Vlnové vlastnosti světla - interference

Prezentace na téma: "Vlnové vlastnosti světla - interference"— Transkript prezentace:

1 Vlnové vlastnosti světla - interference
Vlnové vlastnosti světla Ing. Jakub Ulmann

2 Vlnové vlastnosti světla – interference
Vlnová optika se zabývá jevy, které nelze vysvětlit či popsat pomocí paprskové optiky. Vlnová povaha nějakého jevu se nejčastěji dokazuje interferencí – skládáním vlnění z více zdrojů. Nejlépe je skládání vlnění vidět na vodní hladině (mechanické vlnění). Video - The Original Double Slit Experiment: od 4:30 minuty

3 Stejně se chovají i jiné druhy vlnění.
Interference spočívá v tom, že vlnění, která přicházejí do určitého bodu z různých zdrojů, se v daném bodě vzájemně skládají. U vlnění na vodní hladině se sčítají okamžité výchylky kmitajícího pružného prostředí. Kmitání, které vznikne v daném bodě díky prvnímu zdroji vlnění, se sečte s kmitáním ve stejném bodě zapříčiněném druhým zdrojem. Skládání kmitání o stejné frekvenci. ni_kmitani_1&l=cz Stejně se chovají i jiné druhy vlnění.

4 Samostatná práce s PC Kdo přispěl k objasnění, že světlo je vlnění. Ve kterém roce a jak se jmenoval pokus, kterým to potvrdil? Skládání kmitání o stejné frekvenci. Skládání kmitání. Najděte vysvětlení, co je Huygensův princip šíření vlnění a popište jej pomocí obrázků v několika krocích. Huygensův princip.

5 Př. 1: Modré vlnění (zdroj 1) a červené (zdroj 2) mají stejnou vlnovou délku i výchylku. Jaká vlna vzniká v zachyceném okamžiku v bodech 1, 2 a 3? Plná čára představuje vrchol, čárkovaná prohlubeň. 1 2 3 Z1 Z2

6 1 2 3 Z1 Bod 1: Setkávají se zde dva vrcholy ⇒ vznikne vrchol s dvojnásobnou výškou. Bod 2: Setkává se zde vrchol od zdroje Z1 a prohlubeň od zdroje Z2⇒ vznikne místo s nulovou výchylkou. Bod 3: Setkávají se zde dvě prohlubně ⇒ vznikne místo s dvojnásobnou hloubkou. Z2

7 Časový průběh výchylky bodu 1 vidíme v tomto grafu:
Maxima a minima se střídají a nastávají pouze v určitých místech prostoru. Časový průběh výchylky bodu 1 vidíme v tomto grafu: Výsledné vlnění je označeno zelenou barvou. Bod 3 začíná prohlubní, ale pak vystupuje do maxima… Výchylka bodu 2 je celou dobu nulová. y t y t y t

8 Tento jev však při použití běžných zdrojů světla nepozorujeme.
Při skládání zvukového vlnění někdy pozorujeme zesilování a zeslabování zvuku v různých místech prostoru. Problém je, že málokdy skládáme zvuky o stejné frekvenci, jako v předchozím příkladu. Skládání kmitání. &l=cz Projevem interference světla očekáváme jeho různou intenzitu v různých částech prostoru. Pokud je světlo vlnění, tak by se při rozsvícení 2 žárovek měla objevit interference - světlejší a tmavší místa apod. Tento jev však při použití běžných zdrojů světla nepozorujeme. Některé projevy interference světla ale známe.

9

10 Což je ale málo vzhledem k frekvenci světla 1014 Hz!
U žárovek interferenci nepozorujeme neboť frekvence zdrojů nejsou stejné. Interference nastává např krát za s, to je 105 Hz. Což je ale málo vzhledem k frekvenci světla 1014 Hz! Pozorovatelné jevy interference si vysvětlíme na konci této prezentace. Interference (skládání) světla je jev, při němž se nejvýrazněji projevují vlnové vlastnosti světla. Vlnové vlastnosti se projevují při velikosti překážek srovnatelné s vlnovou délkou. Pro pochopení šíření vlnění je potřeba pochopit Huygensův princip šíření vlnění. Např. v tomto videu:

11 Dvojštěrbinový experiment
Interference je jev, pomocí kterého se dokazuje vlnová povaha fyzikálního jevu. Pokud dojde k interferenci, je vlnová povaha jevu potvrzena. K objasnění interference světla přispěl hlavně anglický fyzik Thomas Young ( ), který důsledně vycházel z představy, že světlo je vlnění. The Original Double Slit Exp.

12 Interferenci světla známe od Youngova pokusu z roku 1801.
V následujícím videu si nejprve ukážeme, jaký je rozdíl, když dvěma štěrbinami prochází proud částic nebo vlnění. (první 2 minuty)

13 Pokud by se světlo chovalo jako proud částic, dostali bychom na stínítku tento průběh intenzity světla. Pokud se chová jako vlnění, budou se skládat vlny jako u mechanického vlnění.

14 Youngův pokus Do zatemnělé místnosti přicházelo sluneční světlo úzkou štěrbinou. Svazkem světelných paprsků osvětlil Young dvojici štěrbin v malé vzájemné vzdálenosti (mm).

