55880

Волновая оптика

Лекция

Педагогика и дидактика

По электромагнитной теории Максвелла свет - это электромагнитные волны которые в вакууме распространяются со скоростью с = 3108 м с скорость света а в любой другой прозрачной среде их скорость меньше.

Русский

2014-03-30

1.91 MB

2 чел.

ЛЕКЦИЯ  1

Раздел 5. Волновая оптика.

По электромагнитной теории Максвелла свет – это электромагнитные волны, которые в вакууме распространяются со скоростью с = 3·108 м/с (скорость света), а в любой другой прозрачной среде их скорость меньше.

,        (1-1)

Физическая величина, показывающая во сколько раз скорость электромагнитной волны (скорость света) меньше в данной среде по сравнению с вакуумом

,            (1-2)

называется абсолютным показателем преломления среды.

Значит, для света должны наблюдаться все волновые явления, как и для любых волн интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия.

  1.  Интерференция световых волн

Волны от разных источников могут накладываться друг на друга. Это согласно принципу суперпозиции может привести к интерференции, если будут накладываться когерентные волны.

Волны, у которых разность фаз не зависит от времени, называются когерентными (для этого волны должны быть монохроматичными (с одинаковой частотой или длиной волны ω1 = ω2, λ1 = λ2) и разность начальных фаз также не должна меняться с течением времени ∆0 = const).

Результат наложения когерентных волн, при котором в местах наложения наблюдаются усиление и ослабление амплитуды (интенсивности), наблюдаются max и min, называется интерференцией.


Результат интерференции зависит от разности хода волн.

   

  (1-3)

Если = ± mλ, m = 0,1,2…, тогда будет наблюдаться интерференционный max.

Если  m = 1,2,3…, тогда будет наблюдаться интерференционный min.

Свет от всех естественных и большинства искусственных источников излучается возбужденными атомами этих веществ. Их излучение никак не согласовано, оно происходит спонтанно (самопроизвольно).

Следовательно, световые волны от разных источников некогерентные.

Выполнить первое условие когерентности (монохроматичность ω1 = ω2) не представляет большого труда. А вот второе условие ∆0 = const долгое время не удавалось реализовать.

Английский физик Юнг впервые догадался разделить свет от одного источника на части.

Свет от источника попадал на непрозрачную ширму, в которой было две узкие щели. Они исполняли роль вторичных источников.

Поэтому световые волны от вторичных источников оказывались когерентными, и на экране наблюдалась типичная интерференционная картина.

Так как свет в разных средах распространяется с разными скоростями, тогда вместо геометрической длины пути и разности хода используется оптическая длина пути.

          (1-4)

и оптическая разность хода лучей

     (1-5)

Тогда, если                  (1-6)

условие интерференционного max.

Если                (1-7)

условие интерференционного min.

Юнг наблюдал интерференционную картину на экране и получил формулы для определения max и min на экране:

     (6-6)

где d – расстояние между щелями.

Ширина интерференционной полосы

.                   (1-10)

Свет излучается цугами (время излучения –   108 с, длина цуга   несколько метров).

Для наблюдения интерференции световой волны необходимо, чтобы

условие временной когерентности.

.

условие пространственной когерентности.

2. Интерференция света в тонких пленках

Если на границу раздела двух сред с разными показателями преломления падает луч монохроматического света, то он частично отражается и частично преломляется.

 

α – угол падения, β – угол преломления, γ – угол отражения.

Законы геометрической оптики:

  1.  Закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости и угол отражения равен углу падения = .
  2.  Закон преломления света: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости и   .

Если , то  <   всегда есть преломленный луч.

Если , то  > 

при

полное внутреннее отражение света

(медицина, световолоконная оптика)

Если на плоскопараллельную тонкую пленку падает параллельный пучок монохроматического света, то за счет отражения и преломления на верхней и нижней границах пленки образуются когерентные отраженные (1 и 2) и прошедшие (1 и 2) лучи, которые при дальнейшем накладывании друг на друга будут интерферировать.

