Методика изучения дифракции света в школьном курсе физики

Перед изучением дифракции рассматривается принцип Гюйгенса-Френеля. Его изучением является вспомогательным для объяснения дифракционных явлений. Программа по физике для средней школы не предусматривает изучение геометрической оптики на основе принципа Гюйгенса (например, явлений отражения и преломления света) .

Сначала следует поставить опыты с водяными волнами, показывающие дифракцию на малых экранах, а затем на малых отверстиях. Опыты с плоскими волнами ставятся в таком порядке:

• 1. Размеры экрана велики. В этом случае за экраном наблюдается большая область геометрической тени;
• 2. Размеры экрана во много раз меньше, при этом наблюдается дифракция волн;
• 3. Размеры отверстия велики. Наблюдается большая область тени;
• 4. Размеры отверстия малы. Наблюдается загибание волн в область геометрической тени.

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что позади экрана в центре дифракционной картины образуется светлая точка, окруженная системой темных и светлых колец и заходящая в область геометрической тени. В случае с отверстием центр дифракционных колец может быть светлым или темным в зависимости от расстояния до отверстия.

Следует особо отметить, что дифракция наблюдается и при больших экранах, но в этом случае она образуется далеко за ними и интенсивность света на больших расстояниях бывает недостаточной. Остается объяснить, как образуется явление дифракции в области геометрической тени и там, где, казалось, можно было бы ожидать равномерную освещенность.

С использованием принципа Гюйгенса-Френеля последнее можно объяснить качественно.

С помощью насажанных на одну стальную пластинку параллельных вибраторов в волновой ванне получается несколько систем круговых волн. В проекции на экране видно, как образуется волновая поверхность, огибающая все круговые волны одинаковых радиусов. Это явление лучше наблюдать с использованием стробоскопа.

Нужно дать понять ученикам, что точки фронта световой волны в любой момент времени находятся в одинаковых фазах и сами являются источниками вторичных волн. Для построения картины дальнейшего распространения волнового фронта необходимо провести из каждой точки волнового фронта окружности одинаковых радиусов R = c* t, изображающие вторичные волны; здесь с — скорость света; а R — расстояние, на которое он распространяется за время t. Огибающая их поверхность и является новым волновым фронтом. Линии, перпендикулярные к этому фронту, совпадают с направлением распространения света.

При интерференции вторичные волны гасят друг друга, и свет обнаруживается лишь на огибающей поверхности, поэтому фронт световой волны движется только вперед.

Рис. 3.1. К объяснению дифракции от маленького круглого экрана

На графике (рис. 3.1) с помощью принципа Гюйгенса-Френеля разъясняется причина загибания света в область геометрической тени и появление темных мест там, где по законам геометрической оптики должен быть свет.

Пусть плоская волна PQ падает на экран АВ (см. рис. 3.1). Часть этой волны задерживается экраном, а часть будет распространяться в том же направлении. Плоские волны изображены на рисунке сплошными штриховыми линиями. Точки на этих линиях колеблются в противоположных фазах.

Точки, А и В плоской волны являются центрами вторичных волн, распространяющихся за малым экраном во всех направлениях. Вторичные волны показаны концентрическими окружностями. За экраном в точках, где фазы колебаний одинаковы, колебания усиливаются (например, в точках D, C, E), а в точках, где фазы противоположны, колебания взаимно гасятся (например, в точках K, L, M, N).