучепреломлении 46

3.1.6. Интерференция поляризованных волн 48

3.2. Примеры решения задач 49

3.3. Задачи для решения на практических занятиях 54

3.4. Задачи для самостоятельного решения 57

3.5. Вопросы для самоконтроля 60

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ (ДИСПЕРСИЯ, ПОГЛОЩЕНИЕ, РАССЕЯНИЕ)

4.1. Краткая теория 61

4.1.1. Дисперсия света 61

4.1.2. Элементарная (классическая) теория дисперсии 63

4.1.3. Поглощение света 65

4.1.4. Рассеяние света 67

4.1.5. Излучение Вавилова – Черенкова 69

4.2. Примеры решения задач 71

4.3. Задачи для решения на практических занятиях 73

4.4. Задачи для самостоятельного решения 76

4.5. Вопросы для самоконтроля. 78

5. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

5.1. Краткая теория 79

5.1.1. Характеристики теплового излучения 79

5.1.2. Законы теплового излучения 81

5.2. Примеры решения задач 83

5.3. Задачи для решения на практических занятиях 86

5.4. Задачи для самостоятельного решения 89

5.5. Вопросы для самоконтроля 92

6. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

6.1. Краткая теория 93

6.2. Примеры решения задач 96

6.3. Задачи для решения на практических занятиях 99

6.4. Задачи для самостоятельного решения 102

6.5. Вопросы для самоконтроля 105

7. ЭФФЕКТ КОМПТОНА. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

7.1. Краткая теория 106

7.1.1. Давление света 106

7.1.2. Эффект Комптона 107

7.2. Примеры решения задач 111

7.3. Задачи для решения на практических занятиях 117

7.4. Задачи для самостоятельного решения 119

7.5. Вопросы для самоконтроля 121

Таблица ответов к заданиям для самостоятельной работы 122

Рекомендуемая литература 125

Типы дифракции с примерами

В этом посте вы подробно узнаете о дифракции света.
Итак, если вы хотите извлечь пользу из этого сообщения, то вам понравится этот пост.
Состав:

Определение дифракции
Типы дифракции
Примеры дифракции
Намного больше

Давайте нырнем прямо сейчас:

Что такое дифракция света?

Изгиб световых волн вокруг углов препятствия и распространение световых волн в геометрическую тень называется дифракцией.Дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля — это два типа дифракции света. Изгибание света вокруг углов окна — это пример дифракции.

Эффект дифракции зависит от размера препятствия. Дифракция света имеет место, если размер препятствия сравним с длиной волны света. Световые волны имеют очень маленькую длину волны, то есть от 4 × 10 ^-7 м до 7 × 10 ^-7 м. Только если размер отверстия или препятствия близок к этому пределу, мы можем наблюдать явление дифракции.

Виды дифракции в физике

Дифракцию света можно разделить на два типа:

Дифракция Фраунгофера
Дифракция Френеля

Дифракция Фраунгофера

По дифракции Фраунгофера:

Источник и экран находятся далеко друг от друга.
Падающие на дифрагирующую преграду волновые фронты плоские.
Дифракционное препятствие приводит к возникновению волновых фронтов, которые также являются плоскими.
Плоские дифрагирующие волновые фронты сводятся с помощью выпуклой линзы для создания дифракционной картины.

Дифракция Френеля

По дифракции Френеля:

Источник и экран находятся недалеко друг от друга.
Падающие волновые фронты имеют сферическую форму.
Волновые фронты, покидающие препятствия, также имеют сферическую форму.
Выпуклая линза не нужна для сведения сферических волновых фронтов.

См. Также: преломление света

Дифракция света

В эксперименте Юнга с двойной щелью для интерференции света центральная область системы полос яркая.Если свет распространяется по прямому пути, центральная область должна казаться темной, то есть тень экрана между двумя прорезями. Другой простой эксперимент можно провести, продемонстрировав тот же эффект.

Представьте, что маленький и гладкий шар диаметром около 3 мм освещается точечным источником света. Тень от объекта воспринимается на экране, как показано на рисунке. Тень сферического объекта не совсем темная, но имеет яркое пятно в центре. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка на краю сферы ведет себя как источник вторичных всплесков, которые освещают центральную область тени.

Эти два эксперимента ясно показывают, что, когда свет проходит мимо препятствия, он не проходит точно по прямому пути, а огибает препятствие. Это явление становится заметным, когда длина волны света сравнивается с размером препятствия или апертуры щели. По сути, дифракция света происходит из-за интерференции лучей, исходящих из разных частей одного и того же волнового фронта.

См. Также: Световые помехи

Дифракция на узкой щели

На рисунке показана экспериментальная установка для изучения дифракции света за счет узкой щели.Щель AB шириной d освещается параллельным пучком монохроматического света с длиной волны λ. Экран S размещен параллельно щели для наблюдения эффектов дифракции света. Небольшая часть падающего волнового фронта проходит через узкую щель. Каждая точка этого участка волнового фронта посылает на экран вторичные вейвлеты. Затем эти вейвлеты интерферируют, создавая дифракционную картину. Становится проще работать с лучами вместо волновых фронтов, как показано на рисунке.

На этом рисунке нарисовано только девять лучей, тогда как на самом деле их очень много. Рассмотрим лучи 1 и 5, которые находятся в фазе на фронте AB. Когда они достигнут волнового фронта AC, луч 5 будет иметь разность хода ab, равную, скажем, λ / 2. Таким образом, когда эти два луча достигают точки p на экране; они будут деструктивно вмешиваться. Точно так же каждая пара 2 и 6,3 и 7,4 и 8 отличается по пути на λ / 2 и будет делать то же самое. Но разность хода ab = d / 2 sinθ.

Уравнение для первого минимума, затем

d / 2 sinθ = λ / 2

или d sinθ = λ

В общем, условия для разных порядков минимумов по обе стороны от центра задаются следующим образом:

d sinθ = mλ

где m = ± (1,2,3,….)

Область между любыми двумя последовательными минимумами выше и ниже O будет яркой. Таким образом, узкая щель создает серию ярких и темных областей с первой яркой областью в центре рисунка.

Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах

Длину электромагнитной волны можно определить, если имеется решетка с надлежащим шагом, то есть порядка длины волны λ. Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны очень короткой длины волны (порядка 0.1 нм). В процессе резки невозможно построить решетку с таким малым шагом. Однако известно, что расстояние между атомами в твердом теле составляет около 0,1 нм. В 1913 году Макс фон Лауэ предположил, что регулярный массив атомов в кристаллическом твердом теле может действовать как трехмерная дифракционная картина, сложная из-за трехмерной дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Последующий эксперимент подтвердил это предсказание. Дифракционные картины сложны из-за трехмерной природы кристалла.Тем не менее дифракция рентгеновских лучей оказалась бесценным методом изучения кристаллических структур и понимания структуры вещества.

Коллимированный пучок рентгеновских лучей падает на кристалл. Дифрагированные лучи очень интенсивны в определенных направлениях, что соответствует конструктивной интерференции волн, отраженных от слоев атомов в кристалле. Дифрагированные лучи могут быть обнаружены фотографической пленкой, и они образуют массив пятен, известных как узор Лауэ.Вывести кристаллическую структуру можно, анализируя положение и интенсивность различных пятен в узоре.

Уравнение Брэгга

Предположим, что рентгеновский луч падает под углом θ на одну из плоскостей. Луч может отражаться как от верхней плоскости, так и от нижней плоскости проходит дальше, чем луч, отраженный от верхней плоскости. Ясно, что после отражения от атомов плоскости луч 2 проходит большее расстояние, чем луч 1. Таким образом, расстояние BC + CD — это эффективная разность хода между двумя отраженными лучами 1 и 2.

Смотрите также:

Похожие запросы по дифракции света:

Похожие запросы по физике:

Внешние источники

https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
https://www.quora.com/What-is-diffraction-of-light

Дифракция — Физика — Metropolia Confluence

Masinde Masinde
Asuquo Uduak Peter
Kudaisi Mobolaji

МОЗГИ ЗА ОТКРЫТИЕМ И ИССЛЕДОВАНИЕМ ДИФФРАКЦИИ

Итальянский ученый Франческо Мария Гримальди придумал слово «дифракция».Он был первым, кто записал точные наблюдения этого явления (дифракции) в 1665 году. Вот список ученых, внесших свой вклад в изучение дифракции

* сэр Исаак Ньютон.

Джеймс Грегори.
Томас Янг.
Огюстен-Жан Френель.
Христиан Гюйгенс.
DEFINITON

Дифракция возникает, когда свет (луч / луч света) или другая система волн, такая как (волны воды, звук, электромагнитные волны (электромагнитное излучение), и небольшие движущиеся частицы, такие как атомы, нейтроны, и электроны, которые проявляют волнообразные свойства) проходят острые края или проходят через узкие щели (апертуру), лучи отклоняются (распространяются) и создают полосы светлых и темных полос.

