Şi aşa a inceput...

Acest blog a fost creat din nevoia de a avea un suport pe care să ne construim proiectul de fizică numit, după cum o arată şi numele blogului, ,,Interferenţa luminii".

Principalul ,,punct de atracţie" al acestuia il constituie eseul ce incearcă să răspundă la intrebarea ,,Cum ar arăta universul fără lumină?" O intrebare pe cât de controversată atunci când ni se aminteşte de ea, pe atât de uitată de oamenii care nu au timp să se oprească din agitaţia de zi cu zi a vieţii lor şi să incerce să găsească răspunsuri la astfel de dileme.

Fiind un proiect de fizică, in mare parte acest blog se va ocupa de studierea luminii, a naturii sale ondulatorii şi a fenomenelor pe care aceasta le poate suferi.Intrucât lumina este un subiect extrem de vast, in cele ce vor urma se va pune accent in special pe cele mai evidente proprietăţi ale sale, pe modul in care existenţa acesteia afectează totul şi pe cel in care lipsa ei ar influenţa universul.

Elevii participanţi la dezvoltarea proiectului(in ordine alfabetică):
Avanu Ionuţ Adrian
Burtescu Dragoş
Constantin Alexandra
David Andrei
Gheboianu Denisa
Grigoroiu Vlad
Guţă Denisa
Ilinca Mădălina
Ivan Florin
Lazăr Andra
Mihai Ana-Maria
Mierloiu Bogdan
Niţu Alina

Responsabil de grupă:

Ivan Florin

1)Interferenţa luminii—Interferenţa cu unde mecanice

Interferenţa este fenomenul de suprapunere a două sau mai multe unde coerente intr-o anumita zonă de spaţiu ducând la obţinerea unui tablou staţionar de maxime şi minime de interferenţă.

Dacă in cazul undelor mecanice rezultatul interferenţei se apreciază in funcţie de amplitudinea undei rezultante in acel punct, in cazul luminii, rezultatul interferenţei se apreciază după intensitatea luminoasă in punctul respectiv.

Atât in cazul interferenţei luminii cât şi in cazul interferenţei undelor mecanice, pentru a avea loc acest fenomen, undele utilizate trebuie să fie coerente, adică diferenţa de fază trebuie să fie constantă in timp.

Totodată, atât in cazul undelor mecanice cât şi in cazul celor luminoase daca amplitudinea undei rezultante este constantă in timp se spune că interferenţa acestor unde este staţionară.

Atât in cazul interferenţei cu unde mecanice cât şi in cazul interferenţei luminii, se obţine maxim de interferenţă când diferenţa de drum dintre cele două unde este număr par de λ/2 şi minim de interferenţă cand diferenţa de drum dintre cele două unde este număr impar de λ/2.

Atunci când vorbim despre interferenţa undelor, fie ele luminoase , fie ele mecanice, la acţiunea concomitentă a acestora nu are loc o insumare a intensităţilor, respective amplitudinilor, ci rezultatele interferenţei sunt date de relaţiile:

A= √A₁²+A₂²+2A₁A₂cos ∆ρ

Ip~ 4E₀²cos²π/λ₀(δ₂-δ₁)

In concluzie, rezultatul ambelor tipuri de interferenţă depinde de:

―lungimile de undă a undelor

―diferenţele de drum dintre unde

―diferenţa de fază dintre oscilaţii.

2)Metode de obţinere a undelor coerente

Metode de obţinere a undelor coerente existente

Obţinerea undelor coerente pentru realizarea interferenţei se face separând din fluxul luminos emis de o sursă monocromatică două fascicule de lumină care ulterior se suprapun din nou in zona de interferenţă. In acest scop se utilizează numeroase dispozitive, care se încadrează în două metode:

- metoda divizării frontului de undă ( exemplu: dispozitivul lui Young);

- metoda divizării amplitudinii (exemplu: lama cu feţe plan paralele)

Metode de obţinere a undelor coerente cunoscute

Unul din procedeele de obţinere a undelor coerente este cel prin care radiaţia emisă de un izvor punctiform este divizată in două părţi, iar cele două părţi se intâlnesc din nou intr-un punct. In acest caz undele care interferă provin din aceeaşi undă iniţială. Acesta este procedeul de obţinere a undelor, prin divizarea frontului de undă.

