¿Cuál es la interferencia?

ɡàn·xie

(1) Preguntar o detener, principalmente significa que no debes controlar rígidamente: los asuntos internos de la otra parte. 2 relacionado; relación: ambos se han ido ~.

Fenómeno de interferencia:

ɡàn·xiexin·xiànɡ

1. Cuando dos o más ondas se encuentran, interactuarán entre sí bajo ciertas circunstancias. Este fenómeno se llama fenómeno de interferencia. Este fenómeno ocurre con ondas electromagnéticas como las ondas sonoras y las ondas luminosas.

Experimento de interferencia de Young;

yánɡ·ɡàn·Xie Xiyang

El físico británico Thomas Young realizó un experimento de interferencia de la luz. En 1802, dejó pasar la luz del sol a través de un pequeño agujero S (más tarde transformado en una rendija), como se muestra en la figura, y la luz emitida pasó a través de dos pequeños agujeros adyacentes S? 1 y s? 2. La luz emitida por estos dos orificios forma franjas claras y oscuras en la pantalla trasera debido a la interferencia de la luz. Este experimento no sólo demuestra las fluctuaciones de la luz, sino que también puede utilizarse para medir la longitud de onda de la luz.

Interferencia de la luz

1. El descubrimiento del fenómeno de la interferencia de la luz

En la historia del desarrollo óptico, el científico italiano Grima fue la primera persona en descubrir la Fenómeno de interferencia lumínica. Hizo un experimento sencillo. El diseño experimental fue el siguiente: perforar dos pequeños agujeros uno al lado del otro en el panel de la ventana de la casa. La luz del sol entra a la habitación a través de los pequeños agujeros, formando dos vigas cónicas. Coloca una pantalla donde los dos haces se superpongan y notarás que, por el contrario, algunos lugares de la pantalla son más oscuros que cuando están iluminados por un solo haz. Grimma primero saca una conclusión de este experimento: cuando se superponen dos rayos de luz, el brillo no siempre aumenta. Por analogía, comparó el fenómeno de interferencia de la luz con el fenómeno de las ondas de agua provocadas por una piedra arrojada al agua. Sin embargo, no realizó un análisis teórico profundo de este fenómeno de interferencia.

El físico británico Hooke (1635-1703) estudió otro fenómeno coherente. Estudió experimentalmente la interferencia de la luz en películas hechas de agua con jabón y escamas de mica. Hooke propuso que la luz es una vibración rápida con una pequeña amplitud y trató de analizar la causa del color cuando interfieren películas delgadas. Propuso que se deben cumplir tres condiciones para observar los colores en la película: el espesor de la película tiene un cierto límite; la película debe ser transparente y debe haber una buena película reflectante en la parte posterior de la película; Creía que un pulso de luz con el componente más débil liderando y luego el componente más fuerte inclinándose y mezclándose crearía una impresión azul en la película. Un pulso de luz en el que el componente más fuerte lidera y luego el componente más débil se mezcla oblicuamente, lo que aparece de color rojo en la retina. Aunque esta explicación es incorrecta, contiene algunas ideas de la teoría moderna de la interferencia, como la diferencia de fase entre dos haces de luz. Los estudios teóricos de la luz de Hooke jugaron un papel importante en la transición del modelo de luz de Descartes como presión del éter a las fluctuaciones luminosas.

Newton diseñó y dirigió los experimentos de los anillos de Newton, estudió los problemas de interferencia de películas delgadas y descubrió el fenómeno de los anillos de Newton. Newton construyó él mismo un instrumento para realizar el experimento. Colocó una lente plano-convexa sobre una lente biconvexa de modo que el plano de la lente plano-convexa mirara hacia abajo, y luego la presionó lentamente y aparecieron anillos de varios colores alrededor del centro. Si la lente plano-convexa superior se separa lentamente de la lente biconvexa inferior, los anillos de colores del centro desaparecerán uno por uno. Este es el famoso fenómeno del "anillo de Newton". Newton también descubrió que los colores de la rueda cromática tienen un cierto orden; cuando se presionan dos lentes, el diámetro de la rueda cromática aumentará y el ancho de su periferia disminuirá. Si se levanta la lente superior, el diámetro del círculo de color disminuirá y el ancho de su periferia aumentará. Newton también midió el radio del anillo y descubrió que estaba relacionado con el radio de curvatura de la lente y el espesor de la película de aire. El fenómeno del "anillo de Newton" es en realidad el resultado de la "interferencia" de dos haces de luz. Sin embargo, debido a que Newton favoreció las partículas de luz,

2. El establecimiento de la teoría de la interferencia de la luz

Grim, Hooke, Newton y otros descubrieron sucesivamente el fenómeno de la interferencia de la luz, pero todos ellos. No se ha obtenido ninguna explicación correcta ni se ha establecido ninguna teoría correcta sobre la interferencia de la luz. A principios del siglo XIX, gracias al trabajo de Thomas Young, Fresnel y otros, finalmente se formó y estableció la teoría de la interferencia de la luz.

