Жарықтың интерференциясы. Жарықтың дифракциясы - Физика, 11 сынып, 25 - сабақ

Сабақтың мақсаты:

1. Білімділік мақсаты: Оқушы білімін, іскерлігін, дағды деңгейін бақылау, бағалау. Жарықтың интерференция және дифракция құбылыстарын түсіндіріп солар жайлы түсінік қалыптастыру.
2. Дамытушылық мақсаты: Оқушылардың білім деңгейін және білім мазмұнының тұрақтылығы мен оны игерудегі іскерлік пен дағдыны бақылау.
3. Тәрбиелік мақсаты: Адамгершілікке, ұқыптылыққа, алғырлыққа, отансүйгіштікке, табиғатты аялауға, сыйластық пен әдептілікке баулу.

Сабақтың түрі:жаңа білімді қалыптастыру, жалпылау
Сабақтың әдіс-тәсілдері:  Әңгіме, лекция, дискуссия, кітаппен жұмыс.
Сабақтың көрнекіліктері: плакаттар, суреттер, 

Сабақтың барысы:

І. ДК. Ұйымдастыру кезеңі:  Сәлемдесу; Оқушыларды түгендеу; Оқушылардың назарын сабаққа аудару.
ІІ. ДК. Үй тапсырмасын тексеру, қайталау.
А) теориялық білімдерін тексеру. Ә) практикалық тапсырмаларын тексеру. Б) есептерін тексеру.
ІІІ.ДК Білімді жан-жақты тексеру./ ІV. ДК. Жаңа материалды қабылдауға әзірлік, мақсат қою.   
Бүгінгі негізгі мақсатымыз оқулық бойынша жарықтардың интерференция және дифракциясымен танысамыз.

1. Қандай қозғалыс толқындық қозғалыс деп аталады?
2. Толқын дегеніміз не?
3. Толқындық қозғалыстың негізгі ерекшелігі неде?
4. Толқындық бет жөнінде не білесіңдер?
5. Фазалық жылдамдық дегеніміз не?
6. Қандай құбылысты интерференция дейміз?
7. Қандай толқындар когеренттік деп аталады?
8. Қандай құбылысты дифракция дейміз?
9. Неліктен далаға қарағанда бос бөлмеде дыбыс қатты шығады?

V. ДК.Жаңа материалды меңгерту: Жұқа қабықшалардағы интерференция
Жарық интерференциясын тіпті ертеде бақылаған, бірақ оған ешбір мән берілмеген.
       Бала кездеріңде сабын көпіршіктерін ұшырып ойнағаңда, сондай-ақ керосиннің не мұнайдың су бетінде қалқыған жұқа қабықшасының кемпірқосақ түсті болып құбылғанын байқалғанда интерференциялық көріністерді талай рет көрдіңдер. "Ауада шарқ ұрған сабын көпіршігі, айналадағы түрлі нәрселердің барлық, түстерімен боялып құбылады. Сабын көпіршіктері табиғаттың ең бір керемет тамаша нәрсесі" (Марк Твен). Сабын көпіршігін осындай таң қаларлық етіп отырған осы жарық интерференциясы.
Ағылшын ғалымы Томас Юнг тұңғыш рет, біреуі жұқа қабықшаның сыртқы бетінен, екіншісі ішкі бетінен шағылған 1 мен 2 толқындарды қосу арқылы, оның түстерін түсіңдіру мүмкіндігі жөнінде данышпан ойға келді. Осы толқыңдардың біреуі (1) қабықшаның сыртқы бетінен, ал екіншісі (2) ішкі бетінен шағылады. 

1- сурет

Сонда жарық толқындарының интерференциясы - екі толқынның қосылуы пайда болады. Соның салдарынан кеңістіктің әр түрлі нүктесінде қорытқы жарық, тербелістерінің күшеюінің не бәсеңдеуінің уақыт жөнінен орнықты көрінісі байқалады. Интерференция нәтижесі (қорытқы тербелістердің күшеюі немесе бәсеңдеуі) жарықтың қабықшаға түсу бұрышына, қабықшаның қалындығына және толқынның ұзындығына тәуелді. Егер сынған 2 толқын шағылған 1 толқыннан толқындар ұзындығының бүтін санына қалып қойса, ондай жағдайда жарық күшейеді. Егер екінші толқын біріншіден толқындар ұзындығының жартысына немесе жарты толқынның тақ санына қалып қойса, онда жарық бәсендейді.