Дифракция света

ЭФФЕКТЫ ДИФРАКЦИИ

Дифракционные эффекты подразделяются на типы Френеля или Фраунгофера .

Дифракция Френеля касается в основном того, что происходит со светом в непосредственной близости от дифрагирующего объекта или апертуры, поэтому представляет интерес только тогда, когда источник освещения находится поблизости.

Дифракция Фраунгофера — это эффект рассеивания света диафрагмой, когда диафрагма (или объект) освещается плоскими волнами, т.е.е., волны, которые фактически исходят из бесконечно удаленного источника.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕРМИНЫ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Апертура: Апертура — это оптическая терминология, неспециалисты называют ее по-разному, например, отверстие, отверстие или зазор.Это часто относится к отверстию, через которое свет может проходить в оптических системах, таких как камеры и лазеры.
Волны: волна — это возмущение или колебание, которое распространяется в пространстве-времени и сопровождается передачей энергии.
Бахрома: край и внешняя граница чего-либо.
Помехи *: {} Интерференция * — это явление, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды.
Радиация: Радиация — это энергия, которая исходит от источника и проходит через какой-либо материал или в космосе.
Частота: количество повторений повторяющегося события в единицу времени.
Амплитуда: Амплитуда волны — это мера того, насколько велики ее колебания.

ВИДЫ ДИФРАКЦИИ

Дифракция света — — это изгибание света, когда он проходит через край объекта.
дифракция на воде — это дифракция волн на воде, проходящих через щель.
Дифракция звука — Это — процесс, при котором звуковые волны могут рассеиваться вокруг объектов, поэтому вы все равно можете слышать чей-то зов, даже когда спрятались за деревом.
Электронная дифракция — Электронная дифракция относится к волновой природе электронов. Быстрые электроны дифрагируют от поликристаллического слоя графита
Дифракция рентгеновских лучей — дифракция рентгеновских лучей (XRD) является инструментом для определения характеристик расположение атомов в кристаллах и расстояния между гранями кристаллов.Его можно использовать для идентификации атомов и кристаллической формы.
Дифракция на порошке — Дифракция на порошке — это научный метод, использующий дифракцию рентгеновских лучей, нейтронов или электронов на порошковых или микрокристаллических образцах для определения структурных характеристик материалов.
Дифракция на одной щели — Дифракция на одной щели проиллюстрирована с помощью моделирования во временной области с конечными разностями (FDTD), в котором щели различной ширины освещаются плоскими электромагнитными волнами с одной частотой
Дифракция на выбранной области — Выбранная дифракция (электронная) дифракция (сокращенно SAD или SAED) — это кристаллографический экспериментальный метод, который может быть выполнен в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ)

ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ДИФФРАКЦИИ

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА
Голландский физик Христиан Гюйгенс ранее в 1678 г. предположил, что «каждая точка, в которой световые возмущения действуют как источник волны сферической природы, «суммирование этих вторичных волн определяет форму волны в любой момент времени».
Хотя его теория адекватно объясняла, как распространяются линейные и сферические волны, она не объясняла, как, согласно его собственному предположению, эти вторичные волны движутся только в прямом направлении.

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНА-ФРЕСНЕЛЯ
Однако в 1816 году французский физик Огюстен-Жан Френель утверждал, что принцип Гюйгенса вместе с его собственным (принципом интерференции) может успешно объяснить не только прямолинейное распространение света. но также эффекты дифракции.Чтобы оправдать свои утверждения, он ввел более произвольные предположения о фазе и амплитуде вторичной волны с коэффициентом наклона. Его прогнозы должны были в некоторой степени прийти к какому-то соглашению, включая место в Араго, хотя и без физического корня.

Хотя Пуассон был членом Французской академии, он проанализировал теорию Френеля и предположил, что «яркое пятно появится в центре тени маленького диска», и пришел к выводу, что теории недостаточно.Однако в ответном анализе другой член той же академии после своих исследований пришел к выводу, что теория Френеля действительно верна, его исследование действительно помогло оправдать волновую теорию света над корпускулярной теорией.
Формула дифракции Кирхгофа, основанная на волновом уравнении, дает математические корни дифракции. Допущения Френеля, которые в конечном итоге привели к уравнению Гюйгенса-Френеля, исходили из вывода формулы дифракции Кирхгофа.
Хороший пример этого можно объяснить простым изображением двух комнат с общим дверным проемом. Когда звук воспроизводится в одной из комнат, кто-то в другой комнате будет считать, что такой же звук, производимый в следующей комнате, исходит из общего дверного проема, поскольку он / она рассматривает дверной проем как источник источника из-за вибрации. воздуха в дверях.
Теперь рассмотрим источник в точке P _o , с частотой колебаний f .Возмущение, которое мы описываем как комплексную переменную U _o , известную как комплексная амплитуда, создает волну с длиной волны λ и волновым числом k = 2π / λ .
Комплексная амплитуда первичной волны в точке Q, расположенной на расстоянии r _o от По, может быть задана как
ПРИНЦИП ЗАКОНА БРЭГГА
Сэр Уильям Лоуренс в 1912 году предложил закон, который гласит, что дифракция возникает, когда электромагнитное излучение или волны субатомных частиц с длиной волны, сравнимой с атомным расстоянием, падают на кристаллический образец, рассеиваются атомами в системе и претерпевают конструктивную интерференцию.

http://www.microscopy.ethz.ch/bragg.htm
Деструктивная интерференция отраженных волн (в отраженных волнах накладываются максимум и минимум амплитуды волны).
http: // www.microscopy.ethz.ch/bragg.htm
Конструктивная интерференция отраженных волн (отраженные волны синфазны, т. е. накладываются максимумы).
Математическая форма закона Брэгга
nλ = 2.d.sinΘ
Где
• n — целое число, определяемое заданным порядком,
• λ — длина волны рентгеновских лучей и движущихся электронов, протонов и нейтронов,
• d — расстояние между плоскостями атомной решетки, а
• θ — угол между падающим лучом и плоскостями рассеяния.
Вывод закона Брэгга

9000d.bmsc.washington.edu/~merritt/bc530/bragg/
Принимая во внимание условия, необходимые для совпадения фаз, когда угол падения равен углу отражения, начальные лучи (падающие лучи) будут параллельны и синфазны с точкой где верхний луч попадает в верхний слой при атоме z. На следующем слое второй луч продолжается там, где он рассеивается атомом B. Второй луч должен пройти дополнительное расстояние AB + BC, чтобы два луча могли двигаться рядом и параллельно друг другу.Дополнительное расстояние должно быть целым (n) кратным длине волны (λ), чтобы фазы двух лучей были одинаковыми:
Используя теорему Пифагора,
AB / d = sinθ
AB = d sinθ
Поскольку AB = BC, тогда
nλ = 2AB
Напомним, что AB = d sinθ
Таким образом,
nλ = 2.d.sinθ
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФРАКЦИИ
Существует несколько применений дифракции. в некоторой степени очевидны в нашем повседневном контакте с объектами, демонстрирующими дифракционные или дифракционные свойства, мы не замечаем или, с другой стороны, не замечаем объект, но не знаем принципа, лежащего в основе этого, или того, что заставило объект выглядеть или действовать подобным образом.
Вот некоторые из приложений дифракции
НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Дифракция часто используется для обнаружения структур материалов и атомов.
Его много использовали для открытия лекарств и лекарств.
Дифракция также важна для других приложений, таких как рентгеновские дифракционные исследования кристаллов и голография ГАДЖЕТ, КОТОРЫЙ ИСПОЛЬЗУЕТ ИЛИ РАБОТАЕТ K ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ДИФРАКЦИИ
Эффекты дифракции обычно наблюдаются в повседневной жизни.Одним из наиболее очевидных примеров дифракции является дифракция света; например, когда вы внимательно смотрите на CD или DVD, близко расположенные треки на CD или DVD действуют как дифракционная решетка, образуя знакомый радужный узор.
Голограмма на кредитной карте работает по принципу дифракции, как вы можете видеть, мы оплачиваем наши счета с помощью кредитной карты, не замечая и не заботясь о том, как это работает или по какому принципу работает кредитная карта. Использование принципа дифракции, дифракция в апертурах делает наши изображения резкими и четкими.Все эти устройства мы используем каждый день или один раз с момента нашего существования, и мы не знаем, как они работают или работают.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
Дифракционная решетка может быть либо пропускающей решеткой (пластина с небольшими параллельными, равномерно расположенными прорезями, через которые проходит свет), либо отражающей решеткой (металлическая или стеклянная пластина, отражающая свет. из полированных полос между параллельными линиями, размеченными на его поверхности).В случае отражательной решетки гладкие поверхности между линиями действуют как узкие щели. Количество этих щелей или линий часто составляет 12 000 или более сантиметров (30 000 дюймов). Линия обычно выполняется тонким алмазным острием. Поскольку дифрагированный свет также рассеивается (спектр), эти решетки используются в дифракционных спектроскопах для получения и анализа спектров, а также для непосредственного измерения длин волн линий, появляющихся в определенных спектрах. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах используется для изучения атомной и молекулярной структуры этих кристаллов.Пучки частиц также могут демонстрировать дифракцию, поскольку, согласно квантовой теории, движущаяся частица также обладает определенными волнообразными свойствами. И электронная дифракция, и нейтронная дифракция играют важную роль в современных физических исследованиях. Звуковые волны и волны на воде также претерпевают дифракцию.

ПРИМЕНЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Дифракционные решетки имеют несколько применений.Некоторые из приложений включают:
1. СПЕКТРОМЕТРЫ (устройства, которые измеряют свойства света), МОНОХРОМАТОРЫ (устройства, которые передают только довольно узкие диапазоны длин волн ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО излучения, выбранные из источников, которые обеспечивают больший диапазон длин волн)
2. Это Применение также неизбежно в волоконно-оптической связи (если быть более конкретным, мультиплексирование с разделением по длине волны, которое позволяет разным длинам волн света передавать разные сигналы по одной нити оптического волокна).
3. Голограмму ( holos — целое: грамм — сообщение) можно представить как сложную дифракционную решетку. Запись голограммы включает смешение лазерного луча и несфокусированной дифракционной картины некоторого объекта. Чтобы восстановить изображение объекта (голография также известна как реконструкция волнового фронта), освещающий луч дифрагирует на плоских поверхностях внутри голограммы в соответствии с законом Брэгга, так что наблюдатель может просматривать изображение со всеми его трехмерными деталями. .
4. лазеры.
R ссылки
http://skuld.bmsc.washington.edu/~merritt/bc530/bragg/
http://www.microscopy.ethz.ch/bragg.htm
http : //www.tufts.edu/as/tampl/projects/micro_rs/theory.htm
http://zomobo.net/diffracted
http://science.jrank.org/pages/2063/Diffraction.html # ixzz2FDjBUAeX
http://skuld.bmsc.washington.edu/~merritt/bc530/bragg/
http://www.microscopy.ethz.ch/bragg.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Huygens-Fresnel_principle
Войдите, чтобы комментировать.
свет, огибающий объект
. Дифракция света свет огибает объект
Дифракция — это небольшое искривление света при его прохождении. край объекта.Степень изгиба зависит от относительный размер длины волны света к размеру открытие. Если отверстие намного больше длины волны света, изгиб будет практически незаметен. Однако если эти двое ближе по размеру или равно, величина изгиба значительна, и легко увидеть невооруженным глазом.
В атмосфере дифрагированный свет фактически изгибается вокруг атмосферного частицы — чаще всего атмосферные частицы представляют собой крошечные частицы воды. капли, обнаруженные в облаках.Дифрагированный свет может давать полосы света, темные или цветные полосы. Оптический эффект, возникающий в результате дифракции света — это серебряная подкладка, которую иногда можно найти по краям облаков. или короны, окружающие солнце или луну. На рисунке выше показано, как свет (от солнца или луны) огибает маленькие капельки в облако.
Оптические эффекты, возникающие в результате дифракции, возникают через интерференция световых волн. Чтобы визуализировать это, представьте световые волны как водные волны.Если бы водные волны падали на поплавок, на поверхности воды поплавок в ответ подпрыгивал вверх и вниз падающим волнам, создавая собственные волны. Как эти волны распространяются во все стороны от поплавка, они взаимодействуют с другие водные волны. Если гребни двух волн объединяются, усиливается волна (конструктивная интерференция). Однако если гребень одна волна и впадина другой волны объединяются, они гасят друг друга наружу, чтобы не было вертикального смещения (деструктивной интерференции).
Это понятие применимо и к световым волнам. Когда солнечный свет (или лунный свет) встречает облачную каплю, световые волны изменяются и взаимодействуют с друг друга аналогично волнам на воде, описанным выше. Если есть конструктивная интерференция, (гребни двух световых волн совмещения) свет будет ярче. Если есть деструктивный интерференция (впадина одной световой волны встречает гребень другой), свет станет темнее или полностью исчезнет.

