Лекции по физике

Математическая физика

Примеры решения задач
Конспекты
Справочник по физике

Методика решения задач
по электротехнике

Основы электротехники
Методические указания
по решению
Основы электроники
 

Предмет оптики.

Оптика раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом.

Под светом понимают видимый свет, а также инфракрасную и ультрафиолетовую часть спектра. Диапазон оптического спектра: l = 2мм ¸ 10нм; n = 1,5*1011 Гц ¸ 3*1016Гц.

Для объяснения световых явлений в физике используются 2 теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Х. Гюйгенс).

По волновой (электромагнитной) теории световое излучение представляет собой электромагнитные волны. Свет волны поперечные.

Е световой вектор (оказывает физиологическое, фотоэлектрическое и фотохимическое и др. воздействия).

с = 3*108м/с скорость света в вакууме = 1/ Ö (e0 * m0).

Фазовая скорость распространения электромагнитных волн: V = с / Ö (e * m).

Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости в среде называется абсолютным показателем преломления этой среды: n = с / V = Ö (e * m).

При помощи волновой теории объясняют законы распространения света.

По корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток фотонов (корпускул). На основе корпускулярной теории объясняют законы взаимодействия между светом и веществом.

Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция света.

1. Понятие о цуге световых волн.

Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых отдельными атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается ~ 108c. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин протяженностью ~ 3х метров, так называемый "цуг волн". "Погаснув" атом через некоторое время "вспыхивает" вновь. Одновременно вспыхивают много атомов. Возбуждаемые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют световую волну. Плоскость колебаний каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому, несмотря на то, что световые волны волны поперечные, в результирующей световой волне колебания происходят во всевозможных направлениях.

2. Понятие о когерентности световых волн.

Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.

Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени.

3. Сложение световых волн от некогерентных источников.

Естественные источники света некогерентны, т.к. фаза нового цуга волн никак не связана с фазой предыдущего.

Пусть две волны одинаковой частоты от когерентных источников, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления (т.е. векторы Е1 и Е2 однонаправлены). у1 = А1 * cos (wt + a1); у2 = А2 * cos (wt + a2).

Амплитуда результирующего колебания: А2 = А21 + А22 + 2 А1 А2 * cos d, где d = (a2 a1) разность фаз колебаний, т.к. источники некогерентны, то d непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения.  Поэтому среднее по времени значение <cos d> = 0, тогда: <А2> = <А21> + <А22>, т.к. J ~ Е2 ~ А2, то J = J1 + J2, т.е. интенсивность, наблюдаемая при наложении некогерентных волн, равна сумме интенсивностей, создаваемых каждой из волн в отдельности.

Сложение световых волн от когерентных источников света. Интерференция света.

В случае когерентных волн cos d имеет постоянное во времени для каждой точки пространства значение.

Тогда: J = J1 + J2 + 2 Ö (J1J2) * cos d.

С тех точках пространства где:

cos d > 0 , то J > J1 + J2

cos d < 0 , то J < J1 + J2

т.е. при наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве: в одних местах возникают максимумы, в других минимумы интенсивности.

Интерференция света – сложение в пространстве двух (или нескольких волн), при котором в разных его точках получается усиление или ослабление результирующей волны.

Интерференция световых волн от двух источников.

Щели S2 и S1 находящиеся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными источниками света. Интерференция наблюдается в производной точке А экрана, параллельной обеим щелям и расположенным от них на расстоянии l, причем l >> d.

Интенсивность в любой точке А, лежащей на расстоянии от х до 0, определяется оптической разностью хода D = S2 S1 Þ S22 = l2 + (x + d/2)2, S12 = l2 + (x d/2)2 Þ  S22 S12 = 2xd Þ D = S2 S1 = 2xd / (S2 + S1), т.к. l>>d, то S2 + S1 » 2l Þ D = xd/l.

хMAX = ± m * l0 * l / d условие максимума

хMIN= ± (m + ½) * l0 * l / d условие минимума.

Расстояние м/д двумя соседними максимумами (или минимумами), называется шириной интерференционной полосы: Dч = l * l0 / d.

Интерференционная картина, создаваемая на экране 2мя когерентными источниками света, представляет собой чередование светлых и темных полос параллельных друг другу.

Способы наблюдения интерференции.

Естественные источники света испускают некогерентные волны. Поэтому когерентность интерферирующих волн обеспечивают искусственным способом: разделение каждой волны на две волны в одном месте и соединение их в другом месте. Эти волны проходят различные пути, и между ними существует разность фаз.

1) Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2, параллельные щели S. Т.о. щели S1 и S2 играют роль когерентных источников. Интерференционная картна наблюдается на экране, расположенном на некотором расстоянии параллельно S1 и S2.

2) Зеркала Френеля. Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А1О и А2О, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 1800 (угол j мал). Учитывая правила построения изображения в поских зеркалах, можно показать, что и источник, и его изображения S1 и S2 (угловое расстояние между которыми равно 2j) лежат на одной и той же окружности радиуса r с центром в О (точка соприкосновения зеркал).

Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах.

Мнимые источники S1 и S2 взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания. Можно показать, что максимальный угол расхождения перекрывающихся пучков не может быть больше 2j. Интерференционная картина наблюдается на экране, защищенном от прямого попадания света заслонкой З.

3) Бипризма Френеля: она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S1 и S2, являющихся когерентными. Т.о., на поверхности экрана происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.

На главную