Материалы к методическому обеспечению занятия
Одесский национальный медицинский университет Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ практического занятия для студентов 1 курса по теме: Волновая оптика
Утверждено на методическом совет кафедры "___"____________ 2010 г. Протокол №____ Зав. кафедрой, профессор Годлевский Л.С.
Одесса, 2010 г.
2. Актуальность темы: Актуальность темы связана с тем, что в клинической медицине и в диагностике здоровья человека, в санитарно-гигиенических целях чаще всего используются интерференционный рефлактометр, интерференционный микроскоп, рентгеноструктурный анализ биологических систем, голографический микроскоп. Практическое занятие на тему "Интерференции и дифракции света" посвящено изучению основных принципов работы этих приборов.
3. Цели занятия:
В результате этого занятия: 3.1 Студент должен знать: – о когерентных источниках и когерентных световых волнах; – что такое интерференция света, условия максимума и минимума; – что такое интерференция света в тонких пластинках; – о просветлении оптики; – что такое интерферометры и их применение; – принцип работы интерференционного микроскопа; – принцип Гюйгенса-Френеля; – о дифракции на щели в параллельных лучах; – о дифракционной решетке и дифракционном спектре; – об угловой дисперсии и разрешающей способности; – об основах рентгеноструктурного анализа; – что такое голография и ее применение в медицине.
3.2 Воспитательные цели занятия. В результате занятия студенты знакомятся с основными понятиями: интерференция и дифракция света. У них формируется глубокое понимание принципов работы медаппаратуры, основанное на данных понятиях.
Содержание темы занятия (тезисы основных положений) КОГЕРЕНТНЫЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ Под интерференцией понимают такое сложение световых волн, в результате которого образуется устойчивая картина их усиления и ослабления. Необходимым условием возникновения интерференции служит наличие источников света, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз ∆φ слагаемых волн в различных точках, Волны, отвечающие этому условию, называют когерентными (частный случай, когда частоты равны).
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА Для определения условий min и max вводят понятие – оптическая длина пути: δ = xn, где х - геометрический путь волны, n - показатель преломления среды. Условия максимума при интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода интерферирующих волн равна целому числу длин волн δ = x1n1 - x2n2 = кλ, где к - целое число, λ - длина волны. Условия минимума при интерференции – когда в данных точках оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн
δ = (2К+1), где λ - длина волны К - целое число.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛАСТИНАХ При попадании на тонкую пластину (пленку) луч делится на два: первый – преломляется на границе, затем отражается от нижней границы и выходит в первую среду преломившись; второй – отражается от точки А. Оптическая разность хода δ = 2 lncos λ и для максимума интерференции необходимо , для минимума
2 i i A γ в l 1 γ
м
ПРОСВЕТЛЕНИЕ ОПТИКИ Устройства, увеличивающие долю световой энергии поступающей к регистрирующим устройствам по отношению к световой энергии, отраженной оптической системой, очень важны. Они построены на покрытии оптической системы тонким слоем оксидов металлов так, чтобы для некоторой средней, в данной области спектра, длины волны был минимум интерференции в отраженном свете. Подобные покрытия называют просветлением оптики, а сами оптические изделия с таким покрытием – просветленной оптикой.
ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Интерферометр – прибор для измерения с высокой степенью точности длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей. Принципиальная схема интерферометра Майнельсона, предназначенного для измерения показателя преломления показана на рис.1 Он относится к двухлучевым интерферометрам.
Рис.1
ПОНЯТИЕ ПРО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОСКОП Интерференционный микроскоп сочетает в себе двухлучевой интерферометр и микроскоп. Принципиальная его схема показана на рис.2.
Рис.2
ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА – ФРЕНЕЛЯ Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени. Френель дополнил это положение, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В этом обобщенном виде идеи получили названия принципа Гюйгенса – Френеля.
ДИФРАКЦИЯ НА ЩЕЛИ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧАХ Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распределения в среде с резкими неоднородностями. |АВ| =а Условие максимума: |BD|=
Условие минимума:
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА И ДИФРАКЦИОННЫЙ СПЕКТР Дифракционная решетка – оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа параллельных, обычно равноотстоящих друг от друг щелей. Суммарную ширину щели а и промежутка в между щелями называют постоянной или периодом решетки с = а+в . Главные максимумы возникают при условии c sinL=k λ. При падении на дифракционную решетку белого или иного немонохроматического света, каждый главный максимум окажется разложенным в спектр и k называют порядок спектра.