 

Оптическая разность хода для отраженных лучей 1 и 2 вычисляется по формуле:

     (1-11)

а для проходящих лучей 1и 2:

     (1-12)

Для определения ∆доп и ∆′доп необходимо руководствоваться правилом:

при отражении света от оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) происходят изменения фазы волны на 1800 и к оптической длине пути этого луча нужно добавить ; при отражении света от менее плотной среды и при преломлении потери фазы не происходит.

А дальше, если , то вторичные волны при наложении будут усиливать друг друга – значит, вся пленка будет освещена (или в отраженных лучах, или в проходящих) цветом той длины волны, которой облучают пленку.

А если , то пленка (в отраженных или проходящих лучах) будет темной.

Если пленка освещается белым светом, то цвет освещенности пленки будет зависеть от того, для какой длины волны наблюдается условие max для отраженных лучей, а для какой – для проходящих.

Если на плоскопараллельную тонкую пленку падает монохроматический свет от точечного источника, тогда в разные точки пленки лучи падают под разными углами.

Тогда условие max или min будут наблюдаться только для тех точек пленки, куда лучи падают под одинаковым углом.

В тех точках, где выполняется условие max, будет светлая полоса, а где выполняется условие min, будет темная полоса.

Интерференционные полосы, получающиеся на пленке (в отраженном или проходящем свете) при освещении ее расходящимся светом, называются полосами равного наклона.

При освещении плоскопараллельной тонкой пленки расходящимся пучком белого света, на пленке будут наблюдаться разноцветные полосы равного наклона.

Если параллельный пучок монохроматического света падает на тонкую пленку переменной толщины (клин), тогда в разных точках пленки, куда падает свет, толщина будет разной.

Тогда условие max или min будет наблюдаться только для тех точек пленки, где толщина будет одинаковой.

В тех точках, где выполняется условие max, будет светлая полоса, а где выполняется условие min, будет темная полоса.

Интерференционные полосы, получающиеся на пленке переменной толщины (в отраженном или проходящем свете) при освещении ее параллельным светом, называются полосами равной толщины.

При освещении пленки переменной толщены белым светом на пленке будут наблюдаться разноцветные полосы равной толщины.

Частным случаем полос равной толщины являются кольца Ньютона, которые получаются при облучении светом плосковыпуклой стеклянной линзы с большим радиусом кривизны, лежащей на плоскопараллельной стеклянной пластине.

Между стеклянной линзой и стеклянной пластинкой образуется тонкая пленка переменной толщины (либо воздушная с n = 1, либо заполненные какой-либо жидкостью или газом с показателем преломления n).

При нормальном падении света на линзу (α = 0) оптическая разность хода отраженных (1 и 2) и проходящих (1′ и 2′) лучей будет вычисляться из формулы:

   (1-13)

Интерференционные полосы будут наблюдаться в точках, где толщина пленки будет одинаковой, т.е. в виде концентрических колец.

Для оптически менее плотной среды пленки, чем стекло, радиусы светлых (max) и темных (min) полос (колец) в отраженном свете будут определяться по формулам:

  (1-14)

где R – радиус кривизны линзы.

В проходящих лучах формулы меняются местами.

При освещении установки белым светом будут наблюдаться разноцветные полосы Ньютона.


3. Практическое применение интерференции. Интерферометры

просветленная оптика;

Практическое применение интерференции:

мыльные пузыри, елочные игрушки, пленки на значках и т.п.;


Практическое применение интерференции:

интерферометры и др.).

Майкельсона:

Фабри-Перро:

определение n, d;

параллельность тонких пленок и т. д.

PAGE   \* MERGEFORMAT14


1

2

 

1

EMBED Equation.DSMT4  

М

свеча

1

2

 

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

x

O

экран

Х

(1-9)

(1-8)