15 Otvor Z má vlastnost bodového zdroje, světlo se z něho šíří všemi směry a dopadá na dvojici štěrbin Z1 a Z2. Interferenční obrazec vzniká na stínítku S, umístěném v dostatečné vzdálenosti od štěrbin (m), na které dopadá světlo z obou štěrbin s dráhovým rozdílem Δl = l2 – l1.

16 Obrazec na stínítku Youngova pokusu vykazuje jednoznačně znaky interference.

17 Použijeme-li monochromatické světlo (např
Použijeme-li monochromatické světlo (např. červené), pak dostaneme mnohem jednodušší obraz. Všechna maxima mají stejnou barvu (jsou opět červená), interferenční minima jsou černá. erence&l=cz&zoom=0

18 Dvojštěrbinový experiment v současnosti. Co je světlo. https://www
Dvojštěrbinový experiment v současnosti. Co je světlo? 8 minut

19 Pozorovatelná interference světla
Duhové barvy na mýdlové bláně či vrstvičce oleje na vodě. Pozorovatelná interference světla nastává, jsou-li světelná vlnění tzv. koherentní. Koherentní jsou světelná vlnění stejné frekvence, jejichž vzájemný fázový rozdíl v uvažovaném bodě se s časem nemění.

20 Interference světla na tenké vrstvě
Při dopadu světla na tenkou vrstvu materiálu nastává odraz světla na horním a dolním rozhraní vrstvy s okolním prostředím a může dojít ke skládání téhož světla po dvou odrazech.

21 Nejprve paprsková optika:
Paprsky 1 a 2 jsou koherentní. rozhraní 1 rozhraní 2 Světlo se odrazí na obou rozhraních vrstvy. Paprsky 1 a 2 pocházejí ze stejného zdroje – mají stejnou frekvenci a stálý dráhový (také fázový) rozdíl.

22 Odraz mechanického vlnění
pevný konec - dochází k odrazu vlnění s opačnou fází, tj. dospěl-li k pevnému konci nejdříve vrch a pak důl vlny, po odrazu je situace opačná - jako první se vrací důl a pak vrch vlny, volný konec - dochází k odrazu se stejnou fází, tj. dospěje-li k volnému konci nejdříve vrch a pak důl vlny, po odrazu se pohybuje vrch a důl ve stejném pořadí - tj. nejdříve se vrací vrch a pak důl vlny.

23 Princip interference na tenké vrstvě v odraženém světle:
Podobně rozlišujeme odraz světla při přechodu světla z řidšího prostředí do hustšího a naopak. Princip interference na tenké vrstvě v odraženém světle: Pokud by vznikl tento fázový posun, dostaneme složením interferenční minimum. odraz na prvním rozhraní odraz na druhém rozhraní odražené světlo

24 Vzhled obrazce Vzhled interferenčního obrazce závisí na vlnové délce použitého světla, tloušťce vrstvy a úhlu pohledu. Použijeme-li monochromatické světlo (např. červené), pak všechna maxima mají stejnou barvu (jsou opět červená), interferenční minima jsou černá. Jestliže použijeme světlo složené (např. bílé světlo), pak jsou interferenční maxima duhově zbarvená, minima jsou opět černá.

25 Použití interference světla:
1. měření vlnové délky světla (Newtonova skla), Na skleněnou desku položíme ploskovypuklou čočku s velkým poloměrem křivosti. Mezi nimi je vzduchová mezera s proměnlivou tloušťkou. Svítíme na čočku bílým světlem a vzniká interference.

26 Obrazci říkáme Newtonovy kroužky.
Pokud změříme poloměr kroužku určíte barvy, můžeme vypočítat její vlnovou délku a frekvenci.

27 2. kontrola rovinných a kulových ploch
Na kontrolované těleso přiložíme přesně vyrobený kalibr. Na vzduchové vrstvě mezi nimi vznikne interferenční obraz. Podle rozložení proužků usuzujeme odchylku tvaru. Menší počet a širší obrazce znamená, že výrobek je přesnější. Např. při kontrole vybroušených čoček

28 3. protiodrazové (antireflexní) vrstvy
U skleněných čoček se odráží min. 5% dopadajícího světla. U jednotlivé čočky to není velký problém, ale u objektivu sestaveného z 12 částí projde pouze 54% světla (0,9512 = 0,54). To znamená prodloužení expoziční doby na dvojnásobek.

29 Tomu lze zabránit tím, že se vnější plocha čoček potáhne tenkou vrstvou, na které dojde k interferenci s minimem v odraženém a s maximem v procházejícím světle. Př. 2: Viditelné světlo se skládá z různých barev s různou vlnovou délkou ⇒ každá barva vyžaduje jinou tloušťku vrstvy. Jakou barvu antireflexní vrstvy potlačují? Tloušťka vrstvy je optimalizována tak, aby zeslabila odraz střední části spektra (zelená, žlutá), na kterou je lidské oko nejcitlivější. V odraženém světle tyto barvy chybí. ⇒ Objektivy vypadají zepředu modrofialově.

30 4. metalíza Některé barvy, které se nanášejí na karoserii automobilů, vytvářejí na karoserii tenkou vrstvu. Díky interferenci světla, které se odráží na této tenké vrstvě se zdá, že automobil při jízdě kolem nás mění barvu.