Thomas Young introdujo por primera vez el concepto de interferencia de la luz en la física a través de la analogía.

En 1800, Thomas Young cuestionó la teoría de partículas dominante de la luz basándose en sus propios experimentos y defendió la teoría ondulatoria de Huygens. A través del estudio de las ondas sonoras, propuso el fenómeno de fortalecimiento y debilitamiento cuando las ondas sonoras se superponen, es decir, el fenómeno de interferencia de las ondas sonoras. Abandonó el concepto de que las ondas superpuestas sólo pueden fortalecerse y propuso la idea de que, bajo determinadas condiciones, las ondas superpuestas también pueden debilitarse o incluso anularse entre sí. Inspirado por la observación del fenómeno de interferencia de las ondas de agua, a Yang se le ocurrió la idea de la interferencia de la luz paralela. Propuso el fenómeno de interferencia de la luz utilizando la analogía del fenómeno de interferencia de las ondas del agua. Dijo que imaginemos un grupo de olas de agua moviéndose a cierta velocidad constante a lo largo de la superficie de un lago en calma y entrando en un canal estrecho que conecta con el lago. Supongamos ahora que se formó otro grupo bajo la influencia de algún factor. Llega al canal a la misma velocidad que el primer conjunto de olas. Los dos conjuntos de ondas no interfieren entre sí, pero sus efectos se combinan. Si la cresta de un conjunto de olas coincide con la cresta de otro conjunto de olas después de alcanzar el canal, se forma un conjunto de olas con una cresta más alta. Pero si la cresta de un conjunto de olas coincide con el valle de otro conjunto de olas, la cresta simplemente llenará el valle y el agua permanecerá en calma. Supongo que si dos rayos de luz se combinan de la misma manera.

2. Yang propuso condiciones relevantes.

La investigación de Yang sobre el fenómeno de interferencia propuso que la condición básica del fenómeno de interferencia es que sólo dos partes del mismo haz de luz pueden interferir. Según la teoría moderna, sólo dos haces de luz coherentes pueden interferir.

3. Young descubrió la ley de interferencia

En 1801, Young propuso la ley de interferencia de la luz que descubrió en un artículo: "Siempre que dos partes de la misma luz Cuando la la luz se propaga a lo largo de diferentes caminos y las direcciones son precisas o casi paralelas, luego, cuando la diferencia de caminos de la luz es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda, las luces se fortalecen entre sí y, en el estado intermedio de la parte coherente, la luz "Es la más fuerte. Esta longitud de onda es adecuada para diferentes colores. La luz es diferente". Yang también fue el primero en venir aquí.

Thomas Young también realizó el famoso experimento de interferencia de la doble rendija de Young. Fue el primero en proponer la estrecha relación entre los fenómenos de interferencia y los fenómenos de difracción. Aunque Yang hizo contribuciones destacadas a la teoría de las ondas de luz, su trabajo no fue reconocido por la comunidad científica de la época y también fue atacado maliciosamente. Su artículo fue descartado como "inútil" y el principio de interferencia que descubrió fue descrito como "absurdo" e "ilógico", lo que llevó a que el descubrimiento de Yang fuera enterrado.

4. Mayor desarrollo de la teoría de la interferencia de la luz.

El científico francés Fresnel (1788-1827) derivó de forma independiente las leyes de la interferencia y la difracción en 1815. Al mismo tiempo, elogió el excelente trabajo de Thomas Young, que hizo que la comunidad científica reconociera la teoría de la interferencia de Young y reanudó sus investigaciones sobre óptica. La idea de Fresnel sobre la interferencia de la luz complementaba el principio de Huygens. Propuso el famoso principio de Huygens-Fresnel y realizó el famoso experimento de interferencia del doble espejo y el doble prisma, que mejoró aún más la teoría de la interferencia de la luz. Fresnel aplicó más análisis matemático y métodos de cálculo cuantitativo en la investigación óptica, y combinó ideas físicas correctas con excelentes habilidades experimentales. Logró muchos resultados cuantitativos profundos y precisos en la investigación óptica. También utilizó el experimento de Arago para estudiar el impacto de la polarización en los fenómenos de interferencia, y en 1819 derivó el principio de que dos luces polarizadas mutuamente perpendiculares no interfieren entre sí, enriqueciendo y desarrollando así aún más la teoría de la interferencia de la luz.

