Примен.элек-магн. волн.Скорость света. Законы. Линзы.-ПИdocx. Конспект занятия "Принцип радиотелефонной связи. Простейший радиоприемник "

• Название: Конспект занятия "Принцип радиотелефонной связи. Простейший радиоприемник "
• Дата: 02.06.2020
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: Примен.элек-магн. волн.Скорость света. Законы. Линзы.-ПИdocx.docx
• Тип: Конспект; #127409
• страница: 3 из 5

Угол, образованный падающим лучом и перпендикуляром, восставленным к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения.

Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения.

Из опыта видно, что углы отражения и падения равны. Увеличим угол падения — увеличивается и угол отражения света, но по-прежнему эти углы равны. А то, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отражённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска. На основании таких вот простых опытов мы можем сформулировать закон отражения света, открытый Евклидом в III веке до нашей эры. Итак, падающий луч, отражённый луч и нормаль к отражающей поверхности в точке падения луча лежат в одной плоскости. При этом угол отражения света равен углу падения.

А теперь по направлению отражённого луча пустим луч света от осветителя. Он отразится от зеркала и пойдёт по направлению, по которому в предыдущем опыте шёл падающий луч. Лучи и углы как бы поменялись местами. Это свойство отражённого и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей.

Закон отражения света можно вывести и из одного общего принципа, описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был сформулирован Христианом Гюйгенсом «Трактате да ла Люмьер» в 1690 году. Итак, согласно принципу Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Огибающая поверхность к фронтам волн от вторичных источников определяет положение нового фронта волны.

Покажем справедливость закона отражения света с помощью принципа Гюйгенса. Для этого предположим, что на плоскую отражающую поверхность падает параллельный пучок света.



Выделим в нём два луча, например, А₁А и В₁В. Проведём фронт волны для момента времени, когда луч А₁А дошёл до отражающей поверхности. Тогда в точке В колебания начнут возбуждаться с запаздыванием по времени на величину СВ к υ, где υ — это скорость волны в данной среде.

В момент времени, когда волна достигнет точки B и в этой точке начнётся возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке A уже будет представлять собой полусферу радиусом υΔt. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точками A и B, меняются так, как показано на экране.

Огибающей вторичных волн является плоскость BD (касательная к сферическим поверхностям). Она представляет собой волновую поверхность отражённой волны. При этом отражённые лучи АА₂ и BB₂ перпендикулярны этой поверхности.

Теперь рассмотрим два треугольника ABD и АВС. По построению это два прямоугольных треугольника, у которых стороны AD = CB, а сторона АВ у них общая. Следовательно, эти два треугольника равны (по четвёртому признаку равенства прямоугольных треугольников). Тогда и углы ∠DBA = ∠CAB равны между собой.

С другой стороны угол ∠CAB равен углу падения, как углы с перпендикулярными сторонами. Аналогично угол ∠DBA равен углу отражения. Отсюда следует вторая часть закона отражения света, что угол отражения равен углу падения.

В физике принято различать два вида отражений света: зеркальное и диффузное (или рассеянное).

Зеркальным называется отражение, при котором падающий на плоскую зеркальную поверхность параллельный пучок лучей после отражения остаётся параллельным.

А диффузное отражение дают шероховатые поверхности, которые отражают падающий на них параллельный пучок света по всевозможным направлениям.

Примером зеркальной поверхности служит плоское зеркало. Каждый день по нескольку раз мы смотримся в зеркало и видим там своё отражение. Попробуем ответить на вопросы: где и на каком расстоянии от зеркала оно находится? Каковы его размеры и как оно образуется?

Для этого проведём простой опыт. Поставим на столе вертикальную стеклянную пластинку, выполняющую роль плоского зеркала, и горящую свечу. Как видим, в стекле хорошо видно изображение свечи, хотя за пластинкой, конечно же, никакой свечи нет.



Теперь возьмём такую же по размерам, но незажжённую свечу и будем перемещать с другой стороны пластинки вдоль линейки до тех пор, пока она не совместится с изображением, то есть не будет казаться зажжённой. Используя линейку не трудно показать, что расстояния от пластинки до свечи и до её изображения равны между собой. А так как незажжённая свеча совместилась с изображением по высоте, то можно сделать вывод, что размеры изображения равны размерам предмета.

