экзамен. фихика. 1. Предмет волновой оптики. Характеристика световой волны. Волновая оптика

• Название: 1. Предмет волновой оптики. Характеристика световой волны. Волновая оптика
• Анкор: экзамен
• Дата: 07.06.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: фихика.docx
• Тип: Закон; #574749
• страница: 2 из 3

13.Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.
Поляризатор – устройство, преобразующее естественный свет в плоскополяризованный.
Анализатор – устройство, служащее для анализа степени поляризации света.
Интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора.
Из закона Малюса следует, что интенсивность света будет максимальной, когда плоскости падения лучей света параллельны друг другу, и минимальной, когда они взаимно - перпендикулярны.

Глаз человека не может отличить поляризованный свет от естественного, для этого необходимо использовать поляризаторы, которые в случае анализа поляризованного света называются анализаторами.
Анализировать поляризованный свет первым предложил французский физик Э.Малюс (1775-1812), установив закон изменения интенсивности поляризованного света.



Для анализа поляризованности света анализатор нужно вращать вокруг луча, если при этом можно найти такое положение, при котором свет сквозь него не проходит, то такой свет полностью поляризован; если при вращении анализатора интенсивность света не изменяется, этот свет естественный.

14.Оптически активные вещества. Эффект Фарадея.
Вещества, способные вращать плоскость поляризации, на­зываются оптически активными.
Угол поворота  плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей  = αd, где α –постоянная вращения, угол поворота плоскости поляри­зации слоем вещества единичной толщины; d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.
М. Фарадеем (1845г.) было установлено, что вещества, не обладающие естественной оптической активностью, приобре­тают ее под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея или магнитное вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален напряженности магнитного поля Н, длине пути света в веществе l.  = VHl, где V – постоянная Верде (или удельным магнитным враще­нием), которая зависит от природу вещества и длины волны света.
Если отразить луч света с по- мощью зеркала и заставить пройти через намагниченное вещество еще раз в обратном направлении, то угол поворота плоскости поляризации удвоится.
Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит. Оптически активное вещество под действием магнитного поля приобретает дополнительную способность вращать плоскость поляризации и угол поворота будет равен сумме углов поворота, обусловленных естественной и ис-кусственной оптическими активностями.

15.Интерференция поляризованного света. Метод фотоупругости.
Цуги волн естественного света некогерентны, так как соответствуют излучению различных, независимых атомов источника света. При прохождении естественного света через одноосный анизотропный кристалл разные цуги участвуют в образовании обыкновенного и необыкновенного лучей. Поэтому они некогерентны. Если же пропустить через одноосный анизо­тропный кристалл плоско поляризованный свет, то обыкновен­ный и необыкновенный свет будут когерентны и при опреде­ленных условиях могут интерферировать.


Естественный свет, пройдя через поляри­затор стано­вится плоско поляризованным. Далее он попадает на пластинку, вырезанную из одноосного анизотропного кристалла парал­лельно оптической оси. Внутри пластинки он разбивается на два луча обыкновенный "о" и необыкновенный "е", которые пространственно не разделены, но движутся с разными скоро­стями. За время прохождения через пластинку между ними воз­никает разность хода Δ = (n_o-n_e) d, где d – толщина пластины. Хотя эти лучи когерентны и имеют оптическую разность хода, но они не могут интерферировать, так как вектора колебания Е_о и Е_е лежат во взаимно перпенди­кулярных плоскостях. Поэтому, чтобы получить интерференци­онную картинку необходимо совместить плоскости колебаний этих волн. Для этого применяют анализатор.

Анализатор пропустит только ту состав­ляющую каждого из векторов (на рисунке это вектора Е_е' и Е_о' ), которая будет парал­лельна плоскости анализатора (ОО'). Ин­терференционная картина, наблюдаемая на выходе из анализатора, зависит от многих факторов, таких как разности фаз, длины волны падающего света, от угла между осью поляризатора и оп­тической осью двояко преломляющей пластины и т. д.
Фотоупругость - возник­новение оптической анизотропии в первоначально изотропных веществах под воздействием механических напряжений.
Посредством интерференции поляризованных лучей проводится определение величин внутренних напряжений в различных деталях (метод фотоупругости)

16.Взаимодействие света с веществом. Поглощение света.
Явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию веществав или энергию вторичного излучения, имеющего другой спектр и другие направления распространения, называется поглощением света. Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение или ионизацию атомов, а также другие процессы в веществе.
Закон поглощения света (Бугера-Ламберта)   ,
где I₀ и I – интенсивности световой волны на входе и выходе из вещества, α – показатель поглощения среды, который зависит от химической природы и состояния вещества, а также от длины волны падающего света и не зависит от его интенсивности, х – толщина образца.
Интенсивность световой волны, прошедшей через разбавленный раствор определяется законом Бугера-Ламберта-Бера: 

17.Взаимодействие света с веществом. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия.
Зависимость показателя преломления n вещества от частоты или длины волны падающего на вещество света называется дисперсией света. n = f(ν); n = f(λ).
Фазовая скорость света, следовательно, также есть функция частоты или длины волны света: υ = f(ν); υ = f(λ).
Зависимость n(ν) или n(λ) имеет нелинейный и немонотонный характер. Существуют области частот, для которых n увеличивается с ростом ν (или, что то же самое, уменьшается с ростом λ). Для этих областей частот выполняются условия:  .
В данном случае мы имеем дело с нормальной дисперсией света. Нормальная дисперсия наблюдается у веществ, прозрачных для света. Например, обычное стекло прозрачно для видимого света и в данном диапазоне частот наблюдается нормальная дисперсия света в стекле. При нормальной дисперсии групповая скорость световых волн в веществе u < υ.
Дисперсия света называется аномальной, если с ростом частоты показатель преломления уменьшается (или с ростом длины волны - увеличивается), т.е.  .
У обычного стекла аномальная дисперсия обнаруживается в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне световых волн. При аномальной дисперсии групповая скорость больше фазовой u > υ.