          Қабықшаның сыртқы және ішкі беттерінен шағылған толқындардың когеренттігі, олардың екеуінің де бір жарық шоғының бөліктері болуымен қамтамасыз етіледі. Әрбір сәуле шығарушы атомнан шықкан толқындар цугасын қабықша екіге бөледі, содан соң осы бөліктер бірігеді де интерференцияланады.

       Сондай-ақ, Юнг жарық түстеріндегі айырмашылық жарық толқын ұзындығындағы (немесе жарық толқындарының жиілігіндегі) айырмашылыққа байланысты болатыньш түсінді. Әр түсті жарық шоқтарына ұзыңдығы әр түрлі толқындар сәйкес келеді. Бір-бірінен ұзындығы өзгеше болатын толқындар (түсу бұрыштары бірдей деп үйғарылады) бірін-бірі күшейтуі үшін қабықшалардың әр түрлі қалыңдығы керек. Демек, егер қабықшалардың қалындығы бірдей болмаса, онда қабықша ақ жарықпен жарықталғанда түрлі түстер шығуы тиіс.

Ньютон сақиналары. 
Жай интерференциялық көрініс шыны пластина мен оның үстіне қойылған сфералық беттің қисықтық радиусы үлкен жазық-дөңес линзасының арасындағы жұқа ауа қабатында шығады. Бұл интерференциялық көрініс Ньютон сақиналары деп аталған концентрлі сақиналар түрінде болып келеді.         
Сфералық бетінің қисықтығы аз жазық-дөңес линза алыңдар да, оны шыны пластинаның үстіне, жоғарыда көрсетілгендей етіп қойындар. Линзаның жазық бетіне (дұрысы, лупа арқылы) зер салып қарасандар, линза мен пластинаның түйіскен жерінде күңгірт дақ және оның айналасынан кемпірқосақ түстес кішкене сақиналар жиынтығын байқайсындар. Сақиналардың радиусы артқан сайын, көршілес сақиналардың ара қашықтықтары тез кеми береді. Ньютон сақиналары деген осы. Ньютон оларды тек ақ жарыққа ғана емес, линзаны бір түсті (монохромат) шоқпен жарықтандыра отырып та, өту мұқият бақылады және зерттеді. Реттік нөмірлері бірдей сақиналардың радиустары, спектрдің күлгін ұшынан қызыл ұшына өте кезіңде үлкейе береді, максимал радиус қызыл сақиналарда болады. Бұлардың барлығын өздерің бақылау арқылы тексерулеріңе болады. Сақиналар неге пайда болатынын Ньютон жеткілікті түрде түсіндіре алмады. Оны Юнг түсіндірді. Біз оның пайымдауларына назар салып көрейік. Оңда жарық дегеніміз - толқындар деген болжамды негіз етіп алған. Ұзындығы белгілі толқын жазық-дөңес линзаға перпендикуляр дерлік түскен жағдайды қарастырайық (2-сурет). 1 толқын шыны - ауа шекарасында линзаның дөңес бетінен, ал 2 толқын ауа   шыны шекарасыңда пластинадан шағылу нәтижесінде пайда болады. Бұл толқыңдар когерентгі, олардың ұзындықтары бірдей жөне фазалар айырымы тұрақты, ол 1 толқынға қарағанда 2 толқынның ұзақ жол жүретінінен келіп туады. Егер екінші толқын бірінші толқыннан толқыңдар ұзындығының бүтін санына қалып қойса, онда толқындар қосылып, бірін-бірі күшейтеді. Олар туғызатын тербелістер бірдей фазада болып өтеді.
Керісінше, егер екінші толқын бірінші толқыннан жарты толқындардың тақ санына қалып қойса, онда олар туғызатын тербелістер қарамақарсы фазаларда болады да, толқындар бірін-бірі өшіреді.