Преломление
воздух, пыль, дымка
Дифракция (физика): определение, примеры и закономерности
Обновлено 28 декабря 2020 г.
Мередит Форе
Дифракция — это изгиб волн вокруг препятствий или углов. Это делают все волны, включая световые, звуковые и водяные. (Даже субатомные частицы, такие как нейтроны и электроны, которые, как утверждает квантовая механика, также ведут себя как волны, испытывают дифракцию.Обычно это видно, когда волна проходит через отверстие.
Величина изгиба зависит от относительного размера длины волны к размеру апертуры; чем ближе размер апертуры к длине волны, тем больше изгиб будет происходить.
Когда световые волны рассеиваются вокруг отверстия или препятствия, свет может мешать самому себе. Это создает дифракционную картину.
Звуковые волны и волны на воде
Размещение препятствий между человеком и источником звука может снизить интенсивность звука, который человек слышит, но человек все равно может его слышать.Это потому, что звук представляет собой волну и поэтому дифрагирует или изгибается вокруг углов и препятствий.
Если Фред находится в одной комнате, а Дайанна — в другой, когда Дайанна что-то кричит Фреду, он услышит это так, как если бы она кричала из дверного проема, независимо от того, где она находится в другой комнате. Это потому, что дверной проем действует как вторичный источник звуковых волн. Точно так же, если член аудитории на оркестровом представлении сидит за колонной, он все равно может прекрасно слышать оркестр; звук имеет достаточно длинную длину волны, чтобы огибать колонну (при условии, что она разумного размера).
Океанские волны также рассеиваются вокруг таких объектов, как пристань или углы бухт. Небольшие поверхностные волны также огибают препятствия, такие как лодки, и превращаются в фронты круговых волн при прохождении через небольшое отверстие.
Принцип Гюйгенса-Френеля
Каждую точку волнового фронта можно рассматривать как отдельный источник волны со скоростью, равной скорости волнового фронта. Вы можете представить край волны как линию точечных источников круговых всплесков.Эти круговые вейвлеты взаимно интерферируют в направлении, параллельном фронту волны; линия, касательная к каждому из этих круговых вейвлетов (которые, опять же, все движутся с одинаковой скоростью), представляет собой новый волновой фронт, свободный от интерференции других круговых вейвлетов. При таком подходе становится ясно, как и почему волны огибают препятствия или отверстия.
Кристиан Гюйгенс, голландский ученый, предложил эту идею в 1600-х годах, но она не совсем объясняла, как волны огибают препятствия и проходят сквозь отверстия.Французский ученый Огюстен-Жан Френель позже в 1800-х годах исправил свою теорию, допустив дифракцию. Затем этот принцип получил название принципа Гюйгенса-Френеля. Он работает для всех типов волн и даже может использоваться для объяснения отражения и преломления.
Интерференционные картины электромагнитных волн
Как и другие волны, световые волны могут интерферировать друг с другом и могут рассеиваться или изгибаться вокруг барьера или отверстия. Волна дифрагирует сильнее, когда ширина щели или отверстия ближе по размеру к длине волны света.Эта дифракция вызывает интерференционную картину — области, где волны складываются, и области, где волны нейтрализуют друг друга. Характер интерференции меняется в зависимости от длины волны света, размера отверстия и количества отверстий.
Когда световая волна встречает отверстие, каждый волновой фронт выступает с другой стороны отверстия в виде кругового волнового фронта. Если стена расположена напротив проема, дифракционная картина будет видна с другой стороны.
Дифракционная картина представляет собой картину конструктивной и деструктивной интерференции.Поскольку свету приходится преодолевать разные расстояния, чтобы попасть в разные точки на противоположной стене, будут возникать разности фаз, что приведет к появлению пятен яркого света и пятен отсутствия света.
Дифракционная картина с одной щелью
Если вы представите прямую линию от центра щели до стены, где эта линия касается стены, должно быть яркое пятно конструктивной интерференции.
Мы можем смоделировать свет от источника света, проходящего через щель, как линию из нескольких точечных источников по принципу Гюйгенса, излучающих вейвлеты.Два конкретных точечных источника, один на левом краю щели, а другой на правом краю, пройдут одинаковое расстояние, чтобы добраться до центральной точки на стене, и поэтому будут синфазны и конструктивно интерферируют, создавая центральный максимум. Следующая точка слева и следующая точка справа также будут конструктивно вмешиваться в это место и так далее, создавая яркий максимум в центре.
Первое пятно, в котором возникнет деструктивная интерференция (также называемое первым минимумом), можно определить следующим образом: представьте себе свет, исходящий из точки на левом конце щели (точка A), и точку, исходящую из середины (точка Б).Если расстояние от каждого из этих источников до стены отличается на λ / 2, 3λ / 2 и так далее, то они будут разрушительно мешать, образуя темные полосы.
Если мы возьмем следующую точку слева и следующую точку справа от середины, разница в длине пути между этими двумя исходными точками и первыми двумя будет примерно одинакова, поэтому они также будут деструктивно мешать.
Этот шаблон повторяется для всех оставшихся пар точек: расстояние между точкой и стеной будет определять фазу этой волны, когда она ударяется о стену.Если разница в расстоянии до стены для двух точечных источников кратна λ / 2, эти вейвлеты будут точно в противофазе при ударе о стену, что приведет к пятну темноты.
Положения минимумов интенсивности также можно рассчитать с помощью уравнения
n \ lambda = a \ sin {\ theta}
, где n — ненулевое целое число, λ — это длина волны света, a — ширина апертуры, а θ — угол между центром апертуры и минимумом интенсивности.
Двойные щели и дифракционные решетки
Немного другую картину дифракции можно также получить, пропуская свет через две маленькие щели, разделенные расстоянием в эксперименте с двойной щелью. Здесь мы видим конструктивную интерференцию (яркие пятна) на стене каждый раз, когда разница в длине пути между светом, исходящим из двух щелей, кратна длине волны λ .
Разность хода между параллельными волнами от каждой щели составляет d sin θ , где d — расстояние между щелями.Чтобы прибыть синфазно и конструктивно интерферировать, эта разность хода должна быть кратной длине волны λ . Уравнение для положений максимумов интенсивности, следовательно, nλ = d sin θ , где n — любое целое число.
Обратите внимание на различия между этим уравнением и соответствующим уравнением для дифракции на одной щели: это уравнение предназначено для максимумов, а не минимумов, и в нем используется расстояние между щелями, а не ширина щели.Кроме того, в этом уравнении n может равняться нулю, что соответствует основному максимуму в центре дифракционной картины.
Этот эксперимент часто используется для определения длины волны падающего света. Если расстояние между центральным максимумом и соседним максимумом в дифракционной картине составляет x , а расстояние между поверхностью щели и стенкой составляет L , можно использовать приближение малых углов:
\ sin {\ theta} = \ frac {x} {L}
Подставив это в предыдущее уравнение с n = 1, получим:
\ lambda = \ frac {dx} {L}
Дифракционная решетка — это что-то с регулярной повторяющейся структурой, которая может рассеивать свет и создавать интерференционный узор.Одним из примеров является карта с несколькими прорезями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Разность хода между соседними прорезями такая же, как и в решетке с двумя прорезями, поэтому уравнение для поиска максимумов остается таким же, как и уравнение для определения длины волны падающего света. Количество щелей может резко изменить дифракционную картину.
Критерий Рэлея
Критерий Рэлея обычно считается пределом разрешения изображения или пределом способности различать два источника света как отдельные.Если критерий Рэлея не соблюден, два источника света будут выглядеть как один.
Уравнение для критерия Рэлея: θ = 1,22 λ / D , где θ — минимальный угол разделения между двумя источниками света (относительно дифракционной апертуры), λ — длина волны света, а D — ширина или диаметр апертуры. Если источники разделены меньшим углом, чем этот, они не могут быть разрешены.
Это проблема для любого устройства формирования изображений, в котором используется апертура, включая телескопы и камеры. Обратите внимание, что увеличение D приводит к уменьшению минимального угла разделения, то есть источники света могут быть ближе друг к другу и по-прежнему наблюдаться как два отдельных объекта. Вот почему астрономы за последние несколько столетий строили все больше и больше телескопов, чтобы видеть более подробные изображения Вселенной.
На дифракционной картине, когда источники света находятся под минимальным углом разделения, центральный максимум интенсивности от одного источника света точно соответствует первому минимуму интенсивности второго.Для меньших углов центральные максимумы перекрываются.
Дифракция в реальном мире
Компакт-диски представляют собой пример дифракционной решетки, которая не состоит из отверстий. Информация на компакт-дисках хранится в серии крошечных отражающих ямок на поверхности компакт-диска. Дифракционную картину можно увидеть, используя компакт-диск для отражения света на белой стене.
Рентгеновская дифракция или рентгеновская кристаллография — это процесс визуализации. Кристаллы имеют очень регулярную периодическую структуру, длина которой равна длине волны рентгеновского излучения.В рентгеновской кристаллографии рентгеновские лучи испускаются на кристаллизованном образце, и изучается полученная дифракционная картина. Регулярная структура кристалла позволяет интерпретировать дифракционную картину, давая представление о геометрии кристалла.
Рентгеновская кристаллография успешно используется для определения молекулярных структур биологических соединений. Биологические соединения помещают в перенасыщенный раствор, который затем кристаллизуется в структуру, содержащую большое количество молекул соединения, расположенных в симметричном, регулярном порядке.Наиболее известный метод рентгеновской кристаллографии был использован Розалиндой Франклин в 1950-х годах для открытия двойной спиральной структуры ДНК.
√ примеры дифракции света в повседневной жизни
Вот коллекция из 10 лучших примеров дифракции света. которые мы наблюдали в нашей повседневной жизни. В нашей повседневной жизни. мы наблюдаем множество природных явлений, происходящих на Земле. то, что мы можем понять, поверило в это, а то, чего мы не можем понять, мы удивим, вероятно, будет невероятным.но не на самом деле. у каждой естественной причины есть свои теории и законы.
Что ж, сегодня мы обсудим дифракцию света, которая является естественным явлением, которое происходит в нашей повседневной жизни, и которое мы легко наблюдаем. но прежде чем обсудить дифракцию света. мы должны понимать термин дифракция.
Что такое дифракция света?
Когда препятствие или отверстие находится на пути волны, волна огибает углы препятствия или отверстия. Такое изгибание волны вокруг углов препятствия или отверстия называется дифракцией.
Все волны демонстрируют явление дифракции. Эффекты дифракции возникают как с продольными, так и с поперечными волнами.
Дифракция света
Явление изгиба световой волны вокруг углов препятствия или апертуры называется дифракцией света .
Из-за изгиба света вокруг углов препятствия или проема свет отклоняется от своего прямолинейного пути и попадает в геометрическую тень препятствия.Искривление или дифракция света становится намного более выраженным, когда размер препятствия или апертуры сопоставим с длиной волны света. таким образом, чем меньше размер апертуры, тем больше отклонение света от углов препятствия или апертуры и наоборот.
Следует отметить следующие моменты, касающиеся дифракции света.
Дифракцию света заметить нелегко, потому что препятствия и апертуры имеют размер от длины волны света 10 до мощности -6.
В лучевой оптике мы игнорируем дифракцию и предполагаем, что свет распространяется по прямым линиям. это предположение является ответственным, потому что в обычных условиях дифракция света незначительна.
Чем меньше размер препятствия, тем больше свет отклоняется от углов и наоборот.
10 лучших примеров дифракции света в повседневной жизни.
Лазерный свет демонстрирует дифракцию при использовании лезвия
Кольцо вокруг Луны из-за дифракции на каплях воды
Дифракция света в телескопе
Дифракция света оптическим прибором
на CD или DVD диске
Дифракция света в измерительной шкале
Дифракция света в алмазном стекле
Дифракция света на небе после дождя
Дифракция света в книжной голограмме
Дифракция света для формирования тени от объекта
Дифракция за счет изгиба света на угловом крае объекта
Радуга образуется из-за дифракции
Чтобы понять эти примеры дифракции света более подробно подробно тогда читайте дальше.ниже приведены подробные объяснения всех примеров дифракции света.
Типы дифракции
Явление дифракции обычно делится на следующие два класса:
Дифракция Фраунгофера: — Этот тип дифракции имеет место на узкой щели, когда падают параллельные лучи света (или плоский волновой фронт). в теме. ясно, что и источник, и экран должны находиться на бесконечном расстоянии от узкой щели. Чтобы получить дифракцию Фраунгофера в лаборатории, мы используем переговорную линзу.
Примечание: — вы можете понять это на примере эксперимента Юнга с двойной щелью. Этот эксперимент показывает, как узкая щель преломляет световую волну или плоский волновой фронт, падает на экран и образует полосу ширины.
Дифракция Френеля: — Этот тип дифракции имеет место на узкой щели, когда на нее падают непараллельные лучи света. В этом случае источник света находится близко к щели, так что фронт волны может быть сферическим или цилиндрическим.экран также находится на конечном расстоянии от щели. Дифракцию Френеля довольно сложно рассматривать количественно.
Примеры дифракции света в повседневной жизни
В повседневной жизни мы наблюдаем множество природных явлений. например, образование радуги после сильного дождя, образование семи цветов при прохождении света через криволинейное стекло, свечение DVD-диска при просмотре под некоторым углом и т. д., но нам не так любопытно узнать, как происходит это явление. или в чем причина этого.Итак, сегодня мы обсудим такое природное явление, которое случается с нами в повседневной жизни, но мы игнорируем это.

