Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Отпика

Отражение и преломление плоской волны на гранях двух диэлектриков

Граничное условие ,  - в плоскости чертежа .  - волновой вектор, совпадающий с направлением распределения волны. Среда однородная и изотропная, следовательно,  и  принадлежат плоскости падения.

Плоская линейно поляризованная монохроматическая волна

 (1.5)

где  - круговая частота,  - амплитуда электрического поля,  - нет, т.к. линейно поляризована.

Поле в первой среде .

Поле во второй среде .

При ; .

Это выполняется только при любых  и в любых точках плоскости раздела.

,

,

,

.

 - относительный наклон прямой .

Это дает закон отражения и преломления.

 

 

Полное внутренне отражение

При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, луч удаляется от нормали для преломленного луча быстрее.

С увеличением угла падения увеличивается до тех пор, пока при некотором угле падения () угол преломления не окажется, равны . При  весь падающий свет полностью отражается. Энергия перераспределяется между тремя лучами. Энергия преломленного  0. Это явление – явление полного внутреннего отражения.

,

при , .

Т.е. это явление имеет место только, если свет падает из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

 

 

Соотношение между амплитудой и фазой

Граничные условия – условия непрерывности тангенциальных составляющих.

,

 

 

Рассмотрим нормальное падение, т.е. .

 - правые тройки.

Из рисунка

, .

но

(1.6)

(1.7)

Если , то фаза на границе при отражении не меняется, если , то меняется на  скачков.

Колебание в падающей и прошедших волнах всегда происходит в одинаковых фазах.

Интенсивность пропорционально,  следовательно

 - закон сохранения энергии.

Коэффициент отражения:

Подставим  и .

Коэффициент проникновения:

 

 

Интерференция

Способы наблюдения интенсивности делением волнового фронта волны

1. Метод Юнга.

2. БИзеркала Френеля.

3. Бипризма Френеля.

4. Билинза Бийе.

5. Зеркало Алойда.

 

 

Полосы равной толщины

Мы рассмотрели от плоскопараллельных прозрачных пластин. Теперь рассмотрим случай, когда поверхность переменной толщины. Пусть луч 1 частично отражается от поверхности плоскости прошел внутрь, отравился от нижней поверхности и попал в точку P (луч ). В световом потоке, исходящем из S всегда найдется луч, который попадает в точку P часть отражается верхней поверхностью (луч ). При определенном взаимном положении пластины и линзы лучи  и , проходят через линзу, переходят в точку A, которая является изображением точки P. Так как  и  - когерентны, то в точке А будет интенсивность мала или min. если источник расположен довольно далеко и угол между поверхностями ВС и DE достаточно мал, то разность х между интенсивностью казалось будет  равна

При достаточном удалении от поверхности источника углы падения лучей на пластину можно считать равными, в этом случае разность х будет определятся толщиной h в точке P.

 что всем точкам поверхности пластины одинаковой толщины соответствует одна и та же интерференционная картина.

max   и min одинаковой интенсивности соответствует точкам поверхности, в которых толщина пластины имеет одно и то же значение  полос или же линии равной толщины.

 

Применение интерференции

Форма интерференционной картины, положение max, min зависит от толщины и формы пластин, от угла между их поверхностями, от состояния поверхности и т.д.

Следовательно, можно, изучая форму и положение интерференционных полос, судить о свойствах исследуемой пластины, т.е. можно применить интерференционное явление для измерений физических параметров прозрачных тел.

Ценность этого метода в том, что он чувствителен к малому изменению параметров, поскольку условие свойств вещества, для которых наблюдается интерференция, имеет порядок 10^-5 см.

Рассмотрим некоторые применения интерференционных явлений.

1. Изучение соответствующей поверхности.

В оптической приближенности к поверхности оптических приборов при их изготовлении предъявляют очень высокие требования – зеркальной поверхности, поверхности линз должны быть очень гладкими.