Izvoarele coerente prin divizarea frontului de undă se pot realiza in optică prin:

a) formarea a două imagini ale aceluiaşi izvor luminos;

b) intrebuinţarea izvorului şi a unei imagini a sa;

In acest scop se concep şi se folosesc diferite dispozitive experimentale.Două dintre cele mai reprezentative dispozitive de acest tip sunt: oglinzile Fresnel şi bilentilele Billet.

Figurile de interferenţă obţinute astfel sunt foarte fine numai dacă izvoarele sunt punctiforme, franjele de interferenţă fiind nelocalizate.

Un fascicul de lumină poate fi, de asemenea, divizat cu una sau mai multe suprafeţe reflectatoare, de pe care o parte de lumină se reflectă, iar altă parte se transmite cu intensităţile corespunzătoare.

Cum intensitatea luminii este o masură a patratului amplitudinii spunem că undele coerente se obţin, in acest caz, prin divizarea amplitudinii.

Aceste unde se pot obţine şi de la izvoare mai intinse, iar efectele de interferenţă pot fi chiar mai intense, decât in cazul undelor coerente, obţinute prin divizarea frontului de undă. De altfel, in practică se folosesc izvoare mai mult sau mai puţin intinse.

3)Interferenţa localizată– culorile lamelor subţiri

Culorile lamelor subţiri reprezintă fenomenul prin care se obţin franje de interferenţă localizată a luminii albe la iluminarea unei pelicule subţiri, transparente.Franjele de interferenţă obţinute astfel se prezintă sub forma unor inele în culorile spectrului.

Acest fenomen se poate observa la baloanele de săpun(Fig.1 şi Fig.2) sau la petele de petrol aflate pe suprafaţa apei de pe străzi, acestea îndeplinind criteriile de grosime şi transparenţă necesare producerii franjelor.

Imaginile folosite nu prezintă restricţii privind drepturile de autor şi au fost preluate, in ordinea utilizării lor, de pe siteurile:
http://twilit.files.wordpress.com/2008/03/soap-bubble.jpg

http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/imgmay08/Macrophotography_of_Soap_Bubbles_html_m74e5e59d.jpg

4)Optica albastră

Dacă aţi fost atenţi la obiectivele unor aparate de fotografiat de foarte bună calitate, aţi putut să sesizaţi că au o iritaţie albăstruie. Ea nu este întâmplătoare. Ea poartă denumirea de "optica albastră". Pentru a înţelege rostul acestei tehnici, trebuie să analizăm trecerea luminii printr-un bloc paralelipipedic de lumină (lama plan-paralelă reală).
Pe lângă imaginea fenomenelor de reflexie şi de refracţie se vede o scădere a intensităţii luminoase pe masură ce lumina suferă tot mai multe reflexii şi refracţii.

Din cauză că şi pentru unda luminoasă din fascicul trebuie să se conserve energia putem să scriem că suma intensităţilor undei reflectate (Irefl), refractate (Irefr), şi absorbite de sticlă (Iabs), este constantă şi egală cu intensitatea undei incidente(I0):

Dacă se împart ambii termeni din relaţia de mai sus cu I0, obţinem:

(Termenii R, T şi A reprezintă coeficientul de reflexie, coeficientul de transmisie şi respectiv coeficientul de absorbţie, valorile lor numerice fiind cuprinse între 0 şi 1)
Această relaţie ne spune că dacă reflexia este mare, atunci transmisia este mică şi reciproc. Pentru un aparat de fotografiat este important ca în aparat să intre (prin obiectiv) cât mai multă lumină, deci ca lentila obiectiv să fie cât mai transparentă. Dar această transparenţă depinde de indicii de refracţie a aerului (n1) şi a sticlei (n2), după o formulă stabilită de Augustin Fresnel:

De aici rezultă un lucru interesant şi neaşteptat la prima vedere: chiar dacă sticla este perfectă şi nu absoarbe lumină, lumina care trece prin ea este mai puţin intensă, din cauza fenomenului de reflexie. Raportul indicilor de refracţie ai celor două medii este cel care dicteaza intensitatea luminii transmise. Dacă n21 = n1 / n2 , este 1, coeficientul de reflexie este 0, reflexia este 100%, deci nu se mai transmite nimic. Acesta este cazul oglinzilor metalice.