1. лазерный луч демонстрирует дифракцию при использовании лезвия
В своей жизни каждый использовал лазерный свет. но знаете ли вы, что лазерный свет показывает дифракцию света после прохождения через два лезвия. Если лезвия расположены таким образом, что краевой зазор между лезвиями представляет собой узкую щель, то прохождение света через эту щель показывает дифракцию света.
Этот эксперимент аналогичен эксперименту Юнга с двойной щелью.Если вы не поняли этот эксперимент с лазерным светом, посмотрите видео ниже, и вы поймете.

2. Кольцо вокруг Луны из-за дифракции на каплях воды
Ежедневно на Земле и во Вселенной происходит множество природных явлений. некоторые из них наблюдаются человеком, некоторые нет. но нам не очень любопытно узнать причину этого явления. образование кольца вокруг Луны — одно из природных явлений. которые выглядят потрясающе.но как они бывают. Итак, давайте узнаем причину этого явления.
Кольцо вокруг Луны образуется из-за дифракции света. этот тип дифракции случается один раз в долгое время. это происходит так, как когда солнце, земля и луна идут по прямой линии, тогда луна покрывает все солнце на некоторое время и из-за дифракции света, исходящего от солнца, изгибается вокруг края луны, и при взгляде со стороны происходит образование колец. Земля.
3. Дифракция света телескопом
Телескоп показывает дифракцию света.когда мы видим какие-либо объекты из телескопа, телескоп формирует изображение объекта, которое мы видим в виде точечного источника, исходящего от объекта, и эти точечные источники собираются в фокальной плоскости телескопа. изображение этих точек создается интерференцией волн вокруг точки фокусировки. из-за дифракции света точечные источники создают различную интерференцию или дифракцию в изображении, сформированном в телескопе.
4. Дифракция света оптическим прибором
В оптическом приборе, таком как телескоп, микроскоп, линзы фотоаппаратов и т. Д.показывает дифракцию света. Объективы фотоаппаратов — лучшие примеры дифракции света в нашей повседневной жизни. мы легко можем наблюдать дифракционную картину в объективах фотоаппаратов. После просмотра линз камеры под некоторым углом при ярком солнечном свете можно легко заметить дифракцию света.
5. Дифракция света на CD или DVD диске
В повседневной жизни мы все должны видеть CD или DVD диски, а также играть с ними. но многие из нас не могут заметить ни одного физического явления, которое происходит на компакт-диске или DVD-диске.Если мы посмотрим на CD-диск под каким-то углом при ярком свете, то мы увидим радужный узор на полированной стороне DVD-диска. эта цветовая гамма возникает из-за дифракции света.
В компакт-диске или DVD-диске на полированной стороне диска имеется множество маленьких кусочков узкой микросхемы. этот узкий чип хранит данные. и состоит из тонких плоских блестящих листов. Когда луч света падает на эту часть диска, он выглядит как радуга. из-за дифракции света.
6.Дифракция света в шкале измерений
Каждый ученик в своей жизни должен использовать шкалу в детстве. Если мы заметим, что шкала рассеивает белый свет на семь цветов. многие ученики играют с ними и становятся счастливыми, когда видят радугу на своих весах. Я тоже с ними играюсь ».
Но какова причина того явления рассеяния света? нам должно быть любопытно узнать это, но мы этого не делаем.
Причина образования радуги на измерительной шкале связана с дифракцией света.(или преломление света). это происходит, когда луч белого света падает на край измерительной шкалы, тогда он рассеивает этот белый свет на семь цветов, и происходит образование радуги.
7. Дифракция света в алмазном стекле
алмазное стекло видел каждый в своей жизни. Стекло с алмазной огранкой используется в декоративных изделиях. Если мы увидим какие-либо декоративные предметы с алмазной огранкой на стекле, то мы заметим, что когда солнечный свет или другой источник света падает на стекло, он рассеивает свет в другую сторону и образует семь цветов, как радуга.
Но у всех есть сомнения, как это явление дифракции света происходит в алмазном стекле? так давайте разберемся. даже это очень просто. На нем работает тот же принцип, что и в стеклянной призме. мы знаем, что стеклянная призма рассеивает белый свет на семь цветов из-за дифракции света. Таким же образом белый свет преломляется в алмазном стекле.
8. Дифракция света на небе после дождя
В сезон дождей мы ждем, чтобы увидеть радугу.но как образуется радуга? самый простой вопрос, который задают многие. Итак, причина образования радуги связана с рассеянием белого света на семь цветов.
Радуга в некоторых случаях образуется из-за дифракции белого света в небе. это происходит так: в сезон дождей в небе присутствуют капли воды. Капли воды имеют форму сферических, и когда луч белого света падает на капли воды, он рассеивает свет в небе и образует радугу.
Часто задаваемые вопросы о примерах дифракции света в повседневной жизни
Какие примеры дифракции?
Дифракция света на книжной голограмме.
Дифракция света для образования тени от объекта.
Дифракция при изгибе света на угловом крае объекта.
Радуга образуется из-за дифракции.
Является ли радуга примером дифракции?
Фактическое значение дифракции — это интерференция световой волны, проходящей через щель и образующей полосу при падении на экран.Формирование радуги работает по принципу преломления света. Не дифракция света. Но в некоторых случаях за образование радуги отвечает дифракция света.
Какие два типа дифракции?
Явление дифракции обычно делится на следующие два класса:
Дифракция Фраунгофера: — Этот тип дифракции имеет место на узкой щели, когда на нее падают параллельные лучи света (или плоский волновой фронт).
Дифракция Френеля: — Этот тип дифракции имеет место на узкой щели, когда на нее падают непараллельные лучи света.
17.2 Приложения дифракции, интерференции и когерентности — физика
Задачи обучения секции
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
Объяснять поведение волн, включая отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и когерентность, и описывать приложения, основанные на этом поведении
Выполнение расчетов, связанных с приложениями, на основе волновых свойств света
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:
(7) Научные концепции.Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
(D) исследовать поведение волн, включая отражение, преломление, дифракцию, интерференцию, резонанс и эффект Доплера и
(F) описать роль волновых характеристик и поведения в медицинских и промышленных приложениях.
Раздел Основные термины
дифференциальный интерференционный контраст (ДИК) решетка дифракционная радужность лазер
монохроматор Критерий Рэлея разрешение
Волновые приложения света
Поддержка учителя
Поддержка учителя
[BL] Определите термины лазер, дифракционная решетка и разрешение .
[OL] Напомните учащимся о значении когерентного света с точки зрения волновых свойств. Попросите учащихся назвать примеры лазеров и дифракционных решеток. Предложите обычные, которые им не хватает, например лазеры, используемые в хирургии, в качестве указателей для чтения компакт-дисков, дифракционные решетки на поверхности компакт-дисков, радужные минералы, спину жуков и в спектроскопах.
[AL] Объясните, как для очень коротких длин волн (λ <10–12 м λ <10–12 м) предел разрешения связан с принципом неопределенности Гейзенберга.
Предупреждение о неправильном представлении
Идеальное разрешение невозможно. Всегда будет некоторое размытие изображений, независимо от размера апертуры или длины волны света, используемого для создания изображения.
В 1917 году Альберт Эйнштейн думал о фотонах и возбужденных атомах. Он рассмотрел атом, возбужденный определенным количеством энергии, и то, что произошло бы, если бы этот атом столкнулся с фотоном с таким же количеством энергии. Он предположил, что атом будет излучать фотон с таким количеством энергии, и он будет сопровождаться исходным фотоном.Интересно то, что у вас будет двух фотонов с той же энергией и , которые они будут в фазе. Эти фотоны могут продолжить удар по другим возбужденным атомам, и вскоре у вас будет поток синфазных фотонов. Такой световой поток называется когерентным . Примерно четыре десятилетия спустя идея Эйнштейна нашла применение в процессе, называемом усилением света путем вынужденного излучения излучения . Возьмите первые буквы всех слов (кроме , и «из») и напишите их по порядку.Вы получите слово , лазер, (см. Рис. 17.2 (а)), которое является названием устройства, излучающего такой луч света.
Лазерные лучи являются направленными, очень интенсивными и узкими (всего около 0,5 мм в диаметре). Эти свойства находят широкое применение в промышленности и медицине. Ниже приведены лишь несколько примеров:
Эта глава началась с изображения компакт-диска (см. Рисунок 17.1). Эти аудиоустройства и устройства хранения данных начали заменять кассеты в 1990-х годах.Компакт-диски читаются путем интерпретации вариаций отражения лазерного луча от поверхности.
В некоторых сканерах штрих-кода используется лазерный луч.
Лазеры используются в промышленности для резки стали и других металлов.
Лазеры отражаются от отражателей, оставленных космонавтами на Луне. Время, необходимое для того, чтобы свет совершил полный оборот, можно использовать для точных расчетов расстояния Земля-Луна.
Лазерные лучи используются для изготовления голограмм. Название голограмма означает целостное изображение (от греческого holo — , как в holistic ), потому что изображение является трехмерным.Зритель может перемещаться по изображению и видеть его с разных точек зрения. Голограммы используют волновые свойства света, в отличие от традиционной фотографии, основанной на геометрической оптике. Голографическое изображение создается за счет конструктивной и деструктивной интерференции разделенного лазерного луча.
Одним из преимуществ использования лазера в качестве хирургического инструмента является то, что он сопровождается очень небольшим кровотечением.
Лазерная хирургия глаза улучшила зрение многих людей без необходимости использования корректирующих линз.Лазерный луч используется для изменения формы хрусталика глаза, тем самым изменяя его фокусное расстояние.
Виртуальная физика
Лазеры
Эта анимация позволяет вам изучить работу лазера. Сначала посмотрите на изображение настоящего лазера. Измените энергию входящих фотонов и посмотрите, сможете ли вы сопоставить ее с уровнем возбуждения, который будет производить пары когерентных фотонов. Измените уровень возбуждения и попытайтесь согласовать его с энергией поступающего фотона.
В анимации только один возбужденный атом.Так ли обстоит дело с настоящим лазером? Объяснять.
Нет, в лазере было бы два возбужденных атома.
Нет, в лазере должно быть несколько миллионов возбужденных атомов.
Да, в лазере был бы только один возбужденный атом.
Нет, в лазере было бы порядка 10 ²³ возбужденных атомов.
Интересная вещь происходит, если пропускать свет через большое количество равномерно расположенных параллельных щелей. Такое расположение щелей называется дифракционной решеткой.Создается интерференционная картина, очень похожая на картину, образованную дифракцией на двух щелях (см. Рис. 17.8 и рис. 17.9). Дифракционная решетка может быть изготовлена путем царапания стекла острым инструментом с образованием ряда точно расположенных параллельных линий, которые действуют как щели. Дифракционные решетки работают как для пропускания света, как на рис. 17.13, так и для отражения света, как на крыльях бабочки или австралийском опале, показанном на рис. 17.14, или компакт-диске, изображенном на начальном рисунке этой главы.Помимо использования в качестве новинки, дифракционные решетки обычно используются для спектроскопической дисперсии и анализа света. Что делает их особенно полезными, так это то, что они образуют более резкий узор, чем двойные прорези. То есть их светлые области уже и ярче, а темные — темнее. На рис. 17.15 показаны идеализированные графики, демонстрирующие более резкую картину. В перьях некоторых птиц встречаются естественные дифракционные решетки. Крошечные, похожие на пальцы структуры в регулярных узорах действуют как отражающие решетки, создавая конструктивную интерференцию, которая дает цвет перьям не только из-за их пигментации.Эффект называется радужностью.
Рис. 17.13 Дифракционная решетка состоит из большого количества равномерно расположенных параллельных щелей. (а) Свет, проходящий через решетку, дифрагирует по схеме, подобной двойной щели, с яркими областями под разными углами. (б) Картина, полученная для белого света, падающего на решетку. Центральный максимум — белый, а максимумы более высокого порядка рассеивают белый свет на радугу цветов.
Рис. 17.14. (A) Этот австралийский опал и (b) крылья бабочки имеют ряды отражателей, которые действуют как отражающие решетки, отражая разные цвета под разными углами.(кредит: (a) Opals-On-Black.com, через Flickr (b) whologwhy, Flickr)
Рис. 17.15 Идеализированные графики интенсивности света, проходящего через двойную щель (a) и дифракционную решетку (b) для монохроматического света. Максимумы могут быть получены при тех же углах, но максимумы для дифракционной решетки более узкие и, следовательно, более резкие. Максимумы становятся более узкими, а области между ними темнеют по мере увеличения количества щелей.
Snap Lab
Дифракционная решетка
CD (компакт-диск) или DVD
Рулетка измерительная
Солнечный свет у белой стены
Инструкции
Процедура
Держите компакт-диск под прямыми солнечными лучами у стены и перемещайте его, пока на стене не появится круговой радужный узор.
Измерьте расстояние от компакт-диска до стены и расстояние от центра кругового узора до цвета радуги. Используйте эти два расстояния для вычисления tanθtanθ. Найдите sinθsinθ.
Найдите длину волны выбранного вами цвета. Это λλ.
Решите dsinθ = mλdsinθ = mλ для d .
Сравните ваш ответ с обычным интервалом между дорожками компакт-диска, который составляет 1600 нм (1,6 мкм).
Как узнать, какой номер использовать для м ?
Подсчитайте кольца радуги, предшествующие выбранному цвету.
Рассчитайте m по частоте света выбранного цвета.
Вычислите м из длины волны света выбранного цвета.
Значение м. фиксировано для каждого цвета.
Развлечение с физикой
CD-плееры
Вы видите бороздки на CD или DVD (см. Рис. 17.16)? Вы можете подумать, что можете, потому что знаете, что они есть, но они очень узкие — 1600 в миллиметре. Поскольку ширина канавок подобна длинам волн видимого света, они образуют дифракционную решетку.Вот почему вы видите радугу на компакт-диске. Цвета привлекательны, но они второстепенны для функций хранения и извлечения аудио и других данных.
Рис. 17.16 Для своего размера этот компакт-диск содержит удивительное количество информации. Точно так же проигрыватель компакт-дисков находится в удивительном количестве электронных устройств.
Канавки на самом деле представляют собой одну непрерывную канавку, которая идет по спирали наружу от центра. Данные записываются в канавки в виде двоичного кода (нули и единицы) в небольших углублениях.Информация в углублениях обнаруживается лазером, который отслеживает канавку. Это становится еще более сложным: скорость вращения должна изменяться по мере того, как лазер движется по окружности, чтобы линейная скорость вдоль канавки оставалась постоянной. Также имеется механизм коррекции ошибок, предотвращающий отклонение лазерного луча от траектории. Дифракционная решетка используется для создания первых двух максимумов по обе стороны от дорожки. Если эти максимумы находятся на разном расстоянии от трека, ошибка отображается и затем исправляется.
Ямки обладают отражающей способностью, поскольку покрыты тонким слоем алюминия. Это позволяет отражать лазерный луч обратно и направлять его на фотодиодный детектор. Затем сигнал может быть обработан и преобразован в звук, который мы слышим.
Наибольшая длина волны видимого света составляет около 780 нм. Как это соотносится с расстоянием между канавками компакт-диска?
Длина волн примерно в 3 раза больше длины волны видимого света.
Длина волн примерно в 2 раза больше длины волны видимого света.
Канавки примерно в 2 раза длиннее самой короткой волны видимого света.
Канавки примерно в 3 раза длиннее самой короткой волны видимого света.