3. Expresión moderna de la ley de interferencia de la luz

1. Fenómeno de interferencia de la luz

Cuando dos (o más de dos) haces de luz se encuentran con ciertos En condiciones, cuando se superponen, hay un fenómeno estable de mejora o debilitamiento mutuo en diferentes lugares del área de superposición, lo que se denomina fenómeno de interferencia. Normalmente, no hay interferencia entre dos fuentes de luz independientes o dos partes diferentes de una misma fuente de luz. Utilizando algunos métodos como la reflexión o refracción de la luz, la luz emitida por la misma fuente de luz se puede dividir en dos haces de luz. Cuando los dos haces de luz se recombinan a través de diferentes caminos en el espacio, se puede lograr interferencia.

El realce y debilitamiento de los dos haces en el área de superposición crea un patrón de interferencia. La luz que puede producir un fenómeno de interferencia se llama luz coherente, la fuente de luz que produce luz coherente se llama luz coherente y las condiciones que producen interferencia se llaman condiciones de coherencia.

2. Condiciones de coherencia de la luz

Condiciones necesarias para la interferencia de la luz:

①Las dos ondas de luz tienen la misma frecuencia de vibración;

②Ambas dos ondas de luz tienen una diferencia de fase fija en el punto de intersección;

Para obtener el fenómeno de interferencia con amplitud cero en el punto más débil de vibración, además de las dos condiciones anteriores, se deben cumplir las dos siguientes También se deben cumplir condiciones:

③Las dos ondas de luz vibran en la misma dirección en el punto de intersección;

④Las amplitudes de las dos ondas de luz son las mismas.

Si las vibraciones producidas por las dos ondas de luz en el punto de intersección no son en la misma dirección, entonces la vibración resultante en ese punto no es una simple vibración armónica, por lo que la interferencia es imposible. Si la diferencia de fase entre las dos ondas de luz en la intersección no es fija, sino que cambia rápida e irregularmente en cualquier momento, entonces dentro del intervalo de tiempo t requerido para la observación o medición, el número de cambios de intensidad de la luz causados ​​por este cambio es casi infinito. . En el punto de intersección sólo se puede obtener la intensidad luminosa media en el intervalo t. Esto no es diferente de la suma de las intensidades de luz producidas por las dos ondas de luz solas en este punto, por lo que no hay fenómeno de interferencia. Por lo tanto, el fenómeno de interferencia sólo puede ocurrir si se cumplen las tres condiciones anteriores ①, ② y ③. Sin embargo, para que se produzcan fenómenos de interferencia evidentes, también deben cumplirse condiciones suficientes para la interferencia óptica.

Condiciones suficientes para la interferencia de la luz:

(1) Las amplitudes de vibración generadas por las dos ondas de luz en el punto de intersección no son muy diferentes;

②Las dos las ondas de luz están en La diferencia de trayectoria óptica en el punto de intersección no debe ser demasiado grande.

Si las amplitudes de las dos ondas de luz en el punto de intersección son muy diferentes, entonces la amplitud de la vibración resultante en ese punto no será significativamente diferente de la amplitud de la vibración producida por una sola onda de luz. En ese punto, no observe ningún fenómeno de interferencia. Si la diferencia de trayectoria óptica entre dos ondas de luz en la intersección es grande, cuando pasa el tren de ondas de una onda de luz, el tren de ondas correspondiente a la otra onda de luz aún no ha llegado y no hay superposición entre las dos ondas correspondientes. trenes, por lo que no habrá interferencias. Si la diferencia de trayectoria óptica es moderada, no se producirá ninguna interferencia obvia cuando dos trenes de ondas correspondientes se superpongan parcialmente. Por lo tanto, sólo cuando la diferencia de amplitud de las dos ondas de luz es muy pequeña y la diferencia de trayectoria óptica de las dos ondas de luz es muy pequeña, se puede observar un fenómeno de interferencia evidente. Cuando las amplitudes de las dos ondas luminosas son iguales, también se puede observar un patrón de interferencia claro con intensidad de luz nula en la parte más oscura de la franja de interferencia.

3. Tipos de interferencias luminosas

Las interferencias luminosas se pueden dividir en dos categorías. Una es la interferencia del frente de onda, es decir, dos o más partes se separan del frente de onda de la onda de luz emitida por la misma fuente de luz, y luego se combinan dos o más dispositivos ópticos para producir un fenómeno de interferencia en el área de intersección. experimento de interferencia de doble rendija, experimento de interferencia de doble prisma de Fresnel, experimento de interferencia de doble espejo de Fresnel, etc.