Таким образом в плоском зеркале глаз видит изображение таких же размеров, что и предмет, и на таком же расстоянии за зеркалом.

Теперь давайте посмотрим, как строятся изображения различных предметов в плоском зеркале. Итак, пусть перед зеркалом находится точечный источник света. Из множества лучей, посылаемых им, выделим два, падающих на зеркало и, пользуясь законом отражения света, построим отражённые лучи.

Не трудно заметить, что пучок света, ограниченный отражёнными лучами, будет расходящимся. Он то и попадает в глаз наблюдателя. А вот продолжения отражённых лучей пересекаются в точке, находящейся за зеркалом. Глаз воспринимает отражённые лучи так, как будто они исходят из этой точки, которая является изображением нашего источника. Такое изображение называют мнимым. Следовательно, плоское зеркало даёт мнимое изображение.



Теперь построим изображение протяжённого предмета, например стре́лки. Для этого нам необходимо построить изображение двух её крайних точек. Итак, пустим первый луч из точки «А» на зеркало перпендикулярно его плоскости. Значит, угол падения равен нулю. Следовательно, отражённый луч пойдёт вдоль падающего, но в обратном направлении, так как, согласно закону отражения света, угол падения и угол отражения равны́.

Второй луч направим к зеркалу под некоторым углом. От зеркала он отразиться под таким же углом. Как видим, отражённые лучи не пересекаются. Но пересекаются их продолжения за зеркалом. Следовательно, эта точка и есть мнимое изображение точки «А».



Аналогично можно построить изображение любой точки предмета, в том числе и второй крайней точки

Здесь важно запомнить, что предмет и его изображение в плоском зеркале представляют собой не тождественные, а симметричные фигуры.

Законы преломления света

С помощью простых опытов мы показали, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если же пучок света падает на границу раздела двух однородных прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. При этом падающий луч, отражённый луч и нормаль к отражающей поверхности в точке падения луча лежат в одной плоскости. А угол отражения равен углу падения.

Также мы с вами смогли доказать закон отражения света с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому, каждая точка волнового фронта является источником вторичных сферических волн. Огибающая поверхность к фронтам волн от вторичных источников определяет положение нового фронта волны.

Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. Явление изменения направления распространения света при его переходе из одной среды в другую называется преломлением света.

Интересно, что первые упоминания о преломлении света в воде и стекле встречаются в труде Клавдия Птолемея «Оптика», вышедшем в свет во II в. н. э..

Давайте вспомним некоторые понятия и законы, связанные с данным явлением. Для этого обратимся к простому опыту: укрепим в центре оптического диска тонкую стеклянную пластинку и направим на неё узкий пучок света. Как видим, небольшая часть света отразилась от пластинки, а часть света прошла сквозь неё, изменив при этом своё направление распространения.

Проведём перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча и вспомним, что луч света, идущий к границе раздела двух сред, называется падающим лучом. А угол между падающим лучом и перпендикуляром, восста́вленным в точке падения луча, называется углом падения.



Луч же света, проходящий во вторую среду, называется преломлённым лучом. Следовательно, угол между перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча, и преломлённым лучом называется углом преломления.

Здесь же отметим, что если свет падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, то он не испытывает преломления. Разумеется, не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковыми физическими свойствами.

Сравним углы падения и преломления. Как видно, угол преломления меньше угла падения. Увеличим угол падения — угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения. А то, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и преломлённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска. На основании вышесказанного мы можем с вами сформулировать первую часть закона преломления света. Итак, падающий луч, преломлённый луч и нормаль к границе раздела двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

Чтобы сформулировать вторую часть закона преломления рассмотрим падение плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения. Если угол падения отличен от нуля, то различные точки фронта волны достигнут границы раздела двух сред не одновременно.

Пусть фронт волны перемещается в первой среде со скоростью, модуль которой мы обозначим через υ₁. Тогда в точке В колебания начнут возбуждаться с запаздыванием по времени на величину СВ/υ₁.



