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: 1 из 3

1.Предмет волновой оптики. Характеристика световой волны.

Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо и достаточно представление о волновой природе света.

Свет – поток фотонов. С точки зрения волновой оптики световая волна – это процесс колебания электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве.

Вектора E и H колеблются в одной фазе. При взаимодействии световой волны с веществом наибольшую роль играет электрическая составляющая волны (магнитная составляющая вне магнитных средах влияет слабее), поэтому E называют световым вектором и его амплитуду  обозначают А.

Е = Е₀sin (ωt-kx+φ)  

H = H₀sin (ωt-kx+φ).

Перенос энергии световой волны характеризуется вектором Поинтига     

Интенсивность I – это количество энергии переносимое за единицу времени световой волной через единицу площади. Линию, по которой распространяется энергия волны, называется лучом. Ещё одной характеристикой световой волны является поляризация.

2.Законы преломления и отражения света. Показатель преломления.
Закон отражения света. Падающий световой луч на границу двух сред, нормаль, проведенная к точке падения, и от­раженный луч лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения.

Закон преломления света. Луч, падающий на границу раздела двух сред, преломленный луч и нормаль, восстановлен­ная в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение си­нуса угла падения к синусу угла преломления есть величина по­стоянная для двух данных сред (закон Снеллиуса):   ,

где n₂₁ – относительный показатель второй среды относительно первой.

n₂₁ = n₂ /n₁, где n₂ и n₁ – абсолютные показатели преломления второй и пер­вой сред.

Абсолютным показателем преломления вещества назы­вается величина n, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света υ в данной среде: n = c/ υ. физический смысл относительного показателя преломления состоит в том, что он показывает, во сколько раз скорость света в одной среде больше, чем в другой.

3.Интерференция световых волн. Когерентные волны.

Если монохроматические световые волны имеют посто­янную во времени разность фаз и колебания их световых векто­ров происходят в одной плоскости, то они называются коге­рентными. Такие согласо­ванные когерентные волны при наложении их друг на друга мо­гут создать в пространстве картину, заключающуюся в чередо­вании светлых и темных областей. Данное явление перераспре­деления интенсивности световой волны в пространстве при на­ложении двух или нескольких когерентных волн называется ин­терференцией света.

4.Интерференция световых волн. Интерференционные максимумы и минимумы.

Явление перераспре­деления интенсивности световой волны в пространстве при на­ложении двух или нескольких когерентных волн называется ин­терференцией света.

если в произвольной точке пространства оптическая разность хода накладываемых волн равна нечетному числу полуволн, то в ней наблюдается минимум интерференции. Условие    есть условие интерференционного минимума.

Если в произвольной точке пространства оптическая раз­ность хода накладываемых волн равна четному числу полуволн или целому числу длин волн, то в ней наблюдается максимум интерференции и условие   является усло­вием интерференционного максимума.

5.Интерференция в тонких пленках.

В природе мы неоднократно наблюдали радужную окраску мыльных пузырей, тонких пленок нефти и масла на поверхности воды. Эти явления обусловлены интерференцией света в тонких пленках, возникающей при наложении когерентных световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки.

Полосы равного наклона. (В итоге на экране получится интерференционная картина, состоящая из концентрических светлых и темных колец. Если линза и экран не параллельны пластине, то полосы равного наклона будут иметь вид эллипсов.)

Полосы равной толщины. (Чем больше угол наклона, тем больше ширина полос.)

Кольца Ньютона (В проходящем свете из-за отсутствия потери полуволны в центра картины будет наблюдаться светлое пятно, затем темное и тд.)

 

6.Дифракция световых волн. Принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса - Френеля.

Явление проникновения световых волн в область гео­метрической тени, огибания ими препятствий и вообще откло­нение их от прямолинейного распростра­нения было названо дифракцией света.

Каждая точка, до которой дошло волновое возмущение, т.е. каждая точка волнового фронта, сама является точечным источ­ником вторичных сферических волн. Данное утверждение полу­чило название принципа Гюйгенса. Он позволяет определить фронт волны в момент времени t+дельта t, если известно его положение в конкретный момент t.

1. Любой источник света S₀ можно заменить эквивалент­ной системой фиктивных (вторичных) источников, находящихся на какой-либо его волновой поверхности S.

2. Все вторичные ис­точники вол­новой поверхности S излучают коге­рентные волны, которые накладываются во всех точках пространства и интерферируют между собой.

3. Каждый вторичный источник излучает преимущественно в направлении внешней нормали n к dS.



Это математическое выражение принципа Гюйгенса-Френеля, которое позволяет вычислять световое возмущение в любой точке наблюдения. (Сложность практического применения.)

7.Дифракция световых волн. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.



Поскольку разность хода между световыми волнами, приходящими от соседних зон, составляет λ\2, в т Р эти волны приходят в противофазе и с противоположными амплитудами. Каждая следующая зона в точке наблюдения дает все меньше света. Поскольку зон очень много, различие между амплитудами соседних зон крайне незначительно, мы можем записать   .

Если закрыть волновую поверхность непрозрачным экраном, оставив открытыми четное количество зон, они друг друга компенсируют и свет в т Р не попадает. Мы наблюдаем дифракционный минимум.

Если открыть нечетное число зон, одна зона остается нескомпенсированной, и мы наблюдаем дифракционный максимум.

 

б) m –нечет.(max) в) m – чет.(min)

При дифракции на круглом непрозрачном диске в центре экрана получается светлое пятно, окруженное чередующимися концентрическими кольцами минимумов и максимумов.

