Волновая оптика. с точки зрения волновой оптики свет – это электромагнитные волны, имеющие определенный диапазон частот. Геометрическая и волновая оптика Волновая оптика объясняет такое явление как

Волновая оптика – раздел оптики, рассматривает процессы и явления, в которых проявляются волновые свойства света. Любому волновому движению присущи явления интерференции и дифракции. Для света эти явления экспериментально наблюдались, что подтверждает волновую природу света. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Рассматривая интерференцию вторичных волн, удалось объяснить прямолинейность распространения света. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы геометрической оптики – законы отражения и преломления света. Рассматривая интерференцию вторичных волн, можно понять, как возникает дифракционная картина при падении света на различные препятствия.

Интерференция – явление сложения в пространстве двух или более волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы волны накладывались в данной точке пространства с неизменной разностью фаз колебаний. Такие волны называются когерентными волнами , а источники таких волн называются когерентными источниками . Интерференция характерна для волн различной природы, в том числе для световых волн. Естественные источники света не являются когерентными источниками, поэтому интерференция световых волн от них не наблюдается.

В опыте Юнга когерентными источниками являлись две щели, на которые падала одна и та же первичная волна. В бипризме Френеля первичная световая волна преломляется, что приводит к появлению двух когерентных мнимых источников, от которых можно наблюдать интерференционную картину. Интерференцию можно наблюдать, если разделить первичную волну (первичный световой пучок) на два световых пучка, которые проходят разный путь и снова накладываются друг на друга (интерференция в тонких пленках, кольца Ньютона).

Дифракция света – явление огибания световыми волнами встречных препятствий с размерами, соизмеримыми с длиной волны, или проникновение света в область геометрической тени (например, в случае отверстия, размеры которого соизмеримы с длиной волны). Явление объясняется интерференцией вторичных волн, которые испускаются каждой точкой фронта первичной волны (основной принципа волновой оптики - принципа Гюйгенса-Френеля). Если размер отверстия гораздо больше длины волны света, то интерференция вторичных волн, возникающих в плоскости отверстия, приводит к тому, что в области геометрической тени интенсивность света равна нулю, т.е. приходим к объяснению закона прямолинейности распространения света в рамках волновой оптики. С волновой точки зрения световой пучок представляет собой ту область, в которой интерференция вторичных волн приводит к увеличению интенсивности света.

Заметим, что в волновой оптике, в отличие от геометрической оптики, понятие луча света утрачивает физический смысл, но используется для обозначения направления распространения световой волны.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА, раздел физической оптики, изучающий явления, связанные с волновой природой света. Волновой характер распространения света был установлен ещё Х. Гюйгенсом во 2-й половине 17 века. Существенное развитие волновая оптика получила в исследованиях Т. Юнга, О. Френеля, Д. Араго, когда были проведены опыты, позволившие не только наблюдать, но и объяснить интерференцию, дифракцию и поляризацию света, что не могла объяснить геометрическая оптика. Волновая оптика рассматривает распространение световых волн в различных средах, отражение и преломление света на границах сред (смотри Френеля формулы), дисперсию и рассеяние света в веществе и др. Световые волны, представляющие собой колебания электромагнитного поля, описываются общими уравнениями классической электродинамики (смотри Максвелла уравнения). Эти уравнения дополняются уравнениями квантовой механики, связывающими величины диэлектрической и магнитной проницаемости с молекулярным строением и свойствами вещества. Такой подход позволяет изучать волновые оптические явления в различных средах (смотри Кристаллооптика, Магнитооптика, Молекулярная оптика). Особенности распространения световых волн в движущихся средах (смотри Электродинамика движущихся сред), а также в сильных гравитационных полях объясняются в специальной и общей относительности теории. Волновая оптика, использующая классическое описание светового поля, не в состоянии дать последовательного объяснения процессов испускания и поглощения света, которое требует введения представлений о квантах света - фотонах (смотри Квантовая оптика, Корпускулярно-волновой дуализм). Ряд задач волновой оптики решается и при более простом описании светового поля с помощью волнового уравнения.

Волновая оптика устанавливает границы применимости геометрической оптики, даёт математическое обоснование используемых в ней соотношений (уравнение эйконала, Ферма принцип и др.). В промежуточной области, когда длина волны света значительно меньше геометрических размеров оптической системы, но вместе с тем дифракционные искажения пучков являются существенными, применяются методы квазиоптики.

Волновые явления в нелинейных средах рассматриваются в нелинейной оптике. Распространение световых волн в случайно-неоднородных средах, в том числе в атмосфере, исследуется методами статистической оптики. Современная волновая оптика изучает формирование когерентных световых пучков в оптических резонаторах лазеров и преобразование пучков методами голографии, фурье-оптики и адаптивной оптики. Быстро развивающимися направлениями являются также исследования нелинейных оптических явлений в волоконных световодах (смотри Волоконная оптика) и в планарных (плёночных) оптических системах (смотри Интегральная оптика).

Лит. смотри при ст. Оптика.

Волновая оптика - раздел оптики, изучающий совокупность
явлений, в которых проявляется волновая природа света.
Принцип Гюйгенса - каждая точка, до которой доходит
волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих
волн дает положение волнового фронта в следующий
момент времени (волновой фронт - геометрическое место
точек, до которых доходят колебания к моменту времени t).
Этот принцип - основа волновой оптики.

Закон отражения

На границу раздела двух сред падает плоская волна
(фронт волны - плоскость АВ), распространяющаяся
вдоль направления I.
Когда фронт волны достигнет отражающей поверхности
в точке А, эта точка начнет излучать вторичную волну.
Для прохождения волной расстояния ВС требуется
время t = BC/v.

Закон отражения

За это же время фронт вторичной волны достигнет точек
полусферы, радиус AD которой равен v t = ВС.
Положение фронта отраженной волны в этот момент

плоскостью DC, а направление распространения этой
волны - лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC
вытекает закон отражения: угол отражения i1/ равен углу
падения i1

Закон преломления

Плоская волна (фронт волны - плоскость АВ),
распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со
скоростью света с, падает на границу раздела со средой, в
которой скорость ее распространения равна v.
Если время, затрачиваемое волной для прохождения пути
ВС, равно t , то ВС = c t. За это же время фронт волны,
возбуждаемый точкой А в среде со скоростью v, достигнет
точек полусферы, радиус которой AD = v t.

Закон преломления

За это же время фронт волны, возбуждаемый точкой А в среде
со скоростью v, достигнет точек полусферы, радиус которой AD =
v t. Положение фронта преломленной волны в этот момент
времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается
плоскостью DC, а направление ее распространения - лучом III.
Из рисунка следует, что

Когерентность

Когерентностью называется скоррелированность
(согласованность) нескольких колебательных или волновых
процессов во времени, проявляющаяся при их сложении.
Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во
времени и при сложении колебаний получается колебание
той же частоты.
Классический пример двух когерентных колебаний - это
два синусоидальных колебания одинаковой частоты.
Когерентность волны означает, что
в различных пространственных точках
волны осцилляции происходят
синхронно, то есть разность фаз
между двумя точками не зависит
от времени.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СВЕТА

Интерференция света - частный случай общего явления
интерференции волн, заключающийся в пространственном
перераспределении энергии светового излучения при
суперпозиции когерентных электромагнитных волн.

Складываемые монохроматические световые волны
(векторы напряженностей электрического поля волн Е1 и
Е2) в точке наблюдения совершают колебания вдоль одной
прямой.
Амплитуда результирующего колебания в
рассматриваемой точке.