В момент времени, когда волна достигнет точки B и в этой точке начнётся возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке A уже будет представлять собой полусферу радиусом υ₂Δt, где υ₂ — это скорость распространения света во второй по ходу луча среде. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точками A и B, меняются так, как показано на экране.

Огибающей вторичных волн является плоскость BD — касательная к сферическим поверхностям. Она представляет собой волновую поверхность преломлённой волны. При этом преломлённые лучи АА₂ и BB₂ перпендикулярны этой поверхности.

Давайте посмотрим на ΔАВС — он у нас прямоугольный по построению. Следовательно, угол  равен углу падения луча АА₁, как углы со взаимно перпендикулярными сторонами. Тогда длину стороны ВС можно найти:



Теперь рассмотрим ΔАВD — он тоже прямоугольный по построению. При этом угол  равен углу преломления, как углы между двумя взаимно перпендикулярными сторонами. Поэтому



Разделим почленно последние два уравнения друг на друга и упростим полученное равенство:



Отношение  называют относительным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в первой походу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде:



Чем он больше, тем сильнее преломляется свет на границе раздела двух сред.



Таким образом, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:



Это есть вторая часть закона преломления света, экспериментально установленная в 1620 году голландским учёным Виллебродом Снеллом. Однако эти результаты им опубликованы не были. Лишь в 1637 году (уже после смерти учёного) они были обнаружены в архивах математиком Рене Декартом, который использовал их при написании своих «Рассуждений о методе ...» в приложении «Диоптрика» (хотя некоторые историки склоняются к тому, что Декарт самостоятельно переоткрыл закон преломления света).

Из закона преломления света видно, что различие углов падения и преломления обусловлено тем, что скорость распространения света в различных средах различна. Следовательно, будет различна и длина световой волны. Однако, что очень важно, что при преломлении частота света остаётся неизменной.



Принято считать, что чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность и наоборот. При этом если пучок света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения (преломлённый луч как бы прижимается к перпендикуляру). А если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (преломлённый луч как бы прижимается к границе раздела сред). Кстати, этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отражённого, но и для падающего и преломлённого лучей.

Если свет падает из вакуума в вещество, то вводится величина, называемая абсолютным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде.

С помощью закона преломления света можно рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из какого-либо прозрачного материала. На экране вы видите сечение треугольной стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной её боковым рёбрам. Пусть монохроматический свет (то есть свет строго определённой частоты) падает на грань призмы, находящейся в воздухе. Так как свет переходит из среды оптически менее плотной в оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. Пройдя через призму, свет падает на её вторую грань. Здесь он снова преломляется, но теперь угол падения меньше угла преломления.

Грани, на которых происходит преломление света, называются преломляющими гранями.

Угол между преломляющими гранями называется преломляющим углом призмы.

Угол, образованный направлением луча, входящего в призму, и направлением луча, выходящего из неё, называют углом отклонения.

А грань, лежащая против преломляющего угла, называется основанием призмы.



В заключении отметим, что в настоящее время существуют материалы с отрицательным показателем преломления. Их называют метаматериалами. В большинстве случаев их история начинается с упоминания работы советского физика Виктора Григорьевича Веселаго, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» в 1967 году.



Существование подобных материалов было доказано в 2000 году англичанином Джоном Пендри и американцем Дэвидом Смитом. Одно из возможных свойств метаматериалов — это отрицательный (или левосторонний) показатель преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей среды.

Линза. Построение изображения в линзе.

слово линза — это слово латинское, которое переводится как чечевица. Чечевица — это растение, плоды которого очень похожи на горох, но горошины не круглые, а имеют вид пузатых лепешек. Поэтому все круглые стекла, имеющие такую форму, и стали называть линзами.



Первое упоминание о линзах можно найти в древнегреческой пьесе Аристофана «Облака» (424 год до нашей эры), где с помощью выпуклого стекла и солнечного света добывали огонь. А возраст самой древней из обнаруженных линз более 3000 лет. Это так называемая линза Нимруда. Она была найдена при раскопках одной из древних столиц Ассирии в Нимруде Остином Генри Лэйардом в 1853 году. Линза имеет форму близкую к овалу, грубо шлифована, одна из сторон выпуклая, а другая плоская. В настоящее время она храниться в британском музее — главном историко-археологическом музее Великобритании.