W budowie
Interferencja światła, doświadczenie Younga, bańki mydlane i powłoki antyrefleksyjne

Moduł 15 — Interferencja światła: tęczowe bańki mydlane i doświadczenie Younga — kurs Optyka (kurs podstawowy)

Moduł 15 kursu Optyka: Zjawisko interferencji fal, warunki wzmocnienia i wygaszenia, doświadczenie Thomasa Younga na dwóch szczelinach, interferencja w cienkich warstwach (bańki mydlane, plamy oleju) oraz powłoki antyrefleksyjne (AR).

  • 45 min
  • 19 slajdów
  • Notatki nauczyciela: N
  • Strona modułu: otwórz
Plan · 45 min

Co dziś robimy

  1. 5 minCzego nauczysz się w tym module? Zdefiniujesz zjawisko interferencji fal oraz sformułujesz matematyczne warunki maksimum…
  2. 5 min1. Czym jest interferencja? Zasada superpozycji Interferencja to zjawisko nakładania się dwóch lub więcej fal spójnych, w wyniku którego…
  3. 5 min2. Doświadczenie Thomasa Younga (1801 r.) — koronny dowód falowości Światło z pojedynczego małego otworku pada na nieprzezroczystą przesłonę z dwiema bardzo…
  4. 5 min3. Tęczowe bańki mydlane — interferencja w cienkich warstwach Fala 1 (odbita od powierzchni zewnętrznej): Część padającego światła białego odbija się…
  5. 5 min4. Warstwy antyrefleksyjne (powłoki AR) Grubość tej warstewki dobiera się tak, aby była równa dokładnie jednej czwartej długości…
  6. 5 min5. Przykłady obliczeniowe krok po kroku Krok 1: Zastosowanie wzoru na odstęp prążków $\Delta x$.
  7. 5 min6. Interaktywny symulator interferencji światła teza, kod i pytanie kontrolne
  8. 6 min7. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe Gdy układ oświetlono światłem czerwonym o długości fali $\lambda = 650\text{ nm}$…
  9. 5 minPodsumowanie bilet wyjściowy i zadanie domowe
Atom 1 z 9 · ~5 min

Czego nauczysz się w tym module?

Gdy dwie cząstki materii zderzają się ze sobą, odbijają się jak kule bilardowe. Gdy jednak spotykają się dwie fale, dzieje się coś magicznego: ich drgania mogą się dodać, dając falę o podwójnej sile, albo odjąć, znosząc się do zera! W 1801…

  • Zdefiniujesz zjawisko interferencji fal oraz sformułujesz matematyczne warunki maksimum (wzmocnienia) i minimum (wygaszenia) fal.
  • Zrozumiesz pojęcie fal spójnych (koherentnych) i wyjaśnisz, dlaczego dwie zwykłe żarówki nie tworzą prążków interferencyjnych.
  • Przeanalizujesz historyczne doświadczenie Thomasa Younga z dwiema szczelinami oraz zastosujesz wzór na odległość między prążkami: $\Delta x = \frac{\lambda \cdot L}{d}$.
  • Wyjaśnisz mechanizm powstawania wirujących barw na cienkich błonkach mydlanych i plamach oleju na mokrym asfalcie.
Sprawdzenie · atom 1 · ~2 min

Pytanie do klasy

Czym jest interferencja fal?

Atom 2 z 9 · ~5 min

1. Czym jest interferencja? Zasada superpozycji

Gdy dwie fale spotykają się w tym samym punkcie przestrzeni, ich zaburzenia nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji : wypadkowe wychylenie (natężenie pola elektrycznego $\vec{E}$) jest sumą wychyleń obu fal składowych.

  • Interferencja to zjawisko nakładania się dwóch lub więcej fal spójnych, w wyniku którego w przestrzeni powstaje trwały rozkład maksimów (miejsc wzmocnienia fali) i…
  • Zachodzi, gdy fale spotykają się w fazie : grzbiet fali nakłada się na grzbiet drugiej fali (a dolina na dolinę).
  • Wychylenia dodają się, dając falę o podwójnej amplitudzie!
  • Różnica dróg jest całkowitą wielokrotnością długości fali .
Dlaczego dwie żarówki lub latarki nie tworzą prążków interferencyjnych?
Aby powstał trwały, widoczny dla oka obraz interferencyjny, fale muszą być spójne (koherentne) — muszą mieć tę samą długość fali $\lambda$ oraz stałą w czasie różnicę faz. Zwykłe źródła światła (żarówki, świece) emitują światło w postaci miliardów chaotycznych, niezależnych błysków (pociągów falowych o czasie trwania zaledwie nanosekund) pochodzących z różnych atomów. Ich fazy zmieniają się miliardy razy na sekundę, zamazując wszelkie prążki w jednolite oświetlenie.
Sprawdzenie · atom 2 · ~2 min

Pytanie do klasy

Czym jest interferencja fal?