α

Отраженный

луч

n2

n1

Падающий

луч

Преломленный

 луч

α

n2 < n1

n1

α0

2

n1

= 90

α

n2 > n1

n1

d

n2

α

1

2

1

2

n1

n3

α1

α1

α3

α2

n2

n1

n3

d2

d1

d3

2

1

R

O

2

1

rm

d

S

n

EMBED Equation.DSMT4      EMBED Equation.DSMT4  

d

n

S

EMBED Equation.DSMT4  

   EMBED Equation.DSMT4  

d


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32503. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕРКИ И ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБУЧЕНИЯ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ КОНТРОЛЯ. МОДЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ. ШКАЛЫ ОЦЕНОК 92.5 KB
  ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ КОНТРОЛЯ. МОДЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ. В ходе контроля оценивается степень и уровень обученности.
32504. ПРЕПОДАВАНИЕ ПРОПЕДЕВТИЧЕСКОГО КУРСА ИНФОРМАТИКИ В НАЧАЛЬНЫХ КЛАССАХ СРЕДНИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ 58 KB
  Целью курса информатики в начальной школе является формирование первоначальных базовых понятий информатики что обеспечит дальнейшее создание информационной картины мира представлений о свойствах информации способах работы с ней формирование представления о компьютере как универсальной информационной машине развитие информационной культуры ребенка и интеллектуальных способностей учащихся. В соответствии с целями обучения информатике в начальной школе выделяется ряд задач на которые нужно опираться при проведении уроков информатики в...
32505. ПРЕПОДАВАНИЕ БАЗОВОГО КУРСА ИНФОРМАТИКИ В СРЕДНИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЯХ 47 KB
  Среди них: теория информации теория алгоритмов теоретическая кибернетика математическое и информационное моделирование дискретная математика искусственный интеллект и др. К аппаратным средствам относятся компьютеры технические средства хранения и отображения информации передачи данных по сетям. Она заключается в формировании представлений об информации информационных процессах как одного из трех основополагающих понятий: вещества энергии информации на основе которых строится современная научная картина мира. В этом отношении...
32506. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ». 83 KB
  Ключевыми вопросами данной содержательной линии являются: определение информации; измерение информации; хранение информации; передача информации; обработка информации. Проблемы определения и измерения информации Нельзя дать единого универсального определения информации. Но в науке и в практике известны различные подходы к информации и в рамках каждого из них дается определение этого понятия Субъективный подход. При раскрытии понятия информация с точки зрения субъективного бытового человеческого подхода следует отталкиваться...
32507. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРА» 63.5 KB
  Система счисления это определенный способ представления чисел и соответствующие ему правила действия над числами. Римский способ записи чисел является примером непозиционной системы счисления а арабский это позиционная система счисления. Позиционных систем счисления существует множество и отличаются они друг от друга алфавитом множеством используемых цифр. Размер алфавита число цифр называется основанием системы счисления.
32508. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «КОМПЬЮТЕР» 142 KB
  Одна из содержательных линий базового курса информатики линия компьютера. Линия компьютера проходит через весь курс и по двум целевым направлениям: 1 теоретическое изучение устройства принципов функционирования и организации данных в ЭВМ; 2 практическое освоение компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных видов работы с информацией. Представление данных в компьютере Информация хранимая в памяти компьютера и предназначенная для обработки называется данными. Для представления всех видов данных в памяти...
32509. МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЯ АЛГОРИТМИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ 134.5 KB
  Основной характеристикой исполнителя с точки зрения управления является система команд исполнителя СКИ. Схема функционирования исполнителя алгоритмов Для выполнения всякой работы решения поставленной задачи исполнитель на входе получает алгоритм и исходные данные а на выходе получаются требуемые результаты. Всякая команда должна быть сформулирована так чтобы определить однозначное действие исполнителя. Работа исполнителя состоит в последовательном выполнении команд алгоритма.
32510. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «ФОРМАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ» 80 KB
  Теория и методика обучения информатики МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: ФОРМАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ. Линия моделирования наряду с линией информации и информационных процессов является теоретической основой базового курса информатики. Тема натуральных моделей затрагивается лишь в самом начале в определением понятия модели и разделением моделей на материальные натурные и информационные. Важнейшим понятием в моделировании является понятие цели.
32511. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: «ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ. ИНТЕРНЕТ» 81.5 KB
  Теория и методика обучения информатики МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ: ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ. Содержание данного подраздела делится на две части по принципу деления компьютерных сетей на два типа: локальные сети; глобальные сети. Локальные сети. Локальные сети в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различные структуры объединения компьютеров.