Ссылки на физику
Биология: DIC Microscopy
Если бы вы были полностью прозрачными, вас было бы трудно узнать по фотографии. Та же проблема возникает при использовании традиционного микроскопа для просмотра или фотографирования небольших прозрачных объектов, таких как клетки и микробы. Микроскопы, использующие дифференциальный интерференционный контраст (ДИК), решают эту проблему, позволяя рассматривать микроскопические объекты с повышенным контрастом, как показано на рисунке 17.17.
Рис. 17.17 Этот водный организм был сфотографирован с помощью ДИК-микроскопа. (кредит: Публичная научная библиотека)
Микроскоп DIC разделяет поляризованный источник света на два луча, поляризованных под прямым углом друг к другу и когерентных друг с другом, то есть синфазных. После прохождения через образец лучи рекомбинируются и выравниваются так, чтобы они имели одну и ту же плоскость поляризации. Затем они создают интерференционную картину, вызванную различиями в их оптическом пути и показателях преломления частей образца, через которые они прошли.В результате получается изображение с контрастом и затемнением, которое невозможно наблюдать с помощью традиционной оптики.
Где используются дифракционные решетки? Дифракционные решетки являются ключевыми компонентами монохроматоров — устройств, которые разделяют различные длины волн падающего света и пропускают луч только с определенной длиной волны. Монохроматоры используются, например, для получения оптических изображений определенных длин волн из биологических или медицинских образцов. Дифракционная решетка может быть выбрана для специального анализа длины волны света, излучаемого молекулами в пораженных клетках в образце биопсии, или для помощи в возбуждении стратегических молекул в образце с выбранной частотой света.Другое важное применение — это технологии оптического волокна, где волокна предназначены для обеспечения оптимальных характеристик на определенных длинах волн. Доступен ряд дифракционных решеток для выбора конкретных длин волн для такого использования.
Дифракционные решетки используются в спектроскопах для разделения источника света на составляющие его длины волн. Когда материал нагревается до накала, он испускает световые волны с длиной волны, характерной для химического состава материала. Чистое вещество дает уникальный спектр, что позволяет идентифицировать вещество.Спектроскопы также используются для измерения длин волн как короче, так и длиннее видимого света. Такие инструменты стали особенно полезны астрономам и химикам. На рисунке 17.18 показана схема спектроскопа.
Рисунок 17.18 На схеме показана функция дифракционной решетки в спектроскопе.
Свет дифрагирует при движении в пространстве, огибая препятствия и создавая конструктивные и деструктивные помехи. Хотя дифракция позволяет использовать свет как спектроскопический инструмент, она также ограничивает детализацию, которую мы можем получить на изображениях.
На рис. 17.19 (а) показан эффект прохождения света через маленькую круглую апертуру. Вместо яркого пятна с острыми краями получается пятно с нечетким краем, окруженное кругами света. Эта картина вызвана дифракцией, аналогичной той, что создается одной щелью. Свет из разных частей круглой апертуры мешает конструктивно и деструктивно. Эффект наиболее заметен, когда диафрагма маленькая, но эффект есть и для больших диафрагм.
Рисунок 17.19 (a) Монохроматический свет, прошедший через маленькую круглую апертуру, дает эту дифракционную картину. (b) Два точечных источника света, которые расположены близко друг к другу, создают перекрывающиеся изображения из-за дифракции. (c) Если они расположены ближе друг к другу, их нельзя разрешить, то есть различить.
Как дифракция влияет на детали, которые можно наблюдать, когда свет проходит через апертуру? На рисунке 17.19 (b) показана дифракционная картина, создаваемая двумя точечными источниками света, расположенными близко друг к другу.Картина похожа на картину для одиночного точечного источника, и едва ли можно сказать, что есть два источника света, а не один. Если они расположены ближе друг к другу, как на рис. 17.19 (c), вы не сможете их различить, тем самым ограничивая детализацию или разрешение, которое вы можете получить. Этот предел — неизбежное следствие волновой природы света.
Во многих ситуациях дифракция ограничивает разрешение. Острота зрения ограничена, потому что свет проходит через зрачок, круглое отверстие глаза.Имейте в виду, что дифракционное распространение света происходит из-за ограниченного диаметра светового луча, а не из-за взаимодействия с апертурой. Таким образом, свет, проходящий через линзу диаметром D , демонстрирует эффект дифракции и распространяется, размывая изображение, точно так же, как свет, проходящий через апертуру диаметром D . Дифракция ограничивает разрешение любой системы, имеющей линзу или зеркало. Телескопы также ограничены дифракцией из-за конечного диаметра их главного зеркала D .
Почему в спектроскопах используются дифракционные решетки, а не две щели?
Полосы, создаваемые дифракционными решетками, тусклее, но резче, чем полосы, создаваемые двумя щелями.
Полосы дифракционных решеток ярче, хотя и менее резкие, чем полосы двух щелей.
Полосы дифракционных решеток ярче и резче, чем полосы двух щелей.
Полосы, образованные дифракционными решетками, более тусклые и менее резкие, но более рассредоточенные, чем полосы, образованные двумя щелями.
Расчеты с использованием дифракционных решеток и разрешения
Поддержка учителей
Поддержка учителей
[BL] Изучите методы решения проблем: определите известные и неизвестные. Преобразуйте измерения одного и того же свойства в одинаковые единицы измерения. Выберите уравнение и при необходимости измените его, чтобы найти неизвестное.
[OL] Просмотрите значение арксинуса в частности и обратных тригонометрических функций в целом. Объясните радиан как единицу измерения углов и соотнесите их с градусами.
В начале этой главы упоминалось, что когда свет переходит из одной среды в другую, его скорость и длина волны изменяются, но его частота остается постоянной. Уравнение
показывает, как длина волны в данной среде λnλn связана с длиной волны в вакууме λλ и показателем преломления n среды.Уравнение полезно для расчета изменения длины волны монохроматического лазерного луча в различных средах. Анализ дифракционной решетки очень похож на анализ двойной щели. Как вы знаете из обсуждения двойных щелей в эксперименте Юнга с двумя щелями, свет преломляется и распространяется после прохождения через каждую щель. Лучи распространяются под углом θθ относительно направления падения. Каждый луч проходит разное расстояние до общей точки на далеком экране. Лучи начинаются в фазе, и они могут быть в фазе или не в фазе, когда достигают экрана, в зависимости от разницы в пройденных длинах пути.Каждый луч проходит расстояние, которое отличается на dsinθdsinθ от расстояния его соседа, где d — это расстояние между прорезями. Если dsinθdsinθ равно целому числу длин волн, все лучи приходят синфазно, и получается конструктивная интерференция (максимум). Таким образом, условие получения конструктивной интерференции для дифракционной решетки составляет
dsinθ = mλ, для m = 0,1, −1,2, −2,…, dsinθ = mλ, для m = 0,1, −1,2, −2,…,
, где d — расстояние между прорезями в решетке, λλ — длина волны света, а м — это порядок максимума.Обратите внимание, что это точно такое же уравнение, как для двух щелей, разделенных расстоянием d . Однако в дифракционных решетках щели обычно ближе, чем в двойных, что дает меньше максимумов при больших углах.
Watch Physics
Дифракционная решетка
В этом видео объясняется геометрия дифракционной картины, создаваемой дифракционной решеткой.
Уравнение, определяющее точки конструктивной интерференции, создаваемой дифракционной решеткой, имеет вид d \ sin \ theta = m \ lambda.Почему это уравнение кажется знакомым?
Это то же самое, что уравнение деструктивной интерференции для двухщелевой дифракционной картины.
Это то же самое, что уравнение для конструктивной интерференции для двухщелевой дифракционной картины.
Это то же самое, что уравнение для конструктивной интерференции для дифракционной картины с одной щелью.
Это то же самое, что уравнение деструктивной интерференции для дифракционной картины с одной щелью.
Каков предел разрешения диафрагмы или объектива? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим дифракционную картину для круглой апертуры, которая, как и дифракционная картина света, проходящего через щель, имеет центральный максимум, который шире и ярче окружающих его максимумов (см. Рисунок 17.19 (а)). . Можно показать, что для круглой апертуры диаметром D первый минимум на дифракционной картине происходит при θ = 1,22λ / Dθ = 1,22λ / D, при условии, что апертура велика по сравнению с длиной волны света, что характерно для большинства оптических инструментов.Принятый критерий определения дифракционного предела разрешающей способности на основе дифракции был разработан лордом Рэлеем в 19 веке. Критерий Рэлея для дифракционного предела разрешающей способности утверждает, что два изображения разрешимы, когда центр дифракционной картины одного находится непосредственно над первым минимумом дифракционной картины другого. См. Рисунок 17.20 (b). Первый минимум находится под углом θ = 1,22λ / Dθ = 1,22λ / D, так что два точечных объекта разрешимы, если они разделены углом
.
, где λλ — длина волны света (или другого электромагнитного излучения), а D — диаметр апертуры, линзы, зеркала и т. Д., с которой наблюдаются два объекта. В приведенном выше выражении θθ имеет единицы радиан.
Рис. 17.20 (a) График интенсивности дифракционной картины для круглой апертуры. Обратите внимание, что, как и в случае одиночной щели, центральный максимум шире и ярче, чем боковые. (b) Два точечных объекта создают перекрывающиеся дифракционные картины. Здесь показан критерий Рэлея их разрешимости. Центральный максимум одного паттерна лежит на первом минимуме другого.
Snap Lab
Разрешение
Лист белой бумаги
Черная ручка или карандаш
Рулетка измерительная
Инструкции
Процедура
Нарисуйте две линии на расстоянии нескольких мм друг от друга на белом листе бумаги.
Отойдите от листа, удерживаемого вертикально, и измерьте расстояние, на котором вы можете просто различить (разрешить) линии как отдельные.
Используйте θ = 1,22λDθ = 1,22λD, чтобы вычислить D диаметра зрачка.Используйте расстояние между линиями и максимальное расстояние, на котором они были разрешены, чтобы вычислить θθ. В качестве значения λλ используйте среднюю длину волны видимого света.
Сравните ваш ответ со средним диаметром зрачка 3 мм.
Опишите разрешение в терминах минимумов и максимумов дифракционных картин.
Предел разрешения — это когда минимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над первым минимумом шаблона для другой линии.
Предел разрешения — это когда максимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над первым минимумом шаблона для другой линии.
Предел разрешения — это когда максимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над вторым минимумом шаблона для другой линии.
Предел разрешения — это когда минимум шаблона для одной из линий находится непосредственно над вторым максимумом шаблона для другой линии.
Рабочий пример
Изменение длины волны
Монохроматический лазерный луч зеленого света с длиной волны 550 нм проходит из воздуха в воду. Показатель преломления воды 1,33. Какой будет длина волны света после того, как он войдет в воду?
Стратегия
Вы можете предположить, что показатель преломления воздуха такой же, как и у света в вакууме, потому что они так близки. После этого у вас есть вся информация, необходимая для решения λnλn.
Решение
λn = λn = 550 нм 1,33 = 414 нм λn = λn = 550 нм 1,33 = 414 нм
17,5
Обсуждение
Показатель преломления воздуха равен 1.0003, поэтому приближение справедливо для трех значащих цифр. Однако вы не увидите изменения цвета света. Цвет определяется частотой, а не длиной волны.
Рабочий пример
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка имеет 2000 линий на сантиметр. Под каким углом сформируется максимум первого порядка для зеленого света с длиной волны 520 нм?
Стратегия
Вам дано достаточно информации, чтобы вычислить d , и вам даны значения λλ и м .Вам нужно будет найти арксин числа, чтобы найти θθ.
Решение
Сначала найдите d .
d = 1 см2,000 = 5,00 × 10-4 см = 5,000 нм d = 1 см2,000 = 5,00 × 10-4 см = 5,000 нм
17,6
Перепишите уравнение для условий конструктивной интерференции для дифракционной решетки и подставьте известные значения.
dsinθ = mλθ = sin − 1mλd = sin − 1 ((1) (520) 5,000) = 5,97dsinθ = mλθ = sin − 1mλd = sin − 1 ((1) (520) 5,000) = 5,97
Обсуждение
Этот угол кажется разумным для первого максимума.Напомним, что значение sin ^‒1 (или arcsin) — это угол с синусом, равный (неизвестному) . Помните, что значение sinθsinθ не будет больше 1 для любого значения θθ.
Рабочий пример
Разрешение
Каков минимальный угловой разброс луча гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм и первоначальным диаметром 1,00 мм?
Стратегия
Диаметр луча такой же, как если бы он проходил через отверстие такого размера, поэтому D = 1.00 мм. Вам дано λλ, и вы должны найти θθ.
Решение
θ = (1,22) λD = (1,22) (633 нм) 1,00 × 106 нм = 7,72 × 10–4 рад = 0,0442 ° θ = (1,22) λD = (1,22) (633 нм) 1,00 × 106 нм = 7,72 × 10 −4 рад = 0,0442 °
17,7
Обсуждение
Коэффициент преобразования радианов в градусы равен 1.000 радиан = 57,3 °. Разброс очень мал и не будет заметен на коротких расстояниях. Угол представляет собой угловое разделение центрального максимума и первого минимума.
Практические задачи
6.
Луч желтого света имеет длину волны 600 нм в вакууме и длину волны 397 нм в оргстекле. Какой показатель преломления у оргстекла?
1,51
2,61
3,02
3,77
7.
Каков угол между двумя только что разрешенными точками света для зрачка диаметром 3,00 мм при средней длине волны 550 нм?
224 рад
183 рад
1.83 × 10 ^–4 рад
2,24 × 10 ^–4 рад
Проверьте свое понимание
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с какой-то конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.
8.
Чем интерференционная картина, образованная дифракционной решеткой, отличается от картины, образованной двойной щелью?
Узор красочный.
Узор блеклый.
Рисунок более резкий.
Узор изогнутый.
9.
Луч света всегда распространяется. Почему нельзя создать луч с параллельными лучами, чтобы предотвратить распространение?
Свет всегда поляризован.
Свет всегда отражается.
Свет всегда преломляется.
Свет всегда дифрагирует.
10.
Сравните интерференционные картины, образованные двойной щелью и дифракционной решеткой, с точки зрения яркости и узости полос.
Образующийся узор имеет более широкие и яркие полосы.
Сформированный паттерн имеет более широкие и более тусклые полосы.
Сформированный узор имеет более узкие и более тусклые полосы.
Образующийся узор имеет более узкие и более яркие полосы.
11.
Опишите щели в дифракционной решетке с точки зрения количества и расстояния по сравнению с дифракционной установкой с двумя щелями.
Щели в дифракционной решетке шире, и расстояние между ними больше, чем расстояние между двумя щелями при дифракции с двумя щелями.
Щели в дифракционной решетке шире, а расстояние между ними такое же, как расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.
Щели в дифракционной решетке более узкие, а расстояние между ними такое же, как расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.
Щели в дифракционной решетке более узкие, а расстояние между ними больше, чем расстояние между двумя щелями при двухщелевой дифракции.
Дифракция — основы, применение — апертура, свет, узор и волны
5 минут на чтение
Основы, приложения
Дифракция — это отклонение от прямой траектории, которое возникает, когда волна, такая как свет или звук, проходит вокруг препятствия или сквозь отверстие.Важность дифракции в любой конкретной ситуации зависит от относительного размера препятствия или отверстия и длины волны, падающей на него. Дифракционная решетка — важное устройство, которое использует дифракцию света для получения спектров. Дифракция также играет фундаментальную роль в других приложениях, таких как рентгеноструктурные исследования кристаллов и голография.

