Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Там он обнаружил чередующиеся темные и светлые полосы, интерференционные полосы , образование которых характерно для волн. В центре имеется светлая белая полоса, а по бокам от нее — темные полосы, дальше светлые и темные полосы чередуются, но при удалении от центра полосы оказываются окрашенными.

Если пользоваться светом одного цвета [163], для которого характерна одна длина волны, то можно отчетливо увидеть много светлых и темных полос. Пути, проходимые волнами от обеих щелей до центральной светлой полосы, одинаковы, расстояния же до других полос различаются. В тех случаях, когда разность хода волн равна λ или 2 λ и т. д., т. е. целому числу длин волн, наблюдается светлая полоса, свет + свет = более яркий свет . В тех местах, для которых разность хода волн равна 1/ 2 λ или 1 1/ 2 λ и т. д. (вообще на половину длины волны больше целого числа длин волн), наблюдается темная полоса — в этих местах свет + свет = отсутствие света . Это явление называется «интерференцией»; на самом же деле это сложение двух волн с противоположными смещениями, которое в сумме дает нуль.

Если проделывать описанный опыт с источниками света разных цветов, то получится различное расстояние между полосами: при красном свете расстояние будет больше, чем при зеленом, а при зеленом — больше, чем при синем, что свидетельствует о разнице в длине волны. Поэтому если пользоваться белым светом, то при удалении от центра полосы становятся неясными из-за наложения друг на друга полос различных цветов.

Вам следует посмотреть эти «полосы Юнга», которые служат доказательством волновой природы света и свидетельствуют об очень малой длине световых волн. (Потом вы узнаете, что такое «фотоэлектрический эффект», который доказывает, что свет — это не волны, распространяющиеся во все стороны, а поток частиц. Этот парадокс будет рассматриваться в конце курса.)

Опыт 2. Приближенное измерение длин волн света .Возьмите в качестве источника света электрическую лампочку с прямой нитью накала. В нескольких метрах от лампочки поместите две щели, параллельные нити накала. Расположитесь в нескольких метрах за щелями и наблюдайте интерференционные полосы через кусок матового стекла или матированного целлулоида. (Наблюдать полосы спереди на белом экране трудно, так как они могут быть слишком слабыми; с помощью прозрачного экрана увидеть их значительно легче.) Чтобы изготовить щели, достаточно процарапать две линии на зачерненной фотопластинке или на серебряной подложке старого зеркала. Линии должны располагаться одна от другой на расстоянии примерно 0,5 мм или еще ближе.

Измерьте примерно расстояние между светлыми полосами и вычислите λ . (Если опыт производится с белым светом, то этот результат будет представлять собой очень грубую оценку средней длины волны.)

Помещенный между источником и щелями зеленый фильтр позволяет увидеть больше полос и получить более точную оценку для зеленого света. Однако цель этого опыта — иллюстрация принципа, а не достижение точности в измерении.

Воспользуйтесь рисунком, представленным на фиг. 282, где дана геометрия опыта.

Фиг. 282. Схема образования интерференционных полос.

Если центральная полоса находится в точке Р , а ближайшая светлая полоса — в точка Q , то разность хода S 1 Q — S 2 Q должна быть равна λ . Проведем отрезок S 2 M перпендикулярно к TQ . Тогда S 1 M — это разность хода λ . Учитывая, что расстояния велики, а углы малы, можно считать треугольник S 1 S 2 M практически подобным треугольнику PQT . Тогда из подобия этих треугольников имеем

λ/ S 1 S 2= PQ/ TQ

Следовательно,

λ= ( S 1 S 2)∙ PQ/ TQ

λ= (РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ЩЕЛЯМИ)∙(РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ПОЛОСАМИ) / РАССТОЯНИЕ ОТ ЩЕЛЕЙ ДО ПОЛОС

Интерференция волн на поверхности воды

Посмотрите на волны, возбуждаемые в мелком резервуаре колеблющимся камертоном, ножки которого представляют собой два источника, излучающих волны в одинаковой фазе. Вы заметите, что в определенных направлениях распространяются усиленные волны — «яркие полосы», между которыми расположены области слабо возмущенной воды. Полоса усиленных волн представляет собой гиперболу, для точек которой (например, для точки х на фиг. 283, в ) справедливы уравнения:

S 1 X— S 2 X= λ для одной гиперболы,

= 2 λдля следующей

и т. д.

Фиг. 283. Интерференционные полосы в среде.

Дифракционные решетки: спектры

Возьмем теперь не две, а большое число параллельных щелей, расположенных на равных расстояниях одна от другой. Таким способом мы при получении дифракционных картин пропускаем больше света, и сама картина оказывается более четкой. Чтобы получить более широкую дифракционную картину, расстояние между щелями делают меньше (скажем, 1/ 300мм вместо 1 мм демонстрации интерференционных полос).

Такая система щелей называется дифракционной решеткой .

Изготовляют такие решетки нанесением штрихов на стеклянную пластинку с помощью алмаза с острым концом. Для нанесения штрихов используют очень точную делительную машину, соблюдающую равные интервалы между штрихами. Промежутки между штрихами играют роль прозрачных щелей.

Если направить на такую стеклянную дифракционную решетку пучок белого света, интерференционные полосы разбрасываются настолько, что по обеим сторонам от узкой центральной белой полосы становятся видны широкие цветные полосы ( спектры ), с помощью линзы свет, идущий в определенном направлении, собирают и получают изображение исходного источника — щели.

В монохроматическом свете изображение источника представляет собой резко очерченную узкую полосу, а в белом свете множество таких изображений при наложении даст широкий спектр.

Первый слева и справа спектр (спектр «первого порядка») создают волны, которые от каждой щели проходят на λ больше (или меньше), чем волны от соседней щели. В следующую спектральную полосу (спектр «второго порядка») приходят волны, у которых путь от двух соседних щелей отличается на 2 λ . При этом, конечно, все приходящие волны данного света согласуются по фазе (фиг. 284).

Фиг. 284. Дифракционная решетка.