La otra es la interferencia de fotogramas. La amplitud de la luz incidente se descompone en varias partes mediante la reflexión secuencial de las dos superficies de la placa delgada transparente. La interferencia de ondas de luz generada por el encuentro de estas partes es una interferencia de subamplitud, como el experimento del anillo de Newton, el interferómetro de Michelson. , etc.

En la interferencia de amplitud fraccionada, si los ángulos de incidencia correspondientes a las franjas de interferencia son iguales, se denomina interferencia isoclinal; las franjas de interferencia correspondientes al mismo espesor se denominan interferencia de igual espesor.

Utilizando la interferencia de la luz, podemos medir ángulos diminutos, longitudes diminutas, comprobar la calidad de la superficie y medir pequeños cambios de longitud.

4. Análisis de varios métodos experimentales de interferencia famosos

De acuerdo con la ley de la interferencia de la luz, para observar fenómenos de interferencia de la luz estables, es necesario crear condiciones especiales. Estas condiciones se pueden resumir de la siguiente manera: en cualquier momento, deberían existir dos ondas emitidas por el mismo lote de átomos, pero a través de diferentes caminos ópticos (como la reflexión o la refracción). Aunque la luminiscencia de cada átomo cambia rápidamente, cualquier cambio de fase siempre se produce en dos ondas simultáneamente. Por tanto, cuando llegan al mismo punto de observación, siempre mantienen una diferencia de fase constante, y sólo los dos haces de luz que atraviesan un dispositivo tan especial son coherentes. Por lo tanto, algunos experimentos de interferencia óptica famosos en la historia se diseñaron utilizando los principios de diseño experimental mencionados anteriormente.

1. El experimento de interferencia de Young

En 1801, Thomas Young utilizó un dispositivo extremadamente simple y una idea ingeniosa para lograr la interferencia de la luz con fuentes de luz ordinarias. Este diseño experimental no sólo es el prototipo de muchos otros experimentos de interferencia luminosa, sino que también pueden extraerse de él muchos conceptos y revelaciones importantes en teoría.

En la figura se muestra el dispositivo experimental de interferencia de Young. Deje que la fuente de luz brille sobre una placa protectora de luz opaca (llamada abertura), que tiene un pequeño orificio S, y hay una abertura detrás de ella, que tiene dos pequeños orificios S1 y S2. Los dos conjuntos de ondas de luz esféricas emitidas por los orificios S1 y S2 interfieren entre sí y producen patrones simétricos de intensidad variable en la pantalla. d. Si se usa luz monocromática como fuente de luz, se puede usar en la pantalla.

Más tarde, para mejorar el brillo de la interferencia, S, S1 y S2 utilizaron tres rendijas paralelas en el experimento, lo que se denomina interferencia de doble rendija de Young. El ocular puede reemplazar la pantalla para observación directa. Después de que apareció el láser, se realizaron experimentos utilizando el láser como fuente de luz y se pudieron observar franjas de interferencia claras y estables en la pantalla. También puede utilizar el ocular para ampliar o utilizar la cámara para tomar fotografías. En el dispositivo experimental de Yang, generalmente se requiere que la distancia d entre los dos orificios esté entre 0,1 mm ~ 1 mm, el rango de observación horizontal esté entre 1 cm ~ 10 cm y la distancia entre la pantalla y la pantalla de doble orificio esté entre 1 cm ~ 10cm.

Se puede concluir del experimento de Young que dos fuentes de ondas tomadas de la misma superficie de onda siempre son coherentes. Las ideas de diseño de todos los dispositivos de interferencia de frente de onda posteriores se originaron a partir de la ingeniosa idea de Young. Al analizar las características de las franjas de interferencia, Yang dedujo que la distancia entre las franjas de interferencia de los dos agujeros es:

Es decir, la longitud de onda de la luz es:

Yang calculó la luz A partir de esta fórmula se midió experimentalmente la longitud de onda de la luz por primera vez en la historia de la humanidad. Además, el experimento de interferencia de Young fue un experimento decisivo en el desarrollo de la óptica y condujo al resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz.

2. Experimento del biprisma de Fresnel

En 1817, el físico francés Fresnel diseñó y llevó a cabo el famoso experimento del biprisma de Fresnel, como se muestra en la imagen: rendija La luz emitida por la fuente de luz S pasa a través de un prisma delgado P con un ángulo de vértice α muy pequeño (aproximadamente 1). Con la refracción del prisma, el haz de luz emitido desde S se divide en dos haces ac y bd. Las direcciones de propagación son diferentes, como si vinieran de. el espacio virtual que se muestra en la figura Fuente de luz S 66. Las franjas de interferencia se generan en la región bc donde se superponen los dos haces de luz. Al medir el ancho de la franja de interferencia producida por un biprisma, la longitud de onda de la onda de luz se puede calcular mediante la siguiente ecuación.

