Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга.

А)Энергия электромагнитной волны

Объемная плотность энергии электромагнитного поля равно сумме его электрической и магнитной энергий. В линейной однородной изотропной среде объёмная плотность энергииравна:

где – скорость света в вакууме, – фазовая скорость электромагнитной волны в среде.

Б)Вектор плотности потока энергии для механических волн (вектор Умова) задается формулой . Вектор плотности потока энергии для электромагнитной волн называется вектором Умова–Пойнтинга. Для бегущей монохроматической волны вектор Умова–Пойнтинга определяется соотношением:

.

В случае плоской линейно поляризованной волны величина вектора Умова–Пойнтинга направлен в сторону распространения волны (направления переноса энергии) и численно равен:

.

Интенсивность волны равна среднему значению вектора Умова–Пойнтинга за период его полного колебания: .

Вопрос 7

Основные фотометрические величины: световой поток, сила света, светимость, яркость, освещенность.

Поток излучения равен полной мощности излучения, переносимой электромагнитным излучением через какую-либо поверхность .

Сила света I связана со световым потоком соотношением: , где – телесный угол, в котором распространяется световой поток .

Энергетической освещенностью поверхности называется поверхностная плотность потока излучения, падающего на данную поверхность перпендикулярно к ней .

Освещенностью Е поверхности называется отношение приходящегося на нее светового потока dФ к ее площадиd , расположенной перпендикулярно направления падающего светового потока: .

Светимость R есть отношение светового потока dФ, испускаемого с площади поверхности источника, к величине этой площади: .

Яркостью В источника называется поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению: . Для источников, яркость которых не зависит от направления, выполняется соотношение между светимостью и яркостью: . Такие излучатели называют излучателями Ламберта.

Таблица 6.2.1.

Световые и энергетические единицы в СИ
Величина	Символ обозначения величины	Световые единицы	Краткие обозначения световых единиц	Энергетические единицы
Световой поток	Ф	люмен	лм	ватт (Вт)
Сила света	I	кандела	кд
Освещенность	Е	люкс	лк
Светимость	R		,ранее называлась радлюкс(рлк)
Яркость	В		(нит)

 

Вопрос 8

Волновые свойства света. Когерентность. Способы получения когерентных волн. Интерференция света от двух источников (опыт Юнга). Координаты минимумов и максимумов. Ширина интерференционной полосы.

А) Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

Б)Два колебательных процесса называются когерентными, если разность фаз складывающихся колебаний остается постоянной в течение времени, достаточного для наблюдений.

В) Способы получения когерентных волн.

Получение когерентных волн для реализации интерференции в оптике осуществляется двумя способами:

инструментальное получение из данного источника двух когерентных;

деление фронта волны.

Схемы получения когерентных волн в первом случае основаны на получении двух источников, которые являются двумя изображениями данного единого излучающего центра (метод Юнга, бипризма Френеля, зеркала Френеля). Во втором случае получение когерентных волн происходит делением волны в пределах цуга на две волны (интерферометр Майкельсона, тонкие пленки, клин, кольца Ньютона).

6.3.1. Условия осуществления явления интерференции

Когерентные волны. Интерференция (см. главу 5). Устойчивая интерференционная картина возникает только при наложении таких волн, которые имеют постоянную во времени разность фаз в каждой точке пространства. Волны, удовлетворяющие этим условиям, и источники, создающие такие волны, называются когерентными. Условию когерентности удовлетворяют монохроматические волны, имеющие одинаковые частоты и постоянные разности начальных фаз. Монохроматическая волна характеризуется определенной длиной волны и связанной с ней частотой , где – скорость света в вакууме.

Способы получения когерентных волн. Получение когерентных волн для реализации интерференции в оптике осуществляется двумя способами: инструментальное получение из данного источника двух когерентных; деление фронта волны. Схемы получения когерентных волн в первом случае основаны на получении двух источников, которые являются двумя изображениями данного единого излучающего центра (метод Юнга, бипризма Френеля, зеркала Френеля). Во втором случае получение когерентных волн происходит делением волны в пределах цуга на две волны (интерферометр Майкельсона, тонкие пленки, клин, кольца Ньютона).

Оптическая длина пути. Произведение расстояния, пройденного световой волной, на показатель преломления среды называетсяоптической длиной пути или оптическим ходом волны (луча) , где – геометрический путь, т.е. расстояние, пройденное волной, – показатель преломления среды. Для расчета интерференции пользуются оптической разностью хода интерферирующих волн, тогда условия максимумов и минимумов формулируются для соответствующих значений длин волн в вакууме. Если пользоваться понятием геометрической разности хода при прохождении света через разные среды, то условия интерференции усложняется, надо будет учитывать изменение длины волны в этих средах.

Отражение волн от поверхности. При расчете оптического пути и оптической разности хода надо помнить: при отражении волны от оптически более плотной среды, происходит изменение ее фазы на величину π, что соответствует прибавлению в ход волны или вычитанию из хода волны величины .

Условия максимума интенсивности: для разности фаз , для оптической разности хода , где – длина волны в вакууме, а Условия минимума интенсивности для разности фаз для оптической разности хода . Во всех случаев

 

Вопрос 9