Дифракция Френеля – это дифракция в сходящихся или расходящихся лучах.

8.Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели.

 2

Если число зон будет четным, они попарно погасят друг друга, и в точке Р будет наблюдаться ми­нимум освещенности. Четное число отрезков на участке ВС со­ответствует условию аsinφ = ±(2m+1) λ/2, где m = 1,2,3…Это усло­вие называется условием дифракционного минимума. Из него находятся углы, под которыми наблюдаются дифракционные минимумы на экране. Знак “минус” соответствует лучам, иду­щим от щели под углом –φ.

Если число зон Френеля нечетно, на экране в точке Р по­лучается дифракционный максимум. Условие дифракционного максимума имеет вид

аsinφ = ±(2m + 1)λ/2, где m= 1, 2, 3…

Это условие определяет углы, соответствующие макси­мумам освещенности на экране Э₂. Число m называется поряд­ком дифракционного максимума или минимума. Подобные спектры расплывчаты, поэтому четкое разделение по длинам волн при дифракции от одной щели получить не удается.

9.Дифракционная решетка и ее характеристики.

Дифракционная решётка - оптический прибор, предназначенный для анализа спектрального состава оптического излучения. Дифракционная решётка состоит из тысяч узких и близко расположенных щелей. При освещении решётки монохроматическим светом на её выходе наблюдаются узкие лучи с большой интенсивностью. Так как направления на интерференционные максимумы зависят от длины волны, белый свет , прошедший через дифракционную решётку, будет расщепляться на множество лучей разного цвета. Таким образом мы можем исследовать спектральный состав света.



Угловая дисперсия

угловая дисперсия увеличивается с уменьшением периода решётки d и возрастанием порядка спектра k.
Разрешающая способность Спектральной разрешающей способностью R называется отношение длины волны λ к минимальному возможному значению Δλ, то есть   .

10. Поляризация света. Закон Брюстера.

Свет, в котором колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков часть его отража­ется, а часть преломляется. Отра­женный и преломленный свет оказываются час­тично поляризоваными.

Степень поляризации как отраженного, так и преломлен­ного света зависит от угла падения лучей и показателей прелом­ления сред. Шотландский физик Дэвид Брюстер исследуя поляриза­цию света, установил связь между относительным показателем прелом­ления диэлектрика и углом падения света, при котором отра­женный от поверхности свет полностью поляризован. Согласно закону Брюстера при угле падения i_Б (угол Брюстера), опреде­ляемого соотношением tg i_Б = n₂₁ отраженный луч будет полностью плоскополяризован, а преломленный луч – частично, с максимальной степенью поляризации, n_{21 – относительный показатель преломления} второй среды относительно первой. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно пер­пендикулярны.

При многократном отражении и преломлении на каждой границе преломленный свет становится полностью поляризованным.

При падении под углом Брюстера, угол между отраженным и преломленным лучами равен Pi/2. 

11. Поляризация света. Двойное лучепреломление.
Свет, в котором колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.
Действие поляризаторов основано на поляризации света при прохождении света в оптически анизотропных средах . Все прозрачные кристаллы оптически анизотропны. Искл: NaCl (куб крист реш). При прохождении света через оптически анизотропные кристаллы наблюдается явление двойного лучепреломления, которое состоит в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространяющихся с различными скоростями и в различных направлениях. (Э. Бартолин).
В зависимости от типа их симметрии оптически анизотропные кристаллы бывают одноосные либо двуосные, т.е. имеют одну или две оптические оси. Оптической осью называется такое направление в оптически анизотропном кристалле, вдоль которого распространяющийся свет не испытывает двойного лучепреломления. Важно отметить, что любая прямая параллельная данному направлению, так же является оптической осью кристалла. Примером одноосного кристалла является исландский шпат.


В одноосных кристаллах один из преломленных лучей, образующихся при двойном лучепреломлении, лежит в плоскости падения и подчиняется закону Снеллиуса, поэтому его назвали обыкновенным лучом и обозначают буквой "о". Скорость обыкновенного луча υо численно одинакова по всем направлениям: υо = c/nо, где nо = const - показатель преломления кристалла для обыкновенного луча. Второй луч называют необыкновенным и обозначают буквой "е", так как он не лежит в плоскости падения и не подчиняется закону преломления.
Главной плоскостью или главным сечением одноосного кристалла называется плоскость, проходящая через па- дающий луч и оптическую ось кристалла.
Некоторые двоякопреломляющие кристаллы способны по-разному поглощать о- и е-лучи.



12. Поляризация света. Призмы и поляроиды. Дихроизм.
Свет, в котором колебания светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.
Устройства, которые служат для поляризации света, на­зываются поляризаторами. В качестве поляризаторов можно использовать: cтопу Столетова, действие которой основано на поляриза­ции света при отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектриков; поляризационные призмы, действие которой основано на поляризации света при двойном лучепреломлении. поляроиды, действие которых основано на свойствах дих­роичных кристаллов.
Высококачественным поляризатором является поляриза­ционная призма Ни­коля, действие которой основано на поляризации света при двойном лучепреломлении в исландском шпате.
Зависимость показателя по­глощения среды от ориентации электрического вектора световой волны и от направления распространения света в кристалле на­зывается дихроизмом, а сами кристаллы – дихроичными. Приме­ром дихроичного кристалла является турмалин. Дихроизм – способность некоторых двоякопреломляющих кристаллов по-разному поглощать о- и е- лучи. (Например, турмалин значительно сильнее поглощает о-луч.) На выходе – снова один луч (для турмалина е-луч).