Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
VII.1. Краткая история развития представленийСодержание книги
Поиск на нашем сайте
О природе света
Оптика – раздел физической науки, в котором рассматриваются закономерности излучения, распространения и поглощения света. Традиционно оптику принято подразделять на геометрическую и физическую. Геометрическая (лучевая) оптика не изучает природу света. Ее основными законами являются прямолинейное распространение света в прозрачных средах, его отражение и преломление. При этом свет рассматривается как совокупность световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия. Физическая оптика изучает вопросы, связанные с природой света и оптических явлений. Природа света двойственна. С одной стороны, свет представляет собой электромагнитную волну, с другой – поток частиц (фотонов). В связи с этим различают волновую и квантовую оптику. Волновая оптика рассматривает оптические явления, в которых проявляется волновая природа света – явления интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии. В основе волновой оптики лежат уравнения Максвелла Оптика – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тысяч лет до Следующий важный шаг развития оптики состоял в понимании законов преломления света и был сделан лишь много веков спустя. В средние века хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, С конца XVII в. в оптике развернулась борьба между корпускулярной Волновую теорию света предложил современник Ньютона голландский ученый Х. Гюйгенс. Следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления, причем из его теории следовало правильное выражение для показателя Победа волновой теории света связана с работами Т. Юнга и О. Френеля. В 1801 г. Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких пленок и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал волновую интерпретацию прямолинейности распространения света Вместе с тем представление о свете как упругих поперечных колебаний эфира приводила к необходимости искусственных теоретических построений (эфир приходилось наделять свойствами твердого состояния и в то же время допускать, что в нем могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены лишь после создания Д. Максвеллом учения об электромагнитном поле. Первое указание на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было сделано М. Фарадеем в 1848 г. Последующие теоретические где с – скорость света в вакууме; – соответственно относительная Это соотношение связывает оптические, электрические и магнитные Электромагнитная теория света не только объясняла наблюдаемые Несмотря на успехи классической электродинамической теории света Максвелла-Лоренца, вскоре выяснилось, что она недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчетливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн излучения абсолютно черного тела. Рассматривая эту принципиальную проблему, немецкий физик М. Планк пришел к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает энергию электромагнитному полю Таким образом, на основании современных представлений свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (корпускулярно-волновой дуализм): с одной стороны, он обладает волновыми свойствами (явления Корпускулярно-волновой дуализм есть проявление наиболее общей взаимосвязи двух основных форм существования материи – вещества и поля.
VII.2. Интерференция света
Поскольку свет – разновидность электромагнитных волн, должно Первым объяснил явление интерференции света английский ученый где D – оптическая разность хода волн. Также Т. Юнг понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны. Другими словами, вне нас в природе нет никаких красок (цветов) – есть лишь электромагнитные волны разной длины (белый свет немонохроматичен, он содержит электромагнитные волны разной длины – от 400 до 760нм). Человеческий глаз – это оптический прибор, способный Необходимым условием интерференции волн является их когерентность – постоянство во времени разности фаз накладываемых волн. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны, то есть волны строго определенной частоты (длины волны) и постоянной амплитуды. Однако Излучение светящегося тела скла-дывается из волн, испускаемых отдельными атомами. Продолжительность Так как свет излучается одновременно огромным количеством атомов, и излучают они независимо друг от друга (хаотически во времени), то реальная световая волна представляет собой набор (пакет) волновых цугов с беспо-рядочно меняющейся фазой. Таким образом, в уравнении электромагнитной волны фаза является случайной функцией времени. Волны, фазы которых меняются случайно и независимо друг от друга, называются некогерентными. Наиболее распространенным способом получения когерентных волн от обычных источников (не лазеров) является искусственное разделение световой волны, излучаемой одним источником, на две составные части, которые