Есть эталонная пластинка , поверхность которой является достаточно гладкой она лежит на исследуемой АВ. Между ними существует воздушный зазор, профиль и размеры которого определяют степень и характер отклонения исследуемой поверхности от эталонной.

Если попадет на этот воздушны зазор пучок света, то лучи, отражается от нижней и верхней поверхностей, дадут соответствующую интерференционную картину.

Свет от S, расположен в фокусе линзы Л, направляется на поверхность полупрозрачной пластины . Отражаясь от  луч через линзу Л направляется на поверхность воздушного зазора. Отражающие лучи падают на экран F, расположенный в фокальной плоскости линзы, интерференционной картины. Если исследоваемая поверхность такая же гладкая, как и плоскость эталона, то в зависимости от относительного положения этих пластин будем наблюдать интенсивность полос равного наклона или равной толщины. Если же поверхность шире, то интенсивность полосы в соответствующих местах будет искривлена. По величине искривлений можно судить о размерах выступав и углублений на поверхности исследуемой пластинки.

 

 

Дифракция

 

Принцип Гюйгенса-Френеля

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути. Биография дифракции волн может попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, протекать через небольшое отверстии в экранах.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса: каждоя точка до которой доходит световая волна, становится в свою очередь источником центром вторичных волн. Поверхность, огибающая эти вторичные волны, определяет фронт волны в этот момент времени. На основе этого принципа Гюйгенс объяснил законы отражения и преломления света.

Например знаем волновая поверхность в момент времени , в следующий момент времени , чтобы найти волновую поверхность нужно каждой точке волновой поверхности времени , как источник вторичных волн. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент .

Но из опыта известно, что предметы, освещенные светом от точечного источника, дают резкую тень, и следовательно не отклонялся от прямого распределения. Теория Гюйгенса не дает ответ на этот вопрос, так как не касается амплитуды, а следовательно и интенсивности, а говорит только об направлении волн. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, световая волна, возбуждается каким-либо источником, много больше представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля: волновая поверхность не просто огибающая вторичных волн, но и результат их интерференции.

 

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – это система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрогразироваными промежутками.

Рассмотрим дифракцию Фраунгофера.

Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей.

Ширина щели  ширина непрозрачных участков .

 - постоянная или период решетки.

 - главные максимумы

 - главные минимумы.

 

 

Дисперсия света

Дисперсией света называется показатели преломления  вещества от частоты  (длины ) света или зависимость фазовой скорости  световых волн от частоты .

Дисперсией света представляется в виде зависимости

(4.1)

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Впервые экспериментальное наблюдение дисперсии принадлежит И. Ньютону (1672).

Рассмотрим дисперсию света в призме. Монохроматический луч света падает на призму с показателем преломления , под углом . После двукратного преломления (на левой и правой границе) луч оказывается отклоненным от первого направления на угол .

(4.2)

т.е.  отклоняет лучей тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.

Из (4.2) следует, что  зависит от (n -1), т.е. (так как n – функция длины волны) следовательно лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклонениями на разные углы, т.е. пучок белого света за призмой разлаживается в спектр (это и наблюдал Ньютон).

Величина  называется дисперсией вещества, показывает как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны.

Для всех прозрачных веществ показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны, т.е.  такая дисперсия называется нормальной.

если  - аномальная дисперсия.

Это происходит вблизи линий и полос поглощения.

 

 

Рассеяние света

Свет вызывает колебание электронов в атомах среды. Вторичные волны распространяется во всех направлениях. В однородной среде – прямолинейность распространения за счет интерференции вторичных волн, так как они когерентны.

Если среда не однородная, то может происходит дифракция света, т.е. происходит рассеяния света.

В мутных средах (средах с явно выраженным оптическими неоднородными). Это аэрозоли (облака, дым, туман), эмульсия, коллонуные растворы и т.д. Это среды в которых известно множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходящий через мутную среду, дифрагирует от беспорядочно расположенных микро неоднородностей, давали равномерное распределение интенсивности всем направлениям, не создавая какой-либо дифракционной картины.