Интенсивность результирующей волны
Интенсивность в случае синфазных
колебаний (фазы ф1 и ф2 одинаковы или отличаются
на четное число)
Интенсивность в случае противофазных
колебаний (фазы ф1 и ф2 отличаются на нечетное число)

Оптическая длина пути между двумя точками среды -
расстояние, на которое свет (оптическое излучение)
распространился бы в вакууме за время его прохождения
между этими точками
Оптическая разность хода - разность между оптическими
длинами путей, по которым проходит свет
Разность фаз двух когерентных световых волн ()
Связь между разностью фаз и оптической разностью хода
.

Условия интерференционных максимумов и минимумов

ПОЛУЧЕНИЕ КОГЕРЕНТНЫХ ПУЧКОВ ДЕЛЕНИЕМ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

Метод Юнга
Роль вторичных когерентных источников S1 и S2 играют две
узкие щели, освещаемые одним источником малого углового
размера, а в более поздних опытах свет пропускался через
узкую щель S, равноудаленную от
двух других щелей. Интерференционная картина наблюдается
в области перекрытия световых пучков, исходящих из S1 и S2.

Зеркала Френеля
Свет от источника S падает расходящимся пучком на два
плоских зеркала А1О и А2О, расположенных друг относительно
друга под углом, лишь немного отличающимся от 180° (угол ф
мал).
Источник и его изображения S1 и S2 (угловое расстояние между
ними равно 2ф) лежат на одной и той же окружности радиуса г с
центром в О (точка соприкосновения зеркал).
Световые пучки, отражаясь от зеркал, образуют два мнимых
изображения источника S1 и S2, которые действуют как
когерентные источники (получены разбиением одного и того же
волнового фронта,
исходящего из S).
Интерференционная картина
наблюдается в области взаимного
перекрытия отраженных пучков
(экран Э защищен от прямого
попадания света заслонкой 3).

Бипризма Френеля
Образуется двумя одинаковыми сложенными основаниями
призмами с малыми преломляющими углами. Свет от
точечного 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. В заштрихованной на рисунке
области - области пересечения преломленных фронтов -
наблюдается интерференционная картина.

Зеркало Ллойда
Точечный источник S находится на очень близком
расстоянии к поверхности плоского зеркала М, поэтому свет
отражается зеркалом под углом, близким к скользящему.
Когерентными источниками служат первичный источник S и
его мнимое изображение S1 в зеркале.

Интерференционная картина от двух когерентных источников

Две узкие щели S1 и S2 расположены близко друг к другу и
являются когерентными источниками - реальными или
мнимыми изображениями источника в какой-то оптической
системе. Результат интерференции - в некоторой точке А
экрана, параллельного обеим щелям и расположенного от
них на расстоянии l(l > > d). Начало отсчета выбрано в точке
О, симметричной относительно щелей.

Оптическая разность хода (см. построение и l > > d).
Максимумы интенсивности (учтено условие
интерференционного максимума).
Минимумы интенсивности (учтено условие
интерференционного минимума).
Ширина интерференционной полосы (расстояние между
двумя соседними максимумами (или минимумами)).

Возникновение максимумов и минимумов интерференции с точки зрения волновой теории

ПОЛУЧЕНИЕ КОГЕРЕНТНЫХ ПУЧКОВ ДЕЛЕНИЕМ АМПЛИТУДЫ

Монохроматический свет от точечного источника S, падая
на тонкую прозрачную плоскопараллельную пластинку (см.
рисунок), отражается двумя поверхностями этой пластинки:
верхней и нижней. В любую точку Р, находящуюся с той
же стороны пластинки, что и S, приходят два луча, которые
дают интерференционную картину. На пластинке
происходит деление амплитуды, поскольку фронты волн на
ней сохраняются, меняя лишь направление своего
движения.

Интерференция от плоскопараллельной пластинки
Лучи 1 и 2, идущие от S к Р (точка Р на экране,
расположенном в фокальной плоскости линзы), порождены
одним падающим лучом и после отражения от верхней и
нижней поверхностей пластинки параллельны друг другу.
Если оптическая разность хода лучей 1 и 2 мала по
сравнению с длиной когерентности падающей волны, то
они когерентны, а интерференционная картина
определяется оптической разностью хода между
интерферирующими лучами.

Оптическая разность хода между интерферирующими
лучами от точки О до плоскости АВ

Максимумам интерференции
в отраженном свете соответствуют
минимумы в проходящем, и
наоборот (оптическая разность
хода для проходящего и
отраженного света
отличается на 0/2).

Интерференция от пластинки переменной толщины
На клин (угол а между боковыми гранями
мал) падает плоская волна (пусть направление ее
распространения совпадает с параллельными лучами 1 и 2).
При определенном взаимном положении клина и линзы
лучи 1" и 1", отразившиеся от верхней и нижней
поверхности клина, пересекутся в некоторой точке А,
являющейся изображением точки В. Так как лучи 1" и 1"
когерентны, то
они будут
интерферировать.

Лучи 2" и 2", образовавшиеся при делении луча 2,
падающего в другую точку клина, собираются линзой в точке
А". Оптическая разность хода уже определяется толщиной
d". На экране возникает система интерференционных полос.
Если источник расположен далеко от поверхности клина, а
угол а ничтожно мал, то оптическая разность хода между
интерферирующими лучами достаточно точно вычисляется
по формуле для плоскопараллельной пластинки
косяк

Кольца Ньютона
Наблюдаются при отражении света от воздушного зазора,
образованного плоскопараллельной пластинкой и
соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой
с большим радиусом кривизны.
Параллельный пучок света падает на плоскую поверхность
линзы нормально; полосы равной толщины имеют вид
концентрических окружностей.

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Просветление оптики
Это сведение к минимуму коэффициентов отражения
поверхностей оптических систем путем нанесения на них
прозрачных пленок, толщина которых соизмерима с длиной
волны оптического излучения.
Толщину пленки d и показатели преломления
пленки (n) и стекла (nс) подбирают так, чтобы
интерферирующие
лучи 1" и 2"
гасили друг друга.

ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Оптические приборы, с помощью которых можно
пространственно разделить пучок света на два или большее
число когерентных пучков и создать между ними
определенную разность хода. Сведя эти пучки вместе,
наблюдают интерференцию.

Дифракция света

Дифракция света - совокупность явлений, наблюдаемых при
распространении света сквозь малые отверстия, вблизи
границ непрозрачных тел и т. д. и обусловленных волновой
природой света.
Явление дифракции, общее для всех волновых процессов,
имеет особенности для света, а именно здесь, как правило,
длина волны много меньше размеров d преград (или
отверстий).
Поэтому наблюдать
дифракцию можно
только на достаточно
больших расстояниях I от
преграды (I > d2/).

Принцип Гюйгенса-Френеля
Световая волна, возбуждаемая источником S, может быть
представлена как результат суперпозиции когерентных
вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Дифракция Фраунгофера

Зоны Френеля

Зонные пластинки

В простейшем случае стеклянные пластинки, на
поверхность которых нанесены по принципу расположения
зон Френеля чередующиеся прозрачные и непрозрачные
кольца радиусами, определяемыми для заданных значений
а, b и выражением

Если поместить зонную
пластинку в строго
определенном месте (на
расстоянии а от точечного
источника и на расстоянии Ь от
точки наблюдения на линии,
соединяющей эти две точки), то
она для света длиной волны
перекроет четные зоны и
оставит свободными нечетные,
начиная с центральной.
В результате результирующая
амплитуда А = А1 + А3 + А5 + ...
должна быть больше, чем при
полностью открытом волновом
фронте. Опыт подтверждает эти
выводы: зонная пластинка
увеличивает освещенность,
действуя подобно собирающей
линзе.