Atom 3 z 9 · ~5 min

2. Doświadczenie Thomasa Younga (1801 r.) — koronny dowód falowości

W 1801 roku angielski polihistor Thomas Young znalazł genialny sposób na uzyskanie dwóch idealnie spójnych źródeł światła. Zamiast używać dwóch oddzielnych lamp, rozszczepił falę z jednego źródła !

  • Światło z pojedynczego małego otworku pada na nieprzezroczystą przesłonę z dwiema bardzo bliskimi, równoległymi szczelinami $S_1$ i $S_2$ , oddalonymi od siebie o…
  • Zgodnie z zasadą Huygensa (Moduł 14) obie szczeliny stają się źródłami nowych fal kolistych. Ponieważ są zasilane tą samą falą pierwotną, fale wychodzące z $S_1$ i $S_2$…
  • Fale rozchodzą się za szczelinami, nakładają na siebie i padają na odległy ekran w odległości $L$.
  • W samym środku ekranu ($x = 0$) drogi z obu szczelin są identyczne ($r_1 = r_2 \implies \Delta r = 0$). Fale spotykają się w fazie — powstaje bardzo jasny prążek…
Sprawdzenie · atom 3 · ~2 min

Pytanie do klasy

Po co w doświadczeniu Younga umieszczono pojedynczą szczelinę przed przesłoną z dwiema szczelinami?

Atom 4 z 9 · ~5 min

3. Tęczowe bańki mydlane — interferencja w cienkich warstwach

Wszyscy znamy bajeczny widok baniek mydlanych unoszących się w powietrzu lub tęczowych plam benzyny na mokrej jezdni. Ani woda z mydłem, ani benzyna nie zawierają kolorowych barwników — są bezbarwne lub żółtawe.

  • Fala 1 (odbita od powierzchni zewnętrznej): Część padającego światła białego odbija się natychmiast od przedniej granicy powietrze–błonka.
  • Fala 2 (odbita od powierzchni wewnętrznej): Druga część światła wnika w głąb błonki, przebywa drogę tam i z powrotem ($2d$), odbija się od tylnej granicy…
  • Nałożenie w oku obserwatora: Obie odbite fale biegną w tym samym kierunku i interferują ze sobą w oku!
  • Dlaczego bańka jest wielobarwna i kolory wirują?
Dlaczego pękająca bańka robi się czarna?
Gdy bańka mydlana jest już bardzo stara i woda niemal całkowicie spłynie, w jej najwyższym punkcie grubość błonki spada do zaledwie kilku nanometrów ($d \ll \lambda$). Wtedy różnica dróg wynosi prawie zero. Jednak przy odbiciu od powierzchni zewnętrznej (od ośrodka gęstszego) następuje skok fazy fali o $\pi$ (o pół fali $\lambda/2$). W rezultacie fale odbite od przedniej i tylnej ścianki spotykają się w przeciwfazie i wygaszają wszystkie barwy widzialne! Na szczycie bańki pojawia się doskonale czarna plamka (tzw. czarna plama Newtona) — to znak, że za ułamek sekundy bańka pęknie!
Sprawdzenie · atom 4 · ~2 min

Pytanie do klasy

Skąd biorą się tęczowe barwy na bańce mydlanej?

Atom 5 z 9 · ~5 min

4. Warstwy antyrefleksyjne (powłoki AR)

Zjawisko destruktywnej interferencji w cienkich warstwach to nie tylko ciekawostka przyrodnicza — to fundament współczesnej inżynierii optycznej. Gdy światło pada na zwykłe czyste szkło okularowe, około $4\text{--}5\%$ energii odbija się…

  • Grubość tej warstewki dobiera się tak, aby była równa dokładnie jednej czwartej długości fali w warstwie :
  • Promień odbity od tylnej granicy warstewki przebywa w niej drogę $2 \cdot d_{\text{AR}} = 2 \cdot \frac{\lambda}{4n} = \frac{\lambda}{2n}$ (pół długości fali w warstwie…
  • Obie odbite fale całkowicie się wygaszają , a cała energia światła bezstratnie przenika przez soczewkę do oka!
  • Dlaczego szkła z antyrefleksem mienią się na zielono lub fioletowo?
Sprawdzenie · atom 5 · ~2 min

Pytanie do klasy

Jaką grubość powinna mieć powłoka antyrefleksyjna o współczynniku załamania $n$?