Все волны подвержены дифракции, когда сталкиваются с препятствием на своем пути.Рассмотрим тень флагштока, отбрасываемую Sun на землю. С расстояния затемненная зона тени создает впечатление, что свет, идущий по прямой от Солнца, был заблокирован полюсом. Но внимательное наблюдение за краем тени покажет, что переход от темного к светлому не является резким. Вместо этого есть серая область по краю, которая была создана светом, который был «изогнут» или дифрагировал на стороне полюса.
Когда источник волн, например электрическая лампочка, посылает луч через отверстие или апертуру, на экране, помещенном за апертурой, появляется дифракционная картина.Дифракционная картина будет выглядеть примерно как апертура (щель, круг , квадрат ), но она будет окружена некоторыми дифрагированными волнами, которые придают ей «нечеткий» вид.
Если и источник, и экран находятся далеко от апертуры, степень «нечеткости» определяется длиной волны источника и размером апертуры. При большой апертуре большая часть луча будет проходить прямо сквозь нее, и только края апертуры будут вызывать дифракцию, и нечеткость будет меньше.«Но если размер апертуры сравним с длиной волны, дифракционная картина будет расширяться. Например, открытое окно может вызвать дифракцию звуковых волн на большие углы.
Дифракция Френеля относится к случаю, когда источник или экран находятся близко к апертуре. Когда и источник, и экран находятся далеко от апертуры, используется термин дифракция фраунгофера. В качестве примера последнего рассмотрим звездный свет, попадающий в телескоп .Дифракционная картина круглого зеркала телескопа или линзы известна как диск Эйри, который виден как яркий центральный диск в середине ряда более тусклых колец. Это означает, что изображение звезды всегда будет расширяться за счет дифракции. Когда оптические инструменты, такие как телескопы, не имеют дефектов, самая большая деталь, которую они могут наблюдать, называется дифракционно ограниченной.