ДИФРАКЦИЯ ФРЕНЕЛЯ

Дифракция Френеля (дифракция в сходящихся лучах)
Относится к случаю, когда на препятствие падает
сферическая или плоская волна, а дифракционная картина
наблюдается на экране, находящемся за препятствием на
конечном от него расстоянии.

Дифракция на круглом отверстии

расположен экран с круглым отверстием.
Дифракционная картина наблюдается в точке В экрана Э,
лежащей на линии, соединяющей S с центром отверстия.
Экран параллелен отверстию.

Анализ результатов. Вид дифракционной картины зависит от
числа зон Френеля, укладывающихся на открытой части волновой
поверхности в плоскости отверстия. Амплитуда результирующего
колебания, возбуждаемого в точке В всеми зонами
(знак «плюс» соответствует нечетным m, «минус» - четным m).
Если отверстие открывает четное число зон Френеля, то в точке В
наблюдается минимум, если нечетное, то максимум. Наименьшая
интенсивность соответствует двум открытым зонам Френеля,
максимальная - одной зоне Френеля.

Дифракция на круглом диске

На пути сферической волны от точечного источника S
расположен круглый непрозрачный диск. Дифракционная
картина наблюдается в точке В экрана Э, лежащей на линии,
соединяющей S с центром диска. Экран параллелен диску.

Анализ результатов. Закрытый диском участок волнового
фронта надо исключить из рассмотрения и зоны Френеля
строить, начиная с краев диска.
Если диск закрывает m зон Френеля, то амплитуда
результирующего колебания в точке В равна
т. е. равна половине амплитуды, обусловленной первой
открытой зоной Френеля. Следовательно, в точке В всегда
наблюдается максимум - светлое пятно, называемое
пятном Пуассона, яркость которого с увеличением размеров
диска уменьшается.

ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА (ДИФРАКЦИЯ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧАХ)

Относится к случаю, когда источник света и точка
наблюдения бесконечно удалены от препятствия,
вызвавшего дифракцию. Практически для этого достаточно
точечный источник света поместить в фокусе собирающей
линзы, а дифракционную картину исследовать в фокальной
плоскости второй собирающей линзы, установленной за
препятствием.

Дифракция Фраунгофера на щели

нормально плоскости щели шириной а.
Параллельные пучки лучей, выходящие из щели в
произвольном направлении ф (ф - угол
дифракции), собираются линзой в точке В.

Построение зон Френеля

Открытую часть волновой поверхности MN в плоскости щели
разбивают на зоны Френеля, имеющие вид полос,
параллельных ребру М и проведенных так, чтобы разность
хода от их соответственных точек равнялась /2.
Оптическая разность хода между крайними лучами MN и
ND.
Число зон Френеля, умещающихся на ширине щели.
Условие дифракционного минимума в точке В
(число зон Френеля четное).
Условие дифракционного максимума в точке В
(число зон Френеля нечетное).

Дифракционный спектр

Зависимость распределения интенсивности на экране от угла
дифракции. Основная часть световой энергии сосредоточена в
центральном максимуме. С увеличением угла дифракции
интенсивность побочных максимумов резко уменьшается
(относительная интенсивность максимумов
I0:I1:I2: ... = 1: 0,047: 0,017: ...).
При освещении белым светом центральный максимум имеет
вид белой полоски (он общий для всех длин волн), боковые
максимумы радужно окрашены.

Влияние ширины щели на дифракционную картину

С уменьшением
ширины щели
центральный
максимум расширяется
(см. рисунок а), с
увеличением ширины
щели (а >)
дифракционные
полосы становятся уже
и ярче (см. рисунок б).

Дифракция на двух щелях

Плоская монохроматическая световая волна падает
нормально на экран с двумя одинаковыми щелями (MN и
CD) шириной а, отстоящими друг от друга на расстоянии b;
(а + b) = d.

Дифракционная картина на двух щелях

между двумя главными максимумами располагается дополнительный
минимум, а максимумы становятся более узкими, чем в случае одной
щели.

Дифракционная решетка

Одномерная дифракционная решетка
Система параллельных щелей (штрихов) равной толщины,
лежащих в одной плоскости и разделенных равными по
ширине непрозрачными промежутками.
Постоянная (период) дифракционной решетки
Суммарная ширина щели а и непрозрачного промежутка b
между щелями.

Дифракционная картина на решетке

Результат взаимной интерференции волн, идущих от всех
щелей, т. е. осуществляется многолучевая интерференция
когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех
щелей.

Чем больше число щелей в
дифракционной решетке, тем больше
световой энергии пройдет через
решетку, тем больше минимумов
образуется между соседними главными
максимумами, т. е. максимумы будут
более интенсивными и более острыми.
Максимальный порядок спектра,
даваемый дифракционной решеткой

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РЕШЕТКА. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Пространственные образования, в которых элементы
структуры подобны по форме, имеют геометрически
правильное и периодически повторяющееся расположение,
а также размеры, соизмеримые с длиной волны
электромагнитного излучения.
Иными словами, подобные пространственные образования
должны иметь периодичность по трем не лежащим в одной
плоскости направлениям. В качестве пространственных
решеток могут быть использованы кристаллы.
Расстояние между атомами в кристалле (10-10 м) таково, что
на них может наблюдаться дифракция рентгеновского
излучения (10-12-10-8 м), так как для наблюдения
дифракционной картины необходима соизмеримость
постоянной решетки с длиной волны падающего излучения.

Дифракция рентгеновского излучения на кристалле

Пучок монохроматического рентгеновского излучения (на
рисунке показаны параллельные лучи 1 и 2) падает на
поверхность кристалла под углом скольжения (угол между
падающим лучом и кристаллографической плоскостью) и
возбуждает атомы кристаллической решетки, которые
становятся источниками когерентных вторичных волн 1" и 2",
интерферирующих между собой. Результат интерференции
волн определяется их разностью хода 2d sin (см. рисунок).

Формула Вульфа-Брэгга

Дифракционные максимумы наблюдаются в тех
направлениях, в которых все отраженные атомными
плоскостями волны находятся в одинаковой фазе (в
направлениях, определяемых формулой Вульфа-Брэгга)
.

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Вследствие того что свет имеет волновую природу,
создаваемое оптической системой {даже идеальной!)
изображение точечного источника не является точкой, а
представляет собой светлое пятнышко, окруженное
чередующимися темными и светлыми кольцами (в случае
монохроматического света) или радужными кольцами (в
случае белого света).
Следовательно, принципиально неустранимое явление
дифракции задает предел возможной разрешающей
способности оптических приборов - способности
оптических приборов давать раздельное изображение двух
близких друг к другу точек предмета.

Критерий Рэлея

Изображения двух близлежащих одинаковых точечных
источников или двух близлежащих спектральных линий с
равными интенсивностями и одинаковыми симметричными
контурами разрешимы (разделены для восприятия), если
центральный максимум дифракционной картины от одного
источника (линии) совпадает с первым минимумом
дифракционной картины от другого.

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР

Положение главных максимумов в дифракционной решетке
зависит от длины волны:
Поэтому при пропускании через решетку белого света все
максимумы, кроме центрального (m = 0), разложатся в
спектр, фиолетовая область которого будет обращена к
центру дифракционной картины, красная - наружу.
Это свойство используется для исследования спектрального
состава света (определения длин волн и интенсивностей
всех монохроматических компонентов), т. е. дифракционная
решетка может быть использована как спектральный
прибор.