УГЛОВАЯ ДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ Угловая дисперсия определяет угловую ширину спектра. Численно она равна угловому расстоянию между двумя линиями спектра, длины волн которого различаются на единицу (dλ=1). Разрешающая способность равна отношению длины волны к наименьшему интервалу длин волн, которые еще могут быть разрешены. Разрешающая способность дифракционной решетки тем больше, чем больше порядок (k) спектра и число штрихов (N).
ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА При падении монохроматического рентгеновского излучения на кристалл под разными углами наибольшее отражение будет для углов, отвечающих условию Вульфа-Брегга. По полученным на фотопленке рентгенограммам можно решить задачу нахождения постоянной дифракционной решетки (в кристалле – постоянная кристаллической решетки). Можно получать рентгенограмму биологических молекул и систем.
ПОНЯТИЕ ПРО ГОЛОГРАФИЮ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ Интерференционную картину, образованную сложением сигнальной и опорной волн и зафиксированную на светочувствительной пластине называют голограммой. Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной. Метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн, называют голографией. В медицине используется ультразвуковая голография, голографический микроскоп.
План и организационная структура занятия
Продолжение таблицы
Продолжение таблицы
Материалы к методическому обеспечению занятия 7.1 Материалы контроля для подготовительного этапа занятия: 1. Найти правильное высказывание: 1. Интенсивность суммарного излучения равна сумме интенсивностей слагаемых волн. 2. Максимум при интерференции наблюдается в тех случаях, когда оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн. 3. Интерференция в проходящем свете наблюдается более отчетливо, чем при отражении. 4. Принцип Гюйгенса-Френеля гласит, что каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн. 5. Дифракционная решетка – это спектральный прибор. 6. Структуру ДНК Дж.Уотсон и Ф.Крик установили с помощью интерференционного рефрактометра. 7. Устройство голографического микроскопа основано на том, что полученную голограмму восстанавливают видимым светом.
7.2 Материалы методического обеспечения основного этапа занятия 1. Ответить на вопросы: 1) Что называется дифракцией света? 2). Что такое когерентные волны? 3). Метод Юнга 4). Условия максимума и минимума 5). Что происходит при освещении пластинки переменной толщины белым светом? 6). Просветленная оптика 7). Интерференционный рефрактометр 8). Принцип Гюйгенса-Френеля 9).Максимум и минимум интенсивности света 10). Дифракционная решетка 11). Голография 12). Медико-биологические приложения голографии
2. Оценить правильность высказывания: 1. Максимум при интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин волн, минимум – в тех точках, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин волн. 2. Интерференция при отражении наблюдается более отчетливо, чем в проходящем свете. 3. При падении монохроматического света на пластинку переменной толщины получаются разноцветные линии и пятна. 4. Принцип Гюйгенса-Френеля гласит, что каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн. 5. Угловая дисперсия – это характеристика спектрального прибора. Она прямо пропорциональна изменению длин волн и обратно пропорциональна угловому расстоянию между двумя линиями спектра.
3. Заполнить таблицу
7.3 Материалы контроля заключительного этапа занятия:
Решить задачи: 1). Линза с фокусным расстоянием F=50 см и диаметром D=5 см освещается параллельным монохроматическим пучком света с длиной волны λ=630 мм. Найти во сколько раз интенсивность волны I в фокусе линзы превышает интенсивность волны I0 падающей на линзу. Оценить размер пятна в фокальной плоскости. Ответ:
2. От двух когерентных источников света S1 и S2 получена система интерференционных полос на экране, удаленном от источников на расстояние L=2 м. Во сколько раз изменится ширина интерференционных полос, если между источниками и экраном поместить собирающую линзу с фокусным расстоянием F=40 см так, чтобы источники S1 и S2 оказались в фокальной плоскости линзы? Ответ: Ширина полос уменьшится в L/F = 5 раз 7.4 Материалы методического обеспечения самоподготовки студентов. 1. В процессе подготовки к занятию пользоваться следующими методическими пособиями М.п. практического занятия для студентов "Интерференция и дифракция света". 2. Заполнить ориентационную карту занятия по форме, представленной в М.п. для студентов "Интерференция и дифракция света".
Литература для преподавателя
1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1987, с.419-446. 2. Лекция "Интерференция и дифракция света".
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|