Donde L1 y L2 son la distancia P entre la fuente de luz y la pantalla y el prisma, D es la distancia entre las dos fuentes de luz virtuales S1 y S2, y △x es la distancia entre dos franjas adyacentes en la pantalla. Luego Fresnel completó el experimento de interferencia de doble espejo.

3. Interferómetro de Michelson

En 1881, el físico estadounidense Michelson propuso un instrumento óptico de precisión que utiliza la división del haz para producir interferencias de doble haz, de ahí su nombre. Como se muestra en la figura, la luz emitida por la fuente de luz ancha monocromática S está recubierta con una fina capa de superficie semirreflectante plateada A sobre la placa de vidrio plana paralela G1, y la luz se divide en dos haces con casi la misma intensidad. Se reflejan desde los espejos planos M1 y M2 respectivamente y luego se recombinan para formar franjas isoclínicas en el plano focal F de la lente L2. M2 es fijo y M1 está montado sobre una base que se puede ajustar horizontalmente. Normalmente, entre G1 y G2 se coloca una placa de compensación G2, que es igual que G1 y paralela a G1.

Por lo tanto, se puede considerar que las franjas isoclínicas en F se generan en la capa de aire paralela entre la superficie reflectante M1 y la superficie de reflexión virtual M’2. La forma de las rayas son círculos concéntricos centrados en el punto focal. A medida que M1 se acerca a λ/2, se contrae una franja hacia el centro. En cambio, si está lejos de λ/2, aparecerán franjas en el centro. Midiendo el número de veces que cambian las franjas, se puede calcular la distancia recorrida por M1. Michelson utilizó este instrumento para realizar los siguientes tres experimentos importantes: el experimento de Michelson-Morley para medir la deriva del éter en 1887 y el primer estudio sistemático de la estructura fina de las líneas espectrales en 1892; En 1895 se comparó por primera vez directamente la longitud de onda de la luz con tablas estándar.

El diseño del interferómetro de Michelson es una aplicación típica del fenómeno de la interferencia óptica.

Interferencia (cuerpo positivo)

La interferencia es el fenómeno en el que dos ondas se superponen para formar una nueva onda compuesta.

Contenido

1 Principio de superposición de ondas

2 tipos de interferencia

3 Ondas estacionarias

4 Ver también

El principio de ondas superpuestas

Cuando dos ondas se propagan en el mismo medio, se propagan entre sí y se superponen, las partículas en el medio dentro del rango de superposición se ven afectadas por las dos olas al mismo tiempo.

Si la amplitud de la onda no es grande, el desplazamiento por vibración de las partículas dieléctricas dentro del rango de superposición es igual a la suma vectorial de los desplazamientos causados ​​por sus respectivas fluctuaciones, lo que se denomina principio de superposición de ondas.

En fase: Si las crestas (o valles) de dos ondas llegan al mismo lugar al mismo tiempo, se dice que están en fase en ese punto.

Desfasada: Si la cresta de una onda y el valle de otra llegan al mismo lugar al mismo tiempo, se dice que las dos ondas están desfasadas en ese punto.

La forma y la velocidad de viaje de dos ondas no cambian después de que se cruzan porque se han superpuesto.

Tipos de interferencia

Interferencia constructiva

Cuando dos ondas se superponen, la amplitud de la onda resultante es mayor que la amplitud de las ondas componentes, lo que se denomina interferencia constructiva o interferencia constructiva larga.

Si dos ondas interfieren exactamente en fase, producirán la amplitud máxima, lo que se llama interferencia constructiva perfecta o interferencia constructiva perfecta.

Interferencia destructiva (interferencia destructiva)

Cuando dos ondas se superponen, la amplitud de la onda resultante es menor que la amplitud de las ondas componentes, lo que se llama interferencia destructiva o interferencia destructiva.

Si dos ondas interfieren exactamente en fases opuestas, producirán la amplitud más pequeña. Esta interferencia se llama interferencia destructiva completa o interferencia destructiva completa.

Onda estacionaria

Dos ondas sinusoidales con la misma amplitud, longitud de onda y período se propagan en direcciones opuestas e interferirán para formar una onda estacionaria. Ver onda estacionaria.

Ver

Ondas

Fase

Categoría: Vibraciones y Ondas