Характеристики дифракционной решетки

Угловая дисперсия характеризует степень растянутости
спектра в области вблизи данной длины волны
Разрешающая способность

Дисперсия света

Зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты.
Так как v = с/n , то показатель преломления среды
оказывается зависящим от частоты (длины волны).

Дисперсия показателя преломления показывает, как быстро
изменяется показатель преломления n с длиной волны.

Призма как спектральный прибор

Угол отклонения лучей призмой
n- функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн
после прохождения призмы окажутся отклоненными на
разные углы, т. е. пучок белого света за призмой разлагается
в спектр (призматический спектр)

Различия в дифракционном и призматическом спектрах

Дифракционная решетка
Призма
Разлагает падающий свет
непосредственно по длинам
волн, поэтому по измеренным
углам (по направлениям
максимумов) можно
вычислить длину волны.
Красные лучи отклоняются
сильнее, чем фиолетовые
(красные лучи имеют
большую длину волны, чем
фиолетовые.
Разлагает падающий свет по
значениям показателей
преломления, поэтому надо
знать зависимость
преломления конкретного
вещества от длины волны
Красные лучи отклоняются
слабее, чем фиолетовые,
так как для красных лучей
показатель преломления
меньше.

Дисперсионные кривые

Дисперсионная формула (без учета затухания для
колебания одного оптического электрона)

Дисперсионная формула (без учета затухания) для
колебания нескольких оптических электронов

ПОГЛОЩЕНИЕ (АБСОРБЦИЯ) СВЕТА

Явление уменьшения энергии световой волны при ее
распространении в веществе вследствие преобразования
энергии волны в другие виды энергии.

Закон Бугера-Ламберта

РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Это процесс преобразования света веществом,
сопровождающийся изменением направления
распространения света и появлением несобственного
свечения вещества.
Рассеяние света в мутных и чистых средах
Эффект Тиндаля
Молекулярное рассеяние

Закон Рэлея

Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна
четвертой степени длины волны возбуждающего света.
Закон описывает эффект Тиндаля и молекулярное рассеяние.
Согласно закону Рэлея, интенсивность рассеянного света обратно
пропорциональна четвертой степени длины волны, поэтому голубые
и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные,
обусловливая голубой цвет неба. По этой же причине свет,
прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается
обогащенным более длинными волнами (сине-фиолетовая часть
спектра полностью рассеивается), и поэтому при закате и восходе
Солнце кажется красным.
Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света
возрастают с увеличением температуры. Поэтому в ясный летний
день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким
же зимним днем.

ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА

Излучение света заряженными частицами, возникающее
при движении в среде с постоянной скоростью V,
превышающей фазовую скорость и в этой среде, т. е. при
условии
(n - показатель преломления).
Наблюдается для всех прозрачных
жидкостей, газов и твердых тел.

Обоснование возможности существования излучения Вавилова-Черенкова

Обоснование возможности
существования излучения Вавилова-
Черенкова
Согласно электромагнитной теории, заряженная частица,
например электрон, излучает электромагнитные волны
лишь при ускоренном движении.
Тамм и Франк показали, что это справедливо только до тех
пор, пока скорость V заряженной частицы не превышает
фазовой скорости v = с/n электромагнитных волн в среде, в
которой частица движется.
По Тамму и Франку, если скорость электрона, движущегося в
прозрачной среде, превосходит фазовую скорость света в
данной среде, электрон излучает свет.
Излучение распространяется не по всем направлениям, а
лишь по тем, которые составляют острый угол с
траекторией частицы (вдоль образующих конуса, ось
которого совпадает с направлением скорости частицы).

Электрон движется в среде со скоростью V > v = с/n вдоль
траектории АЕ (см. рисунок).
Каждая точка (например, точки А, В, С, D) траектории ABC
заряженной частицы в оптически изотропной среде является
источником сферической волны, распространяющейся со
скоростью v = с/n.
Любая последующая точка возбуждается с запозданием,
поэтому радиусы сферических волн последовательно
убывают. По принципу Гюйгенса в результате
интерференции эти элементарные волны
гасят друг друга везде, за исключением
их огибающей поверхности
(волновой поверхности)
с вершиной в точке Е, где в данный
момент находится электрон.

Обоснование направленности излучения Вавилова -Черенкова с помощью принципа Гюйгенса

Если, например, за 1 с электрон прошел путь АЕ, то световая
волна за это время прошла путь АА".
Следовательно, отрезки АЕ и АА" соответственно равны V и v
= с/n.
Треугольник АА"Е - прямоугольный с прямым углом у
вершины А". Тогда
Сферы пересекаются лишь тогда, когда
заряженная частица движется быстрее,
чем световые
волны, и тогда их волновая поверхность
представляет собой конус с вершиной
в точке, где в данный момент находится
электрон.

Эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме

0 и - соответственно частоты световых волн, излучаемых
источником и воспринимаемых приемником; v - скорость
источника света относительно приемника; - угол между
вектором скорости v и направлением наблюдения,
измеряемый в системе отсчета, связанной с наблюдателем;
с - скорость распространения света в вакууме

Продольный эффект Доплера

Поперечный эффект Доплера

Поляризация света

Совокупность явлений волновой оптики, в которых
проявляется поперечность электромагнитных световых
волн (согласно теории Максвелла, световые волны
поперечны: векторы напряженностей электрического Е
и магнитного Н полей световой волны взаимно
перпендикулярны и колеблются перпендикулярно
вектору скорости v распространения волны
(перпендикулярно лучу)). Поскольку
для поляризации достаточно исследовать поведение
лишь одного из них, а именно вектор Е, который
называется световым вектором.

Поляризованный свет
Свет, в котором направления колебаний светового вектора
каким-то образом упорядочены.
Естественный свет
Свет со всевозможными равновероятными направлениями
колебаний вектора Е (и следовательно, Н).
Частично поляризованный свет
Свет с преимущественным (но не исключительным!)
направлением колебаний вектора Е.

Плоскополяризованный (линейно-поляризованный) свет
Свет, в котором вектор Е (следовательно, и Н) колеблется
только в одном направлении, перпендикулярном лучу.
Эллиптически поляризованный свет
Свет, для которого вектор Е изменяется со временем так,
что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости,
перпендикулярной лучу.
Эллиптически поляризованный свет - наиболее общий тип
поляризованного света.

Получение плоскополяризованного света

Получают, пропуская естественный свет через поляризаторы
Р, в качестве которых используются среды, анизотропные в
отношении колебаний вектора Е (например, кристаллы, в
частности турмалин). Поляризаторы пропускают колебания,
параллельные главной плоскости поляризатора, и
полностью или частично задерживают колебания,
перпендикулярные ей.

Закон Малюса

Интенсивность света, прошедшего последовательно через
поляризатор и анализатор, пропорциональна квадрату
косинуса угла между их главными плоскостями.

Прохождение естественного света через два поляризатора

Интенсивность плоскополяризованного света, вышедшего
из первого поляризатора
Интенсивность света, прошедшего второй поляризатор
Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора
Степень поляризации

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ И ПРЕЛОМЛЕНИИ

Явление поляризации света
Выделение световых волн с определенными направлениями
колебаний электрического вектора - наблюдается при
отражении и преломлении света на границе прозрачных
изотропных диэлектриков.