Результат интерференции в точке М (максимум или минимум освещенности) на экране зависит от длины световой волны и разности хода волн от когерентных источников и . Если в плоскости О фаза колебаний где λ 0 – длина волны в вакууме; произведение геометрической длины пути s световой волны в данной среде на показатель преломления n этой среды Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн в вакууме (7.1)
то разность фаз колебаний , и колебания, возбуждаемые обеими волнами в точке М, будут протекать в одинаковой фазе. Следовательно, (7.1) является условием интерференционного максимума. Если оптическая разность хода волн
(7.2) то разность фаз колебаний , и колебания, возбуждаемые Очевидно, что если точка М на экране равноудалена от когерентных Если координата точки М на экране произвольная (рис. 7.4), то возникает разность хода интерферирующих волн
С другой стороны, условие интерференционного максимума . Следовательно, если , то в точке М наблюдается светлая полоса, в противном случае – темная. Таким образом, зная расстояние d между щелями, номер (порядок) Из вышеизложенного следует, что явление интерференции обусловлено волновой природой света. Поэтому это явление используется для определения длин световых волн, для весьма точного (порядка 10-7м) измерения размеров предметов, микронеровностей на поверхностях деталей, просветления оптики, определения показателя преломления прозрачных веществ. Рассмотрим некоторые применения интерференции. 1. Для прецизионных измерений длин волн и размеров тел используются интерферометры. В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы интерферометра Майкельсона (рис. 7.5). Монохроматический свет от источника S Так как первый из лучей проходит пластинку Р1 дважды, то для компенсации возникающей разности хода на пути второго луча устанавливается пластинка Р2 (такая же, что и Р1, но без слоя серебра). Поэтому пластинку Р2 называют компенсатором. Лучи и когерентны, следовательно, будет наблюдаться интерференция, результат которой зависит от оптической разности хода луча 1 от точки О до зеркала М1 и обратно, и луча 2 от точки О до зеркала М2 где – расстояния от точки О до зеркал М1 и М2, n – абсолютный показатель преломления воздуха. Если , то D = 0 и наблюдается интерференционный максимум. Смещение одного из зеркал (с помощью микрометрических винтов) на расстояние приведет к появлению разности хода лучей в результате чего возникнет интерференционный минимум: Таким образом, по незначительному смещению интерференционной картины можно судить о малом перемещении одного из зеркал и использовать интерферометр для точного измерения длины. Если поместить вместо одного из зеркал какую-либо деталь, можно по форме полос или колец 2. Особое место в применении интерференции занимает просветление оптики. При прохождении света через линзы или призмы от каждой из Сущность метода заключается в том, что поверхности линз покрываются тонкими пленками, создающими интерференционные явления (рис. 7.6). При этом накладываются когерентные световые лучи, отраженные от границ раздела воздух-пленка () и пленка-стекло (). Толщину пленки d и показатели преломления стекла и пленки n можно подобрать так, чтобы интерферирующие в отраженном потоке лучи гасили друг друга. Обычно толщина просветляющего слоя составляет Просветляющие покрытия наносятся на поверхности линз или призм 3. Для определения показателя преломления прозрачного вещества используются интерференционные рефрактометры (рис.7.7). На пути интерферирующих лучей помещаются две одинаковые кюветы 1 и 2 длиной l: одна заполнена газом с известным показателем преломления , а другая – с неизвестным . В результате возникает оптическая разность хода лучей которая приводит к сдвигу интерференционных полос на экране. Зная, на какую часть ширины интерференционной полосы m сместилась интерференционная картина, находят неизвестный показатель преломления вещества:
VII.3. Дифракция света
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при его распространении в среде с резко выраженной Для наблюдения явления дифракции света необходимо выполнение специальных условий, так как масштабы этого явления сильно зависят от соотношения размеров препятствия и длины волны. При длине волны, сравнимой с размерами препятствия, дифракция выражена очень сильно; в случае, если значительно меньше размеров препятствия, дифракция выражена слабо, то есть свет распространяется прямолинейно. Первым явление дифракции попытался объяснить Х. Гюйгенс, выдвинув в 1690 г. принцип построения волнового фронта (принцип Гюйгенса): каждая точка, до которой доходит волновое возмущение, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени (рис. 7.8). В качестве примера рассмотрим плоскую волну, падающую нормально на отверстие в непрозрачном экране (рис. 7.9). Каждая точка приходящегося на отверстие волнового фронта