Егер линза бетінің қисықтық радиусы белгілі болса, онда линзаның шыны пластинамен тиіскен нүктесінен ұзыңдығы белгілі толқындар бірін-бірі өшіретіндей жол айырымы қандай ара қашықтықта болатынын есептеп шығаруға болады. Бұл аралықтар Ньютонның күңгірт сақиналарының радиустары болады. Себебі қалыңдығы тұрақты ауа қабатының сызықтары шеңбер болады. Сақиналардың радиустарын өлшеп, толқын ұзындықтарын есептеп шығаруға болады. Егер жарықтың өзі толқындық процесс болса,онда интерференциядан басқа жарықтың дифракциясы да байқалуы тиіс. Өйткені дифракция — толқындарын бөгеттерді орап өтуі - әрбір толқындың қозғалысқа тән нәрсе. Бірақ жарық дифракциясын бақылау оңай емес. Оның себебі, егер бөгеттің өлшемдері жарық толқынының ұзындығын салыстырарлықтай болса, оңда тоқыңдар түзу сызықпен таралудан бөгетгерде ғана елеулі бұрыштарға ауытқиды, бірақ жарық толқынының ұзындығы өте аз.

Жіңішке жарық шоғын тар тесік арқылы өткізіп, жарықтың түзу сызықпен таралу заңынан ауытқуын бақылауға болады. Тесіктің карсысында пайда болатын ақ дақтың өлшемі, жарықтың түзі сызықпен таралғандағысындай емес, үлкен болады.
Юнг тәжірибесі. Жарық интерференциясын ашқан Т.Юнг 1802 жылы дифракдиядан 
классикалық төжірибе жасады (2 сурет). Мөлдір емес қалқаға ол түйреуішпен бір-біріне жақын, кішкене екі В және С тесік жасады. Бұл тесіктер екінші қалқаға кішкене А тесіктен өткен жіңішке жарық шоғымен жарықталды. Ол кезде олай ойлап табуы оңай емес, дәл осы жайт тәжірибенің сәтті болуына себеп болды. Тек когерентті толқындар ғана интерференцияланады. Гюйгенс принципіне сәйкес А тесіктен пайда болатын сфералық толқьн В мен С тесіктерде когерентті тербелістер туғызады. Дифракция салдарынан В мен С тесіктерде, аздап бірін-бірі жабатын, екі жарық конус шықты. Жарық толқыңдарының интерференциясы нәтижесінен, экранда кезектесіп келетін ашық және көмескі жолақтар пайда болды. Тесіктердің бірін жауып, Юнг интерференциялық жолақтардың жоғалып кеткенін көрді. Міне, дәл осы тәжірибе арқылы Юнг алғаш рет, әр түсті жарық сәулелеріне сәйкес келетін, толқыңдар ұзындығын өте дәл өлшеді.
Френель теориясы. Дифракцияны зерттеу О. Френель еңбектерімен тиянақталады. Френель тәжірибе кезінде дифракцияның түрлі жағдайларын мұқият зерттеп қана қойған жоқ, дифракцияның сандық теориясын да жасады, ол теория, жарық әйтеуір бір бөгетті орап өткен кезде пайда болатын, дифракциялық көріністі есептеуге мүмкіндік берді. Ол тағы алғаш рет толқындық теория тұрғысынан жарықтың біртекті ортада түзу сызықпен таралуына анық түсінік берді.

Френель бұл табыстарға, Гюйгенс принципін екінші реттік толқындардың интерференция идеясымен біріктіріп барьш, жеткен болатын. Френель идеясы бойынша кез келген уақыт мезетіндегі толқындық бет дегеніміз — айналып өтетін екінші реттік толқындардың жай сана өзі емес, олардың интерференцияларының нәтижесі (Гюйгенс Френелъ принципі).
Кеңістіктің кез келген нүктесіндегі жарық толқынының амплитудасын есептеп шығару үшін жарық көзін ойша түйық бетпен қоршау керек. Осы бетке орналасқан екінші реттік жарық көздерінің толқындар интерференциясы кеңістіктің қарастырылып отырған нүктесіндегі амплитуданы анықтайды.