Отражение и преломление света на границе раздела

Если угол падения естественного света на границу раздела,
например воздуха и стекла, отличен от нуля, то отраженный
и преломленный лучи частично поляризованы.
В отраженном луче преобладают колебания,
перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они
обозначены точками), в преломленном луче - колебания,
параллельные плоскости падения
(на рисунке эти колебания
изображены стрелками).
Степень поляризации
зависит от угла падения.

Закон Брюстера

При угле падения естественного света на границу
прозрачных изотропных диэлектриков, равном углу
Брюстера iB, определяемого соотношением
отраженный луч полностью поляризован (содержит только
колебания, перпендикулярные плоскости падения),
преломленный же луч поляризован максимально, но не
полностью.

Падение естественного света под углом Брюстера

При падении естественного света под углом Брюстера iB
отраженный и преломленный лучи взаимно
перпендикулярны.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ДВОЙНОМ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИИ

Двойное лучепреломление - способность анизотропных
веществ расщеплять падающий световой луч на два луча,
распространяющихся в разных направлениях с различной
фазовой скоростью и поляризованных во взаимно

Одноосные и двуосные кристаллы

Анизотропия веществ - зависимость физических свойств
веществ от направления.
Оптическая ось кристалла - направление в оптически
анизотропном кристалле, по которому распространяется
луч света, не испытывая двойного лучепреломления.
Одноосные и двуосные кристаллы - кристаллы с одним
или двумя направлениями, вдоль которых отсутствует
двойное лучепреломление.
Главная плоскость одноосного кристалла - плоскость,
проходящая через направление луча света и оптическую
ось кристалла.

Двойное лучепреломление в исландском шпате (одноосный кристалл)

При падении узкого светового пучка на достаточно толстый
кристалл из него выходят два пространственно разделенных
луча, параллельных друг другу, - обыкновенный (о) и
необыкновенный (е).

Двойное лучепреломление в одноосном кристалле при нормальном падении света

Если первичный пучок падает на кристалл нормально, то
все равно преломленный пучок разделяется на два: один из
них является продолжением первичного - обыкновенный
луч (о), а второй отклоняется - необыкновенный луч (е). ои е-лучи полностью поляризованы во взаимно
перпендикулярных направлениях.

На грань кристалла, вырезанного в виде пластинки,
нормально падает плоскополяризованный свет.
Необыкновенный луч (е) в кристалле отклоняется и выходит
из него параллельно обыкновенному лучу (о). Оба луча на
экране Э дают светлые кружки о и е (см. рисунок а).
Если кристалл поворачивать вокруг оси, совпадающей с
направлением о-луча, то о-кружок на экране останется
неподвижным, а е-кружок перемещается вокруг него по
кругу.

Обыкновенный и необыкновенный лучи при двойном лучепреломлении

Яркость обоих кружков меняется. Если о-луч достигает
максимальной яркости, то «исчезает» е-луч, и наоборот.
Сумма яркостей обоих лучей остается постоянной. Так если
е- и о-лучи перекрываются (см. рисунок б), то при вращении
кристалла яркость каждого из кружков меняется, а область
перекрытия все время одинаково яркая.

Сферическая волновая поверхность

Колебания вектора Е при любом направлении
обыкновенного луча перпендикулярны оптической оси
кристалла (ее направление задано пунктиром), поэтому олуч распространяется в кристалле по всем направлениям с
одинаковой скоростью v0 = с/n0.
Предположим, что в точке S кристалла точечный источник
света испускает световую волну, о-Луч в кристалле
распространяется со скоростью v0 = const, поэтому волновая
поверхность обыкновенного луча - сфера.

Эллипсоидальная волновая поверхность

Для е-луча угол между направлением колебаний вектора Е и
оптической осью отличен от прямого и зависит от
направления луча, поэтому е-луч распространяется в
кристалле по различным направлениям с разной скоростью
ve = с/nе. Если в точке S точечный источник испускает
световую волну, то е-луч в кристалле распространяется со
скоростью ve const, а потому волновая поверхность
необыкновенного луча - эллипсоид. Вдоль оптической оси
v0 = ve; наибольшее расхождение в скоростях - в
направлении,
перпендикулярном
оптической оси.

Положительный кристалл

Отрицательный кристалл

Плоская волна падает нормально к преломляющей грани
положительного одноосного кристалла (оптическая ось ОО"
составляет с нею некоторый угол).
С центрами в точках А и В построим сферические волновые
поверхности, соответствующие обыкновенному лучу, и
эллипсоидальные - необыкновенному лучу.
В точке, лежащей на ОО", эти поверхности соприкасаются.

Направление о- и е-лучей в кристалле согласно принципу Гюйгенса

Согласно принципу Гюйгенса, поверхность, касательная к
сферам, будет фронтом (а-а) обыкновенной волны, а
поверхность, касательная к эллипсоидам, - фронтом (b-b)
необыкновенной волны.
Проведя к точкам касания прямые, получим направления
распространения обыкновенного (о) и необыкновенного (е)
лучей. Как следует из рисунка, о-луч пойдет вдоль
первоначального направления, а е-луч отклоняется от
первоначального направления.

ПОЛЯРИЗАТОРЫ

Приспособления для получения, обнаружения и анализа
поляризованного света, а также для исследований и
измерений, основанных на явлении поляризации. Их
типичными представителями являются поляризационные
призмы и поляроиды.
Поляризационные призмы делятся на два класса:
дающие один плоскополяризованный пучок лучей -
однолучевые поляризационные призмы;
дающие два пучка лучей, поляризованных во взаимно
перпендикулярных плоскостях, - двулучевые
поляризационные призмы.

Двойная призма из исландского шпата, склеенная вдоль
линии АВ канадским бальзамом с n = 1,55.
Оптическая ось ОО" призмы составляет с входной гранью
угол 48°. На передней грани призмы естественный луч,
параллельный ребру СВ, раздваивается на два луча:
обыкновенный (n0 = 1,66) и необыкновенный (nе = 1,51).

Однолучевая поляризационная призма (призма Николя, или николь)

При соответствующем подборе угла падения, равного или
больше предельного, о-луч испытывает полное отражение, а
затем поглощается зачерненной поверхностью СВ. е-Луч
выходит из кристалла параллельно падающему лучу,
незначительно смещенному относительно него (из-за
преломления на гранях АС и BD).

Двулучевая поляризационная призма (призма из исландского шпата и стекла)

Используется различие в показателях преломления о- и елучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга.
Обыкновенный луч преломляется дважды и сильно
отклоняется. Необыкновенный луч при соответствующем
подборе показателя преломления стекла n (n = nе) проходит
призму без отклонения.

Кристаллы турмалина

Поляризаторы, действие которых основано на явлении
дихроизма - селективного поглощения света в
зависимости от направления колебаний электрического
вектора световой волны.

Поляроиды

Пленки, на которые наносятся, например, кристаллики
герапатита - двоякопреломляющего вещества с сильно
выраженным дихроизмом в видимой области. Применяются
для получения плоскополяризованного света.
Так, при толщине 0,1 мм такая пленка полностью
поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра,
являясь в тонком слое хорошим поляризатором
(анализатором).

Пучок естественного света, прошедший сквозь поляризатор
Р и ставший на выходе плоскополяризованным, нормально
падает на кристаллическую пластинку толщиной d,
вырезанную из одноосного отрицательного кристалла
параллельно его оптической оси OO". Внутри пластинки он
разбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е)
лучи, которые распространяются
в одном направлении
(перпендикулярно
оптической оси),
но с разными
скоростями.