18.Рассеяние света. Закон Рэлея. Молекулярное рассеяние света.

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества. Это свечение обусловлено вынужденными колебаниями электронов в молекулах рассеивающей среды под действием падающего света.
Упрощенно процесс можно представить себе как поглощение фотона hν и испускание нового фотона hν΄. Если ν = ν΄, рассеяние называется Рэлеевским, или упругим. Если ν ≠ ν΄, рассеяние сопровождается перераспределением энергии между излучением и веществом и его называют неупругим.
При прохождении яркого пучка света через слой воздуха, заполненного дымом. При наблюдении сбоку, т.е. в рассеянном свете, среда кажется голубоватой. В проходящем свете среда кажется красноватой. В данном случае для рассеянного света выполня- ется закон Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна его длине волны в четвертой степени: 
Молекулярное рассеяние света.
В однородных средах могут возникать неоднородности плотностей (флуктуации) молекулярных размеров, обусловленные хаотичным движением молекул.
Солнечный свет, рассеиваясь на флуктуациях плотности, подчиняется законам Рэлея. В рассеянном свете преобладает голубая составляющая, поэтому небо голубого цвета. Солнце на закате красное, т к свет проходящий, а не рассеянный.

19.Прозрачные и непрозрачные тела. Отражение и пропускание. Окраска тел в природе.
Отражение света – это явление, заключающееся в том, что при падении света из первой среды на границу раздела со второй средой, взаимодействие света с веществом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела в первую среду.
Интенсивность отраженного света зависит от угла падения, поляризации падающего пучка лучей, показателей преломления обеих сред и характеризуется коэффициентом отражения R: 
Iотр – интенсивность отраженного света. Коэффициент отра- жения всегда меньше единицы. Если неровности поверхности границы раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то имеет место правильное, или зеркальное отражение света. Если же размеры неровностей соизмеримы с длиной волны или больше нее, то отражение называется диффузным.
Пропускание света – это прохождение света сквозь среду без изменения набора частот составляющих его монохроматических волн и их относительной интенсивности.
Каждое тело, взаимодействуя со светом, имеет способность поглощать, пропускать или отражать свет тех или иных длин волн. Если тело хорошо поглощает падающий на него свет, а отражает и пропускает плохо, оно черное и непрозрачное, как, например, сажа. Белые тела наоборот хорошо отражают падающий на них свет, а поглощают плохо. Окраска всех непрозрачных тел определяется тем, какие длины волн тело лучше отражает. Тело, для которого коэффициент отражения красных длин волн значительно больше коэффициентов отражения других волн, будет красным и т.п. Окраска всех прозрачных тел определяется тем, какие длины волн тело лучше пропускает. Прозрачное тело будет бесцветным, если оно поглощает свет всех цветов в одинаковой мере и таким образом, в прошедшем свете не будет нарушено соотношение между различными составляющими белого света.

20. Тепловое излучение. Энергетическая светимость, испускательная и поглощательная способности.

Электромагнитное излучение, испускаемое атомами тела за счет внутренней (тепловой) энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств данного тела, называется тепловым.
Энергетическая светимость R(Т) - это полная энергия электромагнитного излучения, испускаемая единицей поверхности тела во всех направлениях в единицу времени на всех частотах.
Испускательная способность равна энергии, испускаемой с единицы поверхности тела в единицу времени в единичном интервале частот.

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется поглощательной способностью   .

21.Абсолютно черное тело. Теплообмен. Закон Кирхгофа.
Нагретые тела обмениваются энергией путем испускания и поглощения лучистой энергии. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в сред- нем компенсируют друг друга, и в пространстве между телами характеристики излучения достигают определенных значений, зависящих только от установившейся температуры тел. Это из- лучение, находящееся в термодинамическом равновесии с тела- ми, имеющими одинаковую температуру, называется равновес- ным или черным излучением. Равновесие в полости устанавливается потому, что каждое тело испускает ровно столько лучистой энергии, сколько оно ее поглощает.
Все тела частично поглощают и частично отражают падающее на них излучение. Идеализацией является понятие абсолютно черного тела, поглощающего все падающее на него излучение во всем диапазоне частот. Поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице при любой температуре T .
Закон Кирхгофа: отношение излучательной и поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел:   , где функция f(ν,T) называется универсальной функцией Кирхгофа. Этот закон следует из того, что для теплового равновесия количества поглощаемой и излучаемой телом энергии должны быть равны для всех диапазонов частот:   .
Из закона Кирхгофа следует, что ис- пускательная способность любого тела меньше, чем абсолютно черного.

22.Законы теплового излучения.
Закон Кирхгофа:
отношение излучательной и поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел:   , где функция f(ν,T) называется универсальной функцией Кирхгофа. Этот закон следует из того, что для теплового равновесия количества поглощаемой и излучаемой телом энергии должны быть равны для всех диапазонов частот:   .
Закон Стефана-Больцмана:
энергетическая светимость абсолютно черного тела R(T) пропорциональна четвертой степени абсолютной температурыT: R(T) = T⁴
Закон смещения Вина: длина волны λ_m, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T. Значение постоянной Вина b = 2,898·10^–3 м·К. λ_m = b / T.