Atom 6 z 9 · ~5 min

5. Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Treść: W doświadczeniu Younga dwie szczeliny oddalone są od siebie o $d = 0{,}2\text{ mm} = 2 \cdot 10^{-4}\text{ m}$. Ekran znajduje się w odległości $L = 1{,}8\text{ m}$ za szczelinami.

  • Krok 1: Zastosowanie wzoru na odstęp prążków $\Delta x$.
  • $$\Delta x = \frac{\lambda \cdot L}{d} = \frac{5{,}32 \cdot 10^{-7}\text{ m} \cdot 1{,}8\text{ m}}{2 \cdot 10^{-4}\text{ m}} = \frac{9{,}576 \cdot 10^{-7}}{2 \cdot…
  • Krok 2: Położenie prążka trzeciego rzędu ($k = 3$).
  • $$x_3 = 3 \cdot \Delta x = 3 \cdot 4{,}788\text{ mm} \approx 14{,}36\text{ mm} \approx 1{,}44\text{ cm}$$
Sprawdzenie · atom 6 · ~2 min

Pytanie do klasy

W doświadczeniu Younga $d = 0{,}2\text{ mm}$, $L = 1{,}8\text{ m}$, a $\lambda = 532\text{ nm}$. Jaki jest odstęp sąsiednich jasnych prążków?

Symulacja · atom 7 · ~3 min

6. Interaktywny symulator interferencji światła

Sprawdzenie · atom 7 · ~2 min

Pytanie do klasy

W symulatorze doświadczenia Younga zwiększasz rozstaw szczelin $d$. Co dzieje się z prążkami na ekranie?

Atom 8 z 9 · ~6 min

7. Ćwiczenia praktyczne i obliczeniowe

W doświadczeniu Younga odległość między szczelinami wynosi $d = 0{,}25\text{ mm} = 2{,}5 \cdot 10^{-4}\text{ m}$, a ekran znajduje się w odległości $L = 2{,}0\text{ m}$.

  • Gdy układ oświetlono światłem czerwonym o długości fali $\lambda = 650\text{ nm}$, odległość między sąsiednimi prążkami wynosiła $\Delta x_{\text{cz}}$.
  • Jak zmieni się odległość między prążkami (zwiększy się czy zmniejszy), jeśli czerwony laser zastąpimy fioletowym ($\lambda = 400\text{ nm}$)? Oblicz nową odległość…
  • Dla światła czerwonego ($\lambda = 650\text{ nm} = 6{,}5 \cdot 10^{-7}\text{ m}$): $$\Delta x_{\text{cz}} = \frac{6{,}5 \cdot 10^{-7}\text{ m} \cdot 2{,}0\text{…
  • Dla światła fioletowego ($\lambda = 400\text{ nm} = 4{,}0 \cdot 10^{-7}\text{ m}$): $$\Delta x_{\text{f}} = \frac{4{,}0 \cdot 10^{-7}\text{ m} \cdot 2{,}0\text{…
Sprawdzenie · atom 8 · ~2 min

Pytanie do klasy

W doświadczeniu Younga $d = 0{,}25\text{ mm}$, $L = 2{,}0\text{ m}$, a światło ma $\lambda = 650\text{ nm}$. Jaki jest odstęp prążków?

Zamknięcie · ~2 min

Co zabrać z lekcji

  • Zdefiniujesz zjawisko interferencji fal oraz sformułujesz matematyczne warunki maksimum (wzmocnienia) i minimum (wygaszenia) fal.
  • Interferencja to zjawisko nakładania się dwóch lub więcej fal spójnych, w wyniku którego w przestrzeni powstaje trwały rozkład maksimów (miejsc wzmocnienia…
  • Światło z pojedynczego małego otworku pada na nieprzezroczystą przesłonę z dwiema bardzo bliskimi, równoległymi szczelinami $S_1$ i $S_2$ , oddalonymi od…
  • Fala 1 (odbita od powierzchni zewnętrznej): Część padającego światła białego odbija się natychmiast od przedniej granicy powietrze–błonka.
Bilet wyjściowy: Błonka mydlana o $n = 1{,}33$ ma grubość $200\text{ nm}$. Która barwa widzialna ulega wygaszeniu w świetle odbitym?
Odpowiedź: a) Zielona o długości fali około $532\text{ nm}$
Hyżyk· Moduł 15 — Interferencja światła: tęczowe bańki mydlane i do moduł 1 / 1