Получение эллиптически поляризованного света

Колебания вектора Е в е-луче происходят вдоль оптической
оси кристалла, а в о-луче - перпендикулярно оптической
оси.
Пусть электрический вектор Е вышедшего из поляризатора
плоскополяризованного луча составляет с оптической осью
ОО" кристалла угол а.
Амплитудные значения электрических векторов в
обыкновенном (Ео1) и необыкновенном (Ее1) лучах:

Получение эллиптически поляризованного света

Оптическая разность хода о- и е-лучей, прошедших кристаллическую
пластинку толщиной d.
Разность фаз между колебаниями о- и е-лучей на выходе из пластинки.
Амплитудные значения электрических векторов Ее и Еo в е- и о-лучах,
прошедших кристаллическую пластинку.
Траектория результирующего колебания при сложении взаимно
перпендикулярных колебаний с разными амплитудами и разностью фаз
(из двух предыдущих уравнений исключили t)

Прохождение плоскополяризованного света сквозь пластинку

АНАЛИЗ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Плоскополяризованный свет
При вращении анализатора (А) вокруг направления луча
интенсивность света изменяется, и если при некотором
положении А свет полностью гасится, то свет -
плоскополяризованный.

анализатора интенсивность проходящего света не
изменяется.

Циркулярно поляризованный свет
В циркулярно поляризованном свете разность фаз ф между
любыми двумя взаимно перпендикулярными колебаниями равна
± /2. Если на пути этого света поставить пластинку « /4», то
она внесет дополнительную разность фаз ± /2. Результирующая
разность фаз будет 0 или.
Тогда на выходе из пластинки свет - плоскополяризованный и
может быть погашен поворотом анализатора.
Если падающий свет - естественный, то при вращении
анализатора пpи любом положении пластинки « /4»
интенсивность не меняется. Если полного гашения не достичь, то
падающий свет - смесь естественного и циркулярно
поляризованного.

Эллиптически поляризованный свет
Если на пути эллиптически поляризованного света поместить
пластинку « /4», оптическая ось которой ориентирована
параллельно одной из осей эллипса, то она внесет
дополнительную разность фаз ± /2. Результирующая
разность фаз будет 0 или. Тогда на выходе из пластинки
свет - плоскополяризованный и может быть погашен
поворотом анализатора.
Если падающий свет - частично поляризованный, то при
вращении анализатора при любом положении пластинки
интенсивность изменяется от
минимальной до максимальной,
но полного гашения не достичь.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Опытным путем доказано, что когерентные лучи,
поляризованные в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях, не интерферируют. Интерференция
наблюдается лишь тогда, когда колебания во
взаимодействующих лучах совершаются вдоль одного
направления. Поэтому обыкновенный и необыкновенный
лучи, выходящие из кристаллической пластинки, хотя и
являются когерентными и между ними возникает разность
фаз, зависящая от расстояния, пройденного ими в
пластинке, интерферировать не могут, поскольку они
поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Чтобы наблюдать интерференцию поляризованных
лучей, надо выделить из обоих лучей компоненты с
одинаковыми направлениями колебаний.

Выделение компонентов с одинаковыми направлениями колебаний

Кристаллическая пластинка, вырезанная из одноосного
кристалла параллельно оптической оси ОО", помещается
между поляризатором Р и анализатором А. Параллельный
пучок света на выходе из Р превращается в
плоскополяризованный.
В кристаллической пластинке о- и е-лучи распространяются в
направлении падения, но с разными скоростями.
Анализатор А пропускает колебания, поляризованные в
одной плоскости: электрические векторы вышедших из
анализатора А о- и е-лучей совершают колебания вдоль
одного направления, т. е. возможна интерференция.

ИСКУССТВЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Сообщение оптической анизотропии естественно
изотропным веществам, если они подвергаются
механическим напряжениям, помещаются в
электрическое или магнитное поле.
В результате вещество приобретает свойства одноосного
кристалла, оптическая ось которого совпадает
соответственно с направлениями деформации,
электрического или магнитного полей.

Получение оптически анизотропных веществ

Эффект Керра

Оптическая анизотропия прозрачных веществ под
воздействием однородного электрического поля.
Механизм эффекта Керра
Обусловлен различной поляризуемостью молекул
диэлектрика по разными направлениям. Электрическое
поле ориентирует полярные молекулы вдоль поля и
индуцирует электрический момент у неполярных молекул.]
Поэтому показатели преломления (следовательно, и
скорости распространения в веществе волн,
поляризованных вдоль и перпендикулярно] вектору
напряженности электрического поля) становятся
различными к возникает двойное лучепреломление.

Ячейка Керра

Кювета с жидкостью, в которую внесены пластины
конденсатора, помещена между скрещенными
поляризатором и анализатором.
При отсутствии электрического поля свет через систему не
проходит. При его наложении среда становится
анизотропной, а выходящий из ячейки свет - эллиптически
поляризованным и частично проходит через анализатор.

Разность фаз ф, возникающая между обыкновенным и необыкновенным лучами

Измеряется с помощью помещаемого перед анализатором
компенсатора (устройства, с помощью которого разность
хода между двумя лучами сводится к нулю).

Вращение плоскости поляризации (или оптическая активность)

Способность некоторых веществ (кварц, сахар, водный
раствор сахара, скипидар и др.) в отсутствие внешних
воздействий вращать плоскость поляризации (плоскость,
проходящую через электрический вектор Е и световой луч).
Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются
оптически активными.

Наблюдение вращения плоскости поляризации

Плоскополяризованный свет, выходя из поляризатора,
проходит через раствор сахара.
Скрещенные поляризатор и анализатор за кюветой с
раствором гасят свет не полностью. Если А повернуть на
угол ф, то наступает полное гашение света. Следовательно,
свет после прохождения системы остается
плоскополяризованным, но раствор поворачивает плоскость
поляризации света на угол ф.

Угол поворота плоскости поляризации

Оптически активные кристаллы и чистые жидкости
Оптически активные растворы
Оптическая активность обусловлена как строением молекул
вещества (их асимметрией), так и особенностями
расположения частиц в кристаллической решетке.

Право- и левовращающие оптически активные вещества

Правовращающие вещества

навстречу лучу, поворачивается вправо (по часовой стрелке).
Левовращающие вещества
Вещества, у которых плоскость поляризации, если смотреть
навстречу лучу, поворачивается влево (против часовой
стрелки).

Благодаря прошлым урокам нам известно, что свет является совокупностью прямолинейных лучей, определенным образом распространяющихся в пространстве. Однако для объяснения свойств некоторых явлений мы не можем пользоваться представлениями геометрической оптики, то есть не можем игнорировать волновые свойства света. Например, при прохождении солнечного света через стеклянную призму на экране возникает картина чередующихся цветных полос (рис. 1), которые называют спектром; при внимательном рассмотрении мыльного пузыря видна его причудливая окраска (рис. 2), постоянно меняющаяся с течением времени. Для объяснения этих и других подобных примеров мы будем использовать теорию, которая опирается на волновые свойства света, то есть волновую оптику.

Рис. 1. Разложение света в спектр

Рис. 2. Мыльный пузырь

На этом уроке мы рассмотрим явление, которое называется интерференцией света. С помощью этого явления ученые в XIX веке доказали, что свет имеет волновую природу, а не корпускулярную.