Informaţii preluate de pe siteul:www.foto-magazin.ro

Pozele nu prezintă restricţii privind drepturile de autor şi au fost preluate de pe site-uri precum: http://interferentaluminii.wdfiles.com/local--files/optica-albastra/oa1.png

5)Ce este interferenţa luminii?

Interferenţa reprezintă fenomenul de suprapunere a două sau mai multe unde care se întâlnesc într-un punct din spaţiu. Pentru a obţine un fenomen de interferenţă staţionar, undele trebuie să aibă aceeaşi frecvenţă şi să fie coerente, adică să aibă aceeasi pulsaţie si o diferenţă de fază constantă in timp. În acest caz, în anumite puncte din spaţiu se vor forma zone cu aceeaşi valoare a intensităţii rezultante numite franje de interferenţă. Franjele pot fi de minim sau de maxim, în funcţie de valoarea amplitudinii rezultante.

Dacă in cazul undelor mecanice rezultatul interferenţei se aprecia după amplitudinea undei rezultate in punctul respectiv, in cazul interferenţei luminii rezultatul se apreciază după intensitatea luminoasă in acel punct.

Intensitatea luminoasă intr-un punct este o mărime proporţională cu pătratul amplitudinii undei in acel punct.

I_p ~ A² —> I_p ~ 4E₀cosπ/λ₀(δ₂-δ₁) , unde:

I_p= intensitatea luminoasă intr-un punct P

A= amplitudinea undei in acelaşi punct P

E₀=amplitudinea undei la momentul t₀

δ_1, δ₂= drumuri optice corespunzătoare drumurilor geometrice a două raze, r_1, respectiv r₂

Informaţii preluate parţial de pe siteul:

http://ro.wikipedia.org/wiki/Interferenţă

6)In ce condiţii se obţine interferenţa staţionară?

Unda staţionară este rezultatul interferenţei a două puncte coerente de amplitudini egale,care se propagă pe aceeaşi direcţie,dar in sensuri opuse.Amplitudinile oscilaţiilor variază de la un oscilator la altul si se repetă la distanţe egale cu λ/2.

Interferenţa este staţionară in punctele din câmpul de interferenţă(amplitudinea ramane constantă in timp)dacă sursele de unde sunt coerente(diferenţa dintre faze se menţine constantă in timp).Noua undă este formată din ventre şi noduri care nu se deplasează in timp şi se numeşte undă staţionară.Punctele cu amplitudine maximă de oscilaţie se numesc ventre iar cele cu amplitudine minimă noduri.

Energia este localizată in ventrele de oscilaţie.Fiecărei figure de interferenţă ii corespunde o anumită energie şi distribuire a acesteia.

Undele care interferă pentru a crea unda staţionară pot fi de orice fel: mecanice, sonore, optice, electromagnetice etc.

În funcţie de mediul de propagare undele staţionare pot fi uni-, bi- sau tridimensionale, ca de exemplu:

Ø o dimensiune: coarda vibrantă, tubul sonor, fibra optică;

Ø două dimensiuni: cutia de rezonanţă a instrumentelor muzicale, suprafaţa unui lichid, membrana unei tobe;

Ø trei dimensiuni: interiorul unei încăperi, spaţiul în care se propagă unde luminoase coerente.

7)Factori care influențeaza forma figurii de interferență

In general :

• amplitudinea undei rezultante;
• lungimea de undă (culoarea) a sursei de lumină;
• intensitatea luminoasă a sursei de lumină;

În cazul dispozitivului Young:

• distanța între fante
• distanța între planul fantelor și ecran;
• distanța între planul fantelor și sursă;

Schema dispozitivului Young

http://www.walter-fendt.de/ph14ro/doubleslit_ro.htm - experiment virtual

În cazul lamei cu fețe plan - paralele:

· unghiul de incidență;

· grosimea lamei;

În cazul penei optice:

· unghiul format de fețele penei;

Cadrul de sârmă introdus in soluţie de apă cu săpun este ţinut oblic ca să formeye, sub influenţa gravitaţiei, o pană optică.

