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.5. Взаимодействие электромагнитных волн с веществомСодержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Согласно представлениям классической электронной теории, переменное электромагнитное поле световой волны, распространяющееся в диэлектрической среде, вызывает вынужденные колебания электронов и ионов, входящих в состав молекул среды. Таким образом, каждую молекулу среды можно рассматривать как колебательную систему, куда входят осцилляторы с различными циклическими частотами собственных колебаний (ω 0). Ионы значительно массивнее электронов и совершают заметные колебания только под действием низкочастотного (инфракрасного) излучения (ν= 1011÷1014Гц). В области частот видимого и ультрафиолетового излучения (