Явление интерференции заключается в следующем : при наложении друг на друга в пространстве двух или более волн возникает устойчивая картина распределения амплитуд, при этом в некоторых точках пространства результирующая амплитуда является суммой амплитуд исходных волн, в других точках пространства результирующая амплитуда становится равной нулю. При этом на частоты и фазы исходно складывающихся волн должны быть наложены определенные ограничения.

Пример сложения двух световых волн

Увеличение или уменьшение амплитуды зависит от того, с какой разностью фаз две складывающиеся волны приходят в данную точку.

На рис. 3 показан случай сложения двух волн от точечных источников и , находящихся на расстоянии и от точки M , в которой производят измерения амплитуды. Обе волны имеют в точке M в общем случае различные амплитуды, так как до попадания в эту точку они проходят разные пути и их фазы различаются.

Рис. 3. Сложение двух волн

На рис. 4 показано, как зависит результирующая амплитуда колебания в точке M от того, в каких фазах приходят ее две синусоидальные волны. Когда гребни совпадают, то результирующая амплитуда максимально увеличивается. Когда гребень совпадает со впадиной, то результирующая амплитуда обнуляется. В промежуточных случаях результирующая амплитуда имеет значение между нулем и суммой амплитуд складывающихся волн (рис. 4).

Рис. 4. Сложение двух синусоидальных волн

Максимальное значение результирующей амплитуды будет наблюдаться в том случае, когда разность фаз между двумя складывающимися волнами равна нулю. То же самое должно наблюдаться, когда разность фаз равна , так как - это период функции синуса (рис. 5).

Рис. 5. Максимальное значение результирующей амплитуды

Амплитуда колебаний в данной точке максимальна , если разность хода двух волн, возбуждающих колебание в этой точке, равна целому числу длин волн или четному числу полуволн (рис. 6).

Рис. 6. Максимальная амплитуда колебаний в точке M

Амплитуда колебаний в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебание в этой точке, равна нечетному числу полуволн или полуцелому числу длин волн (рис. 7).

Рис. 7. Минимальная амплитуда колебаний в точке M

, где .

Интерференцию можно наблюдать только в случае сложения когерентных волн (рис. 8).

Рис. 8. Интерференция

Когерентные волны - это волны, которые имеют одинаковые частоты, постоянную во времени в данной точке разность фаз (рис. 9).

Рис. 9. Когерентные волны

Если волны не когерентны, то в любую точку наблюдения две волны приходят со случайной разностью фаз. Таким образом, амплитуда после сложения двух волн также будет случайной величиной, которая изменяется с течением времени, и эксперимент будет показывать отсутствие интерференционной картины.

Некогерентные волны - это волны, у которых разность фаз непрерывно меняется (рис. 10).

Рис. 10. Некогерентные волны

Существует много ситуаций, когда можно наблюдать интерференцию световых лучей. Например, бензиновое пятно в луже (рис. 11), мыльный пузырь (рис. 2).

Рис. 11. Бензиновое пятно в луже

Пример с мыльными пузырями относится к случаю так называемой интерференции в тонких пленках. Английский ученый Томас Юнг (рис. 12) первым пришел к мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн, одна из которых отражается от наружной поверхности пленки, а другая – от внутренней.

Рис. 12. Томас Юнг (1773-1829)

Результат интерференции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны света. Усиление произойдет в том случае, если преломленная волна отстанет от отраженной на целое число длин волн. Если же вторая волна отстанет на половину волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света (рис. 13).

Рис. 13. Отражение световых волн от поверхностей пленки

Когерентность волн, отраженных от внешней и внутренней поверхности пленки, объясняется тем, что обе эти волны являются частями одной и той же падающей волны.

Различие в цветах соответствует тому, что свет может состоять из волн различной частоты (длины). Если свет состоит из волн с одинаковыми частотами, то он называется монохроматическим и наш глаз воспринимает его как один цвет.

Монохроматический свет (от др.-греч. μόνος – один, χρῶμα – цвет) – электромагнитная волна одной определенной и строго постоянной частоты из диапазона частот, непосредственно воспринимаемых человеческим глазом. Происхождение термина связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн других диапазонов (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним также используют термин «монохроматический» («одноцветный»), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают. Свет, состоящий из волн с различными длинами, называется полихроматическим (свет от солнца).

Таким образом, если на тонкую пленку падает монохроматический свет, то интерференционная картина будет зависеть от угла падения (при некоторых углах волны будут усиливать друг друга, при других углах – гасить). При полихроматическом свете для наблюдения интерференционной картины удобно использовать пленку переменной толщины, при этом волны с разными длинами будут интерферировать в разных точках, и мы можем получить цветную картинку (как в мыльном пузыре).

Существуют специальные приборы – интерферометры (рис. 14, 15), с помощью которых можно измерять длины волн, показатели преломления различных веществ и другие характеристики.

Рис. 14. Интерферометр Жамена

Рис. 15. Интерферометр Физо

К примеру, в 1887 году два американских физика, Майкельсон и Морли (рис. 16), сконструировали специальный интерферометр (рис. 17), с помощью которого они собирались доказать или опровергнуть существование эфира. Этот опыт является одним из самых знаменитых экспериментов в физике.

Рис. 17. Звездный интерферометр Майкельсона

Интерференцию применяют и в других областях человеческой деятельности (для оценки качества обработки поверхности, для просветления оптики, для получения высокоотражающих покрытий).

Условие

Два полупрозрачных зеркала расположены параллельно друг другу. На них перпендикулярно плоскости зеркал падает световая волна частотой (рис. 18). Чему должно быть равно минимальное расстояние между зеркалами, чтобы наблюдался минимум интерференции проходящих лучей первого порядка?

Рис. 18. Иллюстрация к задаче

Дано :

Найти :

Решение

Один луч пройдет сквозь оба зеркала. Другой пройдет сквозь первое зеркало, отразится от второго и первого и пройдет сквозь второе. Разность хода этих лучей составит удвоенное расстояние между зеркалами.

Номер минимума соответствует значению целого числа .

Длина волны равна:

где – скорость света.

Подставим в формулу разности хода значение и значение длины волны:

Ответ : .

Для получения когерентных световых волн при использовании обычных источников света применяют методы деления волнового фронта. При этом световая волна, испущенная каким-либо источником, делится на две или более частей, когерентных между собой.

1. Получение когерентных волн методом Юнга

Источником света служит ярко освещенная щель, от которой световая волна падает на две узкие щели и параллельные исходной щели S (рис. 19). Таким образом, щели и служат когерентными источниками. На экране в области BC наблюдается интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рис. 19. Получение когерентных волн методом Юнга

2. Получение когерентных волн с помощью бипризмы Френеля

Данная бипризма состоит из двух одинаковых прямоугольных призм с очень малым преломляющим углом, сложенных своими основаниями. Свет от источника преломляется в обеих призмах, в результате этого за призмой распространяются лучи, как бы исходящие из мнимых источников и (рис. 20). Эти источники являются когерентными. Таким образом, на экране в области BC наблюдается интерференционная картина.

Рис. 20. Получение когерентных волн с помощью бипризмы Френеля

3. Получение когерентных волн с помощью разделения по оптической длине пути

Две когерентные волны создаются одним источником, но до экрана проходят разные геометрические пути длины и (рис. 21). При этом каждый луч идет в среде со своим абсолютным показателем преломления. Разность фаз между волнами, приходящими в точку на экране, равна следующей величине:

где и – длины волн в средах, показатели преломления которых равны соответственно и .

Рис. 21. Получение когерентных волн с помощью разделения по оптической длине пути

Произведение геометрической длины пути на абсолютный показатель преломления среды называется оптической длиной пути .