Осындай есептеулер, сфералық толқындар шығаратын S нүкгелік жарық көзінен шыққан жарық кеңістікгің кез келген В нүктесіне қалай жеткенін түсінуге мүмкіңдік берді.Егер радиусы R сфералық толқын бетіндегі екінші ретік жарық көздерін қарастырсақ, оңда В нүктеде сол жарық көздерінен туған екінші реттік толқындар интерференциясының нәтижесі, В нүктеге кішкене аb сфералық сегменттегі тек екінші реттік жарық көзі ғана жіберген жарықтай болады екен. Беттің қалған бөліктеріне орналасқан жарық көздерінен шыққан екінші реттік толқындар интерференция нәтижесінде бірін-бірі өшіреді. Сондықтан барлық жарық тек қана SВ түзуінің бойымен, яғни түзу сызықты таралғандай болады.

Сонымен қатар Френель дифракцияны түрлі бөгеттерде сандық жағынан қарастырды. Түрлі бөгеттерден дифракциялык көрініс. Жарық толқынының ұзындығы өте кіші болғандықтан, жарықтың түзу сызықпен таралу бағытынан ауытқу бұрышы кішкене болады. Сондықтан дифракцияны мұқият бақылау үшін не өте кішкене бөгеттерді пайдалану керек, не экранды бөгеттен алыс қою керек. Бөгеттер мен экранның ара қашықтығы метр шамасындай болғанда, бөгеттердің өлшемдері миллиметрдің жүзден бір белігінен аспауы тиіс. Егер экранға дейінгі ара қашықтық жүздеген метрге немесе бірнеше километрге жететін болса, онда дифракцияны өлшемдері бірнеше сантиметр немесе тіпті бірнеше метр бөгеттерде байқауға болады. Телескоптың мүмкіндік қабілетін де дифракция шек қояды. Толқындар дифракциясы салдарынан объектив оправасының шетінде жүлдыздардың кескіні нүкте болып түспейді, жарық және күңгірт сақиналар жүйесі түрін де болады. Егер екі жүлдыз бір-бірінен кішкене ғана бұрыштық қашықтықта болса, онда бұл сақиналар бір-бірімен беттеседі де, жарқырауық нүктенің біреу не екеу екенін көз айыр алмайды. Жарқырауық нүктелері бір-бірінен ажыратуға мүмкіндік беретін олардың арасындағы шекті бұрыштық қашықтықты толқын ұзындығының объектив диаметріне қатынасы арқылы анықтауға болады. Бұл мысал дифракция құбылысы кез келген бөгетте, ылғи да болып  тұратынын көрсетеді. Аса нәзік бақылауларда да, толқын ұзындығы анағүрлым үлкен бөгеттер үшін де оны елемеуге болмайды. Жарықтың дифракциясы геометриялық оптиканың қолданылу шегін айқындап береді. Жарықтың бөгетті айналып өтуі аса маңызды оптикалық құралдардың — телескоп пен микроскоптың — мүмкіндік қабілетіне шек қояды. Дифракциялық тор.  Тамаша оптикалық аспаптың — дифракциялық тордың құрылысы дифракцялық кұбылысқа негізделген.
VІ. ДК. Оқытылып отырған  оқу материалын қабылдаудағы оқушы түсінігін тексеру.
§4.3, 4.4 дайындық сұрақтарын талдау.

1. Толқын цугі жөнінде не білесіңдер? Оның шамасы қандай?
2. Жарық интерференциясының механикалық интерференциядан ерекшелігі неде?
3. Голография дегеніміз не?
4. Оптикадағы дифракцияның ерекшеліктері қандай?
5. Френель аумақтары деген не?
6. Адам шашының жуандығын өлшейтін өптикалық әдісті ұсыныңдар?

VІІ. ДК. Оқытылып отырған оқу материалын бекіту немесе дағдыландыру жұмыстарын жүргізу.

1. Есептер шығарту. 4.3.1-4.3.5

VIІI.ДК. Бағалау. Үй тапсырмасын беру: §4.3, 4.4 Есептер шығарту. 4.3.6-4.3.10