Дифракционные решетки
Дифракция света была умно использована для создания одного из важнейших инструментов науки — дифракционной решетки.Вместо одного отверстия в материале протравливается большое количество тонких щелей или канавок — до 25 000 на дюйм. При изготовлении этих чувствительных устройств важно, чтобы канавки были параллельны , равномерно разнесены и имели одинаковую ширину.
Дифракционная решетка преобразует падающий луч света в спектр . Это происходит потому, что каждая бороздка решетки дифрагирует луч, но поскольку все бороздки параллельны, расположены на равном расстоянии и имеют одинаковую ширину, дифрагированные волны смешиваются или конструктивно интерферируют, так что различные компоненты можно рассматривать по отдельности.Спектры, создаваемые дифракционными решетками, чрезвычайно полезны в приложениях, от изучения структуры атомов и молекул до исследования состава звезд.
Дифракция рентгеновских лучей
Рентгеновские лучи — это световые волны с очень короткой длиной волны. Когда они облучают твердый материал, кристалл , , они дифрагируют на атомах кристалла. Но поскольку кристаллы состоят из атомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, можно использовать полученные дифракционные картины для определения местоположения и расстояний между атомами.Простые кристаллы, состоящие из равноотстоящих плоскостей атомов, дифрагируют рентгеновские лучи в соответствии с законом Брэгга. В текущих исследованиях с использованием дифракции рентгеновских лучей используется инструмент, называемый дифрактометром, для получения дифракционных картин, которые можно сравнить с картинами известных кристаллов для определения структуры новых материалов.

Голография
Когда два луча лазера смешиваются под углом на поверхности фотопластинки или другого записывающего материала, они создают интерференционный узор из чередующихся темных и ярких линий.Поскольку линии идеально параллельны, равномерно разнесены и имеют одинаковую ширину, этот процесс используется для производства высококачественных голографических дифракционных решеток. Фактически, любую голограмму ( голограммы, — всего: грамма, — сообщение) можно представить как сложную дифракционную решетку. Запись голограммы включает смешение лазерного луча и несфокусированной дифракционной картины некоторого объекта. Чтобы восстановить изображение объекта (голография также известна как реконструкция волнового фронта), освещающий луч дифрагирует на плоскости и поверхностях внутри голограммы в соответствии с законом Брэгга, так что наблюдатель может видеть изображение со всеми его тремя элементами.
No related posts.

дифференциальный интерференционный контраст (ДИК)	решетка дифракционная	радужность	лазер
монохроматор	Критерий Рэлея	разрешение