,

– оптическая разность хода интерферирующих волн.

С помощью интерференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до длины волны. Для этого нужно создать тонкую клиновидную прослойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности до см вызовут заметное искривление интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемых поверхностей и нижней грани (рис. 22).

Рис. 22. Проверка качества обработки поверхности

Множество современной фототехники использует большое количество оптических стекол (линзы, призмы и т. д.). Проходя через такие системы, световой поток испытывает многократное отражение, что пагубно влияет на качество изображения, поскольку при отражении теряется часть энергии. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо применять специальные методы, одним из которых является метод просветления оптики.

Просветление оптики основано на явлении интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления, меньшим показателя преломления стекла.

На рис. 23 показан ход луча, падающего на поверхность раздела под небольшим углом. Для упрощения все вычисления делаем для угла, равного нулю.

Рис. 23. Просветление оптики

Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхности пленки, равна удвоенной толщине пленки:

Длина волны в пленке меньше длины волны в вакууме в n раз (n - показатель преломления пленки):

Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна быть равна половине длины волны, то есть:

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответствующим образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух сред.

Где используется явление интерференции?

Каково условие максимумов интерференции?

В некоторую точку на экране приходит два когерентных излучения с оптической разностью хода 1,2 мкм. Длина волны этих лучей в вакууме - 600 нм. Определите, что произойдет в этой точке в результате интерференции в трех случаях: а) свет идет в воздухе; б) свет идет в воде; в) свет идет в стекле с показателем преломления 1,5.

Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. В этих пределах свет называется видимым . Свет с наибольшей длиной волны кажется нам красным, а с наименьшей – фиолетовым. Запомнить чередование цветов спектра легко с помощью поговорки «К аждый О хотник Ж елает З нать, Г де С идит Ф азан». Первые буквы слов поговорки соответствуют первым буквам основных цветов спектра в порядке убывания длины волны (и соответственно возрастания частоты): «К расный – О ранжевый – Ж елтый – З еленый – Г олубой – С иний – Ф иолетовый». Свет с большими, чем у красного, длинами волн, называется инфракрасным . Его наш глаз не замечает, но наша кожа фиксирует такие волны в виде теплового излучения. Свет с меньшими, чем у фиолетового, длинами волн, называется ультрафиолетовым .

Электромагнитные волны (и, в частности, световые волны , или просто свет ) – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Световые волны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются в веществе с конечной скоростью, которая может быть рассчитана по формуле:

где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε 0 и μ 0 – электрическая и магнитная постоянные: ε 0 = 8,85419·10 –12 Ф/м, μ 0 = 1,25664·10 –6 Гн/м. Скорость света в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙10 8 м/с, она также может быть вычислена по формуле:

Скорость света в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Если свет распространяется в какой-либо среде, то скорость его распространения также выражается следующим соотношением:

где: n – показатель преломления вещества – физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме. Показатель преломления, как видно из предыдущих формул, может быть рассчитан следующим образом:

• Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии.
• Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами.

Кроме света существуют и другие виды электромагнитных волн. Далее они перечислены по уменьшению длины волны (и соответственно, по возрастанию частоты):

• Радиоволны;
• Инфракрасное излучение;
• Видимый свет;
• Ультрафиолетовое излучение;
• Рентгеновское излучение;
• Гамма-излучение.

Интерференция

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Оно связано с перераспределением световой энергии в пространстве при наложении так называемых когерентных волн, то есть волн, имеющих одинаковые частоты и постоянную разность фаз. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Для расчета интерференции используется понятие оптической длины пути . Пусть свет прошел расстояние L в среде с показанием преломления n . Тогда его оптическая длина пути рассчитывается по формуле:

Для интерференции необходимо наложение хотя бы двух лучей. Для них вычисляется оптическая разность хода (разность оптических длин) по следующей формуле:

Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее: интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:

При m = 0 наблюдается максимум нулевого порядка, при m = ±1 максимум первого порядка и так далее. Интерференционный минимум (темная полоса) наблюдается при выполнении следующего условия:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При первом нечетном числе (единица) будет минимум первого порядка, при втором (тройка) минимум второго порядка и т.д. Минимума нулевого порядка не бывает.

Дифракция. Дифракционная решетка

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50–100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки.

При нормальном падении света на дифракционную решетку в некоторых направлениях (помимо того, в котором изначально падал свет) наблюдаются максимумы. Для того, чтобы наблюдался интерференционный максимум , должно выполняться следующее условие:

где: d – период (или постоянная) решетки (расстояние между соседними штрихами), m – целое число, которое называется порядком дифракционного максимума. В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины.

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором не учитываются волновые свойства света. Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Оптически однородная среда - это среда, во всем объеме которой показатель преломления остаётся неизменным.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны (в этом случае наблюдается дифракция).

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α . Заметьте, что все углы в оптике измеряются от перпендикуляра к границе раздела двух сред.

Закон преломления света (закон Снеллиуса): падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред, и определяется выражением:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В.Снеллиусом в 1621 году. Постоянную величину n 21 называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления .

Среду с большим значением абсолютного показателя называют оптически более плотной, а с меньшим – менее плотной. При переходе из менее плотной среды в более плотную луч «прижимается» к перпендикуляру, а при переходе из более плотной в менее плотную – «удаляется» от перпендикуляра. Единственный случай, когда луч не преломляется, это если угол падения равен 0 (то есть лучи перпендикулярны границе раздела сред).

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения , то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения . Для угла падения α = α пр, sinβ = 1, так как β = 90°, это значит, что преломленный луч идет вдоль самой границы раздела, при этом, согласно закону Снеллиуса, выполняется следующее условие:

Как только угол падения становиться больше предельного, то преломленный луч уже не просто идет вдоль границы, а он и вовсе не появляется, так как его синус теперь уж должен быть больше единицы, а такого не может быть.

Линзы

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой .

Линзы бывают собирающими и рассеивающими . Если показатель преломления линзы больше, чем окружающей среды, то собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если показатель преломления линзы меньше, чем окружающей среды, то всё наоборот.

Прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы . В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы . Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями .

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F , которая называется главным фокусом линзы . У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием . Оно обозначается той же буквой F .

Формула линзы

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображение – это точка пространства, где пересекаются лучи (или их продолжения), испущенные источником после преломления в линзе. Изображения бывают прямыми и перевернутыми , действительными (пересекаются сами лучи) и мнимыми (пересекаются продолжения лучей), увеличенными и уменьшенными .

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

Для простоты можно запомнить, что изображение точки будет точкой. Изображение точки, лежащей на главной оптической оси, лежит на главной оптической оси. Изображение отрезка – отрезок. Если отрезок перпендикулярен главной оптической оси, то его изображение перпендикулярно главной оптической оси. А вот если отрезок наклонен к главной оптической оси под некоторым углом, то его изображение будет наклонено уже под некоторым другим углом.

Изображения можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы . Если кратчайшее расстояние от предмета до линзы обозначить через d , а кратчайшее расстояние от линзы до изображения через f , то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

Величину D , обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы . Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.

Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков: f > 0 – для действительных изображений; f < 0 – для мнимых изображений. Перед d знак «–» ставится только в том случае, когда на линзу падает сходящийся пучок лучей. Тогда их мысленно продлевают до пересечения за линзой, помещают туда воображаемый источник света, и определяют для него расстояние d .

В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения. Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета. Для линейного увеличения линзы существует формула:

На этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.

Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.

Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.