Дифракционные картины от различных препятствий

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Ф.М. ДОСТОЕВСКОГО

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Учебно-методическое пособие по курсам «Оптика» и «Общий физический практикум»

Омск

2019

Рецензенты:

К.ф.-м.н. Н.А. Давлеткильдеев (КНИОРП ОНЦ СО РАН)

К.ф.-м.н., Г.М. Серопян ФГБОУ ВО ОмГУ им. Ф.М. Достоевского)

 

Дифракция света: учебно-методическое пособие по курсам «Оптика и «Общий физический практикум»/ авт.: Б.Т. Байсова, Л.В. Баранова.– Омск: изд-во Ом.гос.ун-та, 2019.–38 с.

 

 

В пособии представлены краткие теоретические сведения по разделу волновой оптики «Дифракция света», обеспечивающие выполнение цикла лабораторных работ. Пособие также включает в себя лабораторный практикум и представляет собой самостоятельное руководство к лабораторным занятиям для студентов физического факультета. Практикум содержит описание выполнения трех лабораторных работ по курсам «Оптика» и «Общий физический практикум».

Предназначено для обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 03.03.02 «Физика», 03.03.03 «Радиофизика». 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………5

ГЛАВА 1. Основные теоретические сведения……………………...…………..6

1.1. Дифракция света……………………………………………………..…….…6

1.2. Дифракционные картины от различных препятствий…………...…………7

1.3. Принцип Гюйгенса-Френеля……………………………………………...….8

1.3.1. Математическая формулировка принципа Гюйгенса-Френеля…………………………………………………………………9

1.4. Зоны Френеля…………………………………………………..…………....10

1.4.1. Определение положений максимумов и минимумов методом зон Френеля..................................................................................................11

1.4.2. Дифракция Френеля на круглом отверстии……………..…….……12

1.5. Дифракция Френеля на диске………………………………..…….………13

1.6. Дифракция Фраунгофера на одной щели…………………..…………..…14

1.7. Дифракционная решетка……………………………………………….…..16

1.8. Дифракционная решетка как спектральный прибор……………………..18

1.9. Критерий Рэлея……………………………………………………………..20

1.10. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов…21

1.11. Рассеяние света. Закон Релея………………………………………………22

ГЛАВА 2. Лабораторный практикум…………..……………………………....24

2.1. Изучение дифракции Фраунгофера от щели и дифракционной решетки……………………………………………………………………………...24

2.2. Определение периода и угловой дисперсии дифракционных решеток….28

2.3. Исследование дифракции Френеля на круглом отверстии………….……32

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..………………..…38

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью настоящего учебно-методического пособия является ознакомление студентов с основными теоретическими сведениями по теме «Дифракция света» с последующим закреплением теории на практике при выполнении цикла лабораторных работ.

Пособие способствует формированию у студентов практических навыков работы на оптическом оборудовании с возможностью наглядного наблюдения изучаемых явлений с последующим оформлением результатов эксперимента.   

В первой главе изложены краткие теоретические сведения. В представленном теоретическом материале рассмотрены основные условия наблюдения дифракции света, описана дифракция Френеля (на круглом отверстии и на диске) и дифракция Фраунгофера (на щели и дифракционной решетке), расчет дифракционной картины с помощью принципа Гюйгенса-Френеля, а также описаны характеристики дифракционной решетки как спектрального прибора. Во второй главе представлен лабораторный практикум, включающий три работы: «Изучение дифракции Фраунгофера от щели и дифракционной решетки», «Определение периода и угловой дисперсии дифракционных решеток», «Исследование дифракции Френеля на круглом отверстии». По каждой работе представлены методические указания о порядке ее выполнения, описание лабораторных установок, а также перечень контрольных вопросов и список рекомендуемой литературы.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Оптикойназывается раздел физики, занимающийся изучением оптического излучения (света), процессов его распространения и явлений, наблюдаемых при взаимодействии света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле – электродинамики. В волновой оптике рассматриваются оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия).

Настоящий лабораторный практикум посвящен ознакомлению с явлением дифракции света.

Дифракция света

При распространении электромагнитной волны в однородной среде геометрическая форма фронта волны не испытывает изменения. Если же волна распространяется в неоднородной среде или  на пути световой волны находятся непрозрачные тела или экраны с отверстиями, то за этими телами образуется область тени. Эту область можно очертить геометрически, зная, что свет распространяется прямолинейно и световые лучи есть прямые линии. Наблюдение показывает, что световые волны заходят в область геометрической тени, причём на границе между областями света и тени появляются чередующиеся максимумы и минимумы света, свидетельствующие о некотором перераспределении световой энергии на этой границе. Это явление огибания световыми волнами границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям называется дифракцией (от лат. difractus - преломленный).

 

Рис.1. Огибание волнами препятствий.

 

Под дифракцией понимается любое отклонение света от прямолинейного распространения, если только оно не может быть объяснено как отражение, преломление или изгибание лучей в оптически неоднородных средах.

Дифракция наблюдается всегда, когда изменение амплитуды или фазы волны неодинаково по всей поверхности волнового фронта.

Дифракция света определяет границы применимости геометрической оптики. Если - длина волны, - размеры препятствия, - расстояние от препятствия до точки наблюдения, то различают следующие ситуации:  

-геометрическая оптика

- дифракция Френеля           (1)

-дифракция Фраунгофера

Дифракционные картины от различных препятствий

Из-за того, что длина световой волны очень мала, угол отклонения света от направления прямолинейного распространения невелик. Поэтому для отчетливого наблюдения дифракции нужно либо использовать очень маленькие препятствия, либо же располагать экран далеко от препятствий. При расстоянии между препятствием и экраном порядка метра размеры препятствии не должны превышать сотых долей миллиметра. Если же расстояние до экрана достигает сотен метров или нескольких километров, то дифракцию можно наблюдать на препятствиях размером в несколько сантиметров и даже метров.

На рис. 2 показано, как выглядят на фотографиях дифракционные картины от различных препятствий.

Рис. 2 Дифракционные картины от различных препятствий: а – от тонкой проволоки; б– от круглого отверстия; в– от круглого экрана

Вместо тени от проволочки видна группа светлых и темных полос; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами (изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами); в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.