Это явление можно наблюдать, когда узкий пучок солнечных лучей, проходит через запыленный воздухом, рассеивающий на пылинках и становится тем самым веществом.

Рассеивание (как правило слабое) наблюдается также и в чистых средах и обеспечивает тем что показатель преломления не постоянен, и меняется от точки к точки.

Смолуховский указал, что может быть флуктуация плотности, возникшим в процессе хаотического теплового движения молекул среды.

 

Квантовые свойства света

Применение фотоэффекта

1. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

2. вентильные фотоэлементы

3. фоторезисторы

Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейший фотоэлементам с внешним фотоэффекта – вакуумный фотоэлемент откаченный стенки баллон, внутренней которого покрыта слоем. Они используются фотометрическим приборов.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом называется вентильным или фотоэлементами с запирающим светом. Они испытываются для создания солнечных батарей.

Фотоэлементы основные на внутреннем фотоэффекте называется полупроводниками фотоэлементами или фоторезисторами.

Они очень малогабаритны, имеют низкое напряжение питания но они обладают заметной инертности следовательно непригодны для регистрации быстро переменных световых потоков.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются для контроля, управления, автоматизации различных процессов, в волной технике для сигнализации и локализации невидимых излучений, в технике звукового кино, в различных системах связи и т.д.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были получены следующие основные результаты и выводы:

1. Наглядные пособия являются довольно оригинальными с точки зрения практического применения

2. С их помощью можно выделить главное и четко представить различные моменты изложения материала

3. Автором данной работы разработаны наглядные пособия по следующим темам:

· Интерференция

· Дифракция

· Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

· Квантовые свойства света

Разработанные данные наглядные пособия будут апробированы в ходе преподавания выше указанных тем.

Отпика

Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следствие четырех основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного рассеивания света.

2. Закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике).

3. Закон отражения.

4. Закон преломления света на границах двух сред.

Первый: Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Второй: Эффект, производимым отдельным пучком, от того действует ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Третий:

Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол падения  равен углу отражения.

Четвертый: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла преломления есть величина постоянна для данных сред:

где  - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называют величину , равную отношению скорости с электромагнитными волнами в вакууме к их фазовой скорости  в среде

(1.1)

Основные законы были установлены давно, но точка зрения на них менялась на протяжении многих веков.

Так Ньютон придерживал теории истечения световых частиц, которые подчиняются законам механики. Гюйгенс выступал с другой (корпускулярной теорией света) теорией света. Он полагал, что световые возбуждения следует рассматривать как упругие импульсы, распространяется в особой среде – эфир (волновая теория света).

В течении XVIII века корпускулярная теория занимала господствующее положение, хотя борьба обоих теорий не прекращалась.

Затем труды Юнга и Френеля в XIX веке внесли большой вклад и дополнение в волновую оптику. Максвелл на основе своих теоретических исследованиях сформулировал заключение, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде

 (1.2)

где  - скорость света в вакууме,  - скорость в среде, имеющую диэлектрическую проницаемость  и магнитную проницаемость .

Так как , то

 (1.3)

(1.3) дает связь между оптическими, электрическими и магнитными константами вещества. Длина волны оптического диапазона . Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной носит название интенсивность света.

, .

, .

Линии, вдоль которого распространяется световая энергия, называется лучами.  направлен по касательной к лучу. В изотропной среде . Следствием теории Максвелла является поперчнность световых волн: векторы напряженностей электрического  и магнитных  полей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости  распространяющегося луча, т.е. перпендикулярно лучу.

Обычно в оптике все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора интенсивности  электрического поля. Так как при действии света на вещество, основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают свет волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом характеризуется всевозможным равновероятным колебаниями светового вектора (см. рис. луч перпендикулярный плоскости рисунка).

 

Свет, со всевозможными равновероятными ориентациями вектора  называется естественным. Если есть упорядоченность, то свет называется поляризованным. Если колебание происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (линейно) поляризованным.

 

Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – т.е. конец вектора  во времени описывает эллипс.

; где  - эллиптичность.