Informaţiile au fost preluate de pe

http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/INTERFERENTA-LUMINII222421518.php

Imaginile nu prezintă drepturi de autor şi au fost preluate de pe siteurile:

https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhj_9PZFSVuzaURZdo5WF-X7IkquOFelBoEcLnughiWEaUUhC-6FE5FWpwjUwvJhyphenhyphenqlcNTo7Xky97CbfsGpu7_D7iAoRNCRj2J5vKVp4fK2UAx6sYR4uUHOEVhmR_lkBQizazCuVUkGjyO2/s1600-h/pelicula-sapun-2.jpg

http://www.fotomagazin.ro/ftm20/archives/young-interferenta.gif

8)Ce este interfranja?

Interfranja- distanţa dintre două maxime respectiv două minime de interferenţă consecutive.(pentru definiţia minimelor si maximelor de interferenţă vedeţi răspunsul intrebării 9)

9)Ce este franja de interferenţă?

In general, prin interferenţă se intelege suprapunerea a două sau mai multe unde coerente.Undele coerente sunt undele care au aceeaşi pulsaţie şi diferenţă de fază cosntantă in timp.

Ca şi in cazul undelor mecanice interferenţa luminii presupune suprapunerea intr-o regiune din spaţiu a două sau mai multe oscilaţii luminoase.

Daca diferenţa de drum dintre cele două unde este număr par de λ₀/2, atunci vorbim despre maxim de interferenţă.

1)Dacă (δ₂-δ₁)=2kλ₀/2 se obţine maxim de interferenţă

2)Dacă (δ2-δ1)=(2k+1)λ₀/2 se obţine minim de interferenţă

Regiunea din spaţiu in care se produce interferenţa se numeşte câmp de interferenţă.Toate punctele din câmpul de interferenţă pentru care diferenţa de drum optic e număr par de λ₀/2 oscilează cu amplitudine maximă, având aceeaşi intensitate luminoasă.

Toate punctele din câmpul de interferenţă pentru care diferenţa de drum optic este număr impar de λ₀/2 oscilează cu amplitudine minimă.

Se numesc franje de interferenţă curbele care unesc intre ele punctele care oscilează cu amplitudine maximă, respectiv punctele care oscilează cu amplitudine minimă.

10) 11)Diferenţe intre imaginile de interferenţă obţinute cu diferite dispozitive

(Young şi lama cu feţe plan paralele şi Young şi pana optică)

Dispozitivul lui Young reprezintă primul dispozitiv cu care s-a pus in evidenţă experimental interferenţa luminii.

Thomas Young are meritul de a fi găsit, folosind acest dispozitiv, o metodă de obţinere de unde coerente.(Fig. 1)

Fig. 1

Imaginea (a) reprezintă schema dispozitivului Young, iar imaginea (b) reprezintă imaginea de interferenţă obţinută cu acesta.

Dispozitivul lui Young este format dintr-o sursă de lumină monocromatică(lumina venită de la un filament incandescent trece printr-un filtru optic), un paravan prevăzut cu două fante foarte inguste şi apropiate, paralele cu axa de simetrie a dispozitivului(S₁, S₂) şi un ecran pe care se obţine figura de interferenţă.

Pe ecranul dispozitivului Young se obţin franje de interferenţă care au forma unor benzi, luminoase şi intunecate alternând, paralele intre ele şi paralele cu fantele.

Regiunea din spaţiu in care se obţine figura de interferenţă cu dispozitivul Young este suficient de mare astfel incât franjele se pot obţine pe ecran pentru orice poziţie a lui aflată in aceasta regiune.De aceea se spune că interferenţa obţinută cu dispozitivul Young este interferenţă nelocalizată.

Lama plan-paralelă este un paralelipiped semitransparent cu feţele opuse perfect paralele cu ajutorul căruia se obţin franje de interferenţă, numite franje de egală înclinare.

Interferenţa se obţine cu razele 2 şi 3(Fig. 2)(care sunt coerente deoarece provin de la una şi aceeaşi sursă de lumină) care pot fi strânse intr-un punct din planul focal al unei lentile convergente.

Deoarece interferenţa se obţine cu raze paralele se spune că in cazul lamei cu feţe plan paralele se produce interferenţă localizată la infinit.

Figura de interferenţă este formată din inele luminoase şi intunecate alternand care se numesc inele de egală inclinare(sau inelele lui Newton), deoarece fiecare inel se produce cu raze care care cad pe lamă sub acelaşi unghi de incidenţă.

Fig. 2

Imaginea de interferenţă obţinută cu lama cu feţe plan-paralele(Inelele lui Newton)

De aici se observă mai multe diferenţe in ceea ce priveşte figura de interferenţă la cele două dispozitive:

Ø La dispozitivul lui Young imaginea de interferenţă apare sub forma unor benzi luminoase ţi intunecate alternând, in timp ce la lama cu feţe plan paralele aceasta apare sub forma unor cercuri concentrice, luminoase şi intunecate alternând.

Ø Interferenţa obţinută cu dispozitivul lui Young se spune că este nelocalizată, datorită celor explicate mai sus, iar cea obţinută cu lama cu feţe plan paralele este localizată la infinit.

Pana optică reprezintă un mediu optic semitransparent cu feţe plane şi de grosime variabilă, cu ajutorul căruia se obţin franje de interferenţă . Pentru variaţii mici ale grosimii penei şi pentru incidenţe ale radiaţiei apropiate incidenţei normale, franjele sunt localizate pe faţa penei şi se numesc franje de egală grosime sau franjele lui Fizeau.

Franjele sunt rectilinii, paralele intre ele şi paralele cu muchia penei, echidistante, luminoase şi intunecate alternând.

Diferenţa intre imaginea de interferenţă obţinută cu dispozitivului lui Young şi pana optică este aceea că, dacă la Young interferenţa este nelocalizată, la pana optică prelungirile razelor cu care se obţine interferenţa se intâlnesc intr-un punct situat intr-un plan foarte apropiat de faţa inferioară a penei, astfel considerându-se că franjele de interferenţă sunt practic localizate pe lamă.

Imaginile nu prezinta restrictii privind drepturile de autor, si au fost preluate de pe siteuri precum:

http://psi.phys.wits.ac.za/teaching/Connell/phys284/2005/lecture-02/lecture_02/img21.png

12)Dispozitive interferenţiale

Obţinerea fenomenului de interferenţă prin suprapunerea a două sau mai multe (dar finite) unde electromagnetice într-o regiune din spaţiu cere îndeplinirea simultană a mai multor condiţii. Astfel, undele trebuie să aibă aceeaşi frecvenţă, să provină de la aceeaşi sursă (pentru a exista coerenţă) şi să aibă elongaţiile paralele.

Respectarea acestor cerinţe impune ca un dispozitiv interferenţial să fie un divizor de unde; unda incidentă fiind divizată în două sau mai multe unde care, după ce parcurg drumuri optice diferite, se suprapun într-o regiune din spaţiu producând fenomene de interferenţă.

Constructiv, există o largă varietate de dispozitive interferenţiale.

1)Oglinda lui Lloyd utilizează o sursă primară S aşezată foarte apropiat de planul (sau prelungirea acestuia) oglinzii plane OG, fig. 1.

Sursa S₁ este chiar sursa primară S, iar cea de a doua sursă secundară S₂ este imaginea sursei primare în oglindă. Franja centrală se află în punctul O (în afara regiunii de interferenţă) şi este întunecată, după se observă dacă se apropie ecranul E de marginea oglinzii; în punctul O’ undele sunt în opoziţie de fază datorită defazajului de π radiani introdus de reflexia aer-sticlă pe oglindă (S₁O’=S₂O’).

2)Bilentilele Billet constau dintr-o lentilă convexă L tăiată diametral în două, jumătăţile fiind uşor distanţate una de alta, fig. 2.

Lumina emisă de sursa primară S formează după refracţia în cele două jumătăţi de lentilă, două imagini reale S₁ şi S₂care sunt sursele secundare coerente ce generează regiunea de interferenţă.

3)Dispozitivul lui Linnik. În acest dispozitiv sursa primară punctiformă S emite unde sferice având frontul de undă MN. O lamă semitransparentă plan-paralelă P este aşezată în calea propagării luminii emise de sursa S, atenuând puţin unda, dar fără a deforma frontul de undă. În lamă este practicată o apertură S’ care este sursa unor unde sferice cu centrul în S’ şi având frontul de undă M’N’, fig. 3.

Undele MN şî M’N’ provenind de la aceeaşi sursă sunt coerente şi dau figura de interferenţă sub forma unor inele concentrice alternativ luminoase şi întunecate pe ecranul E.