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.

1. Тема: "Волновая оптика" - 2 часа

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.

4. Междисциплинарная интеграция

№№ п./п.	Дисциплина	Знать	Уметь
1	2	3	4
1	Курс физики средней школы	Понятие об интерференции и дифракции света	Определять условия min и max для когерентных источников на дифракционной решетке
2	Следующие дисциплины: 1.Офтальмология 2.Терапия 3.Хирургия
3	Внутрипредметная интеграция 1.Электромагнитные колебания 2.Электромагнитные волны 3.Принцип суперпозиции электромагнитных полей	1.Классифика-ция электромагнит-ных волн 2.Волновое уравнение	Пользоваться принципами суперпозиции электромагнит-ных полей

5. 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.

6. План и организационная структура занятия

№ п/п	Основные этапы, их функции и этапы	Учебные цели в уровнях освоения	Методы контроля и обучения	Методическое обеспечение	Время, мин.
1	2	3	4	5	6
1	Подготови-тельный этап				15
1.1	Организа-ция занятия	Проверка присутствия студентов и их готовности к занятию	Ассистентский журнал	Методические разработки для преподавателей
1.2	Постановка учебных целей	Оглашение темы занятия и ее мотивационная характеристика; постановка общих и конкретных целей занятия, указание на межпредметную интеграцию	Устное определение актуальности и профессионального направления данной темы	Методические разработки для преподавателей
1.3	Контроль начального уровня знаний	Проверка начального уровня знаний студентов по данной теме, степени их готовности к восприятию материала занятия, указание на связь данной темы с уже пройденными (1 уровень)	Устный опрос (по перечню контрольных вопросов); выполнение заданий №1-3 п.7.1 "Метод. рекомендаций для преподавателей"	Контрольные вопросы; учебные задания п.7.1 (№1-5)
2	Основной этап				55

Продолжение таблицы

1	2	3	4	5	6
2.1 2.2	Опрос, объяснение основных положений темы Выполне-ние учебных заданий	Студент должен усвоить положения данной темы, знать основные законы и уравнения, уметь использовать их для пояснения биофизических процессов и принципов работы медицинских приборов (уровень 2)	Устный опрос (по перечню контрольных вопросов); выполнение заданий №1-5 п.7.2 "Метод. рекомендаций для преподавателей"	Контрольные вопросы; учебные задания п.7.2 (№1-5)
3.	Заключи-тельный этап				20
3.1	Контроль и коррекция уровня знаний, умений по теме занятия	Студент должен уметь применять приобретенные знания для решения типовых и ситуационных задач медико-биологического содержания (уровень 3)	Решение типовых и ситуационных задач №1-5 п.7.3 "Метод. рекомендаций для преподавателей"	Учебные задания п.7.3
3.2	Подведение итогов занятия	Акцентирование основных положений темы и их связь с последующими темами и дисциплинами	Заполнение ориентационной карты действий, выполнение заданий №1-5 п.7.4 "Метод. рекомендаций для преподавателей"	Таблица "Межпредметная интеграция" п.3 "Метод. рекомендаций для преподавате-лей", учебные задания п.7.4 (№1-5) "Метод. рекомендаций для студентов", список литературы

Продолжение таблицы

1	2	3	4	5	6
3.3	Домашнее задание	Объявление темы следующего занятия. Комментарий преподавателя относительно заданий для самостоятельной работы и рекомендованной литературы	Заполнение ориентационной карты действий, выполнение заданий №1-5 п.7.4 "Метод. рекомендаций для преподавателей"

7. 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

Понятие	Формула	Формулировка
Условие максимума при интерференции
Условие минимума при интерференции
Максимум интенсивности
Минимум интенсивности
Основная формула дифракционной решетки
Разрешающая способность дифракционной решетки
Формула Вульфа-Брэггов

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".

8. Литература для преподавателя

1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, 1987, с.419-446.

2. Лекция "Интерференция и дифракция света".

Методическое пособие составила ассистент Бежик Н.В.

н

Н - прозрачный микроскоп

О

Э

А

А₁

А₂

В

L

L

l₂

l₂

l₃

L

c

12

---