Однако принцип Гюйгенса не учитывает периодичность световых волн, что не позволяет объяснить структуру дифракционной картины. Он не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, об интенсивности распространяющихся за препятствием световых волн. В 1816 г. О. Френель сделал принцип Гюйгенса физически более содержательным, дополнив его положением об интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, волновое возмущение в любой точке пространства является результатом интерференции вторичных волн, излучаемых каждым элементом некоторой волновой поверхности. Для того чтобы определить результат дифракции (амплитуду световых колебаний) в некоторой точке пространства, Френель предложил разбивать волновую поверхность на отдельные участки (зоны Френеля) так, чтобы волны, посылаемые двумя соседними зонами в данную точку, приходили Найдем в произвольной точке М амплитуду световой волны, распространяющейся в однородной среде от точечного источника S (рис. 7.10). (7.3) где – амплитуды колебаний, возбуждаемых соответственно первой, второй, …, m -зонами. Общее число зон Френеля, умещающихся на полусфере очень велико, поэтому приближенно можно считать, что амплитуда колебаний от Тогда выражение (7.3) можно записать в виде (7.4) Полученный результат показывает, что амплитуда результирующего светового колебания определяется действием только половины центральной зоны Френеля (все остальные вторичные волны гасятся в результате интерференции). Следовательно, распространение света от источника S к точке М происходит так, будто световой поток распространяется внутри очень узкого канала вдоль SM, то есть прямолинейно. Таким образом, принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света Поместим теперь на пути сферической волны, распространяющейся от точечного источника S, препятствие в виде непрозрачной пластины с круглым отверстием (дифракция на круглом отверстии). Для наблюдения дифрак-ционной картины параллельно плоскости отверстия на расстоянии b Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, укладывающихся на ширине отверстия. Амплитуда результирующего светового колебания, возбуждаемого в точке М всеми зонами где знак «плюс» соответствует нечетному числу m зон Френеля, знак «минус» – четному числу зон Френеля. Когда отверстие открывает нечетное число зон Дифракция на щели плоских световых волн. Пусть на узкую щель шириной , расположенную в непрозрачной преграде, нормально падает По принципу Гюйгенса-Френеля освещенная щель является источником вторичных световых когерентных волн, распространяющихся по всем Рассмотрим направление, параллельное главной оптической оси линзы Л и совпадающее с направлением падающей волны (). Линза соберет Рассмотрим теперь лучи, идущие под углом к первоначальному Далее воспользуемся методом зон Френеля. Для определения числа зон Френеля на участке разобьем его на отрезки, равные половине длины волны λ /2, и через точки разбиений проведем плоскости, параллельные DC. Эти плоскости разделят щель Число зон, укладывающихся в щели, зависит от длины волны и угла (). В свою очередь, от числа зон Френеля зависит результат наложения всех вторичных волн. Если число зон Френеля четное, то есть выполняется условие (7.5) то в точке М наблюдается дифракционный минимум (вторичные волны, идущие от двух соседних зон, погасят друг друга). В направлениях, которым соответствует нечетное число зон Френеля, укладывающихся в щели, то есть при выполнении условия (7.6) наблюдается дифракционный максимум, обусловленный действием одной некомпенсированной зоны Френеля. Из условий (7.5) и (7.6) можно найти направления лучей на точки экрана, в которых интенсивность света равна нулю (7.7) или максимальна (7.8) Распределение интенсивности на экране, получаемое вследствие Дифракционная решетка. Использование дифракции света на одной Дифракционная решетка – спектральный прибор, предназначенный для разложения света в спектр и измерения длины световой волны. Простейшая одномерная решетка представляет собой совокупность большого числа Если ширина каждой щели равна а, а ширина непрозрачных участков между щелями b, то величина называется периодом или постоянной дифракционной решетки. Дифракционная картина на решетке определяется как результат интерференции волн, идущих от всех щелей (многолучевая интерференция света). Пусть плоская монохроматическая волна падает нормально плоскости решетки (рис. 7.13). Так как щели находятся друг от друга на одинаковых расстояниях, то разность хода лучей,
В направлениях (то есть для таких углов φ), в которых световые волны ни от одной из щелей не распространяются (свет от разных частей каждой щели полностью гасится в результате интерференции), они не будут распространяться и при N щелях. Следовательно, главные минимумы интенсивности будут наблюдаться в направлениях, для которых выполняется условие (7.5): Вследствие взаимной интерференции волн действие одной щели будет усиливать действие другой, если (7.9) Соотношение (7.9) выражает условие главных максимумов. Кроме главных максимумов имеется большое число очень слабых (7.10) где р= 1, 2, 3,…, кроме N, 2 N, 3 N и т.д.; N – число штрихов решетки. Таким образом,
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-27; просмотров: 345; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.12.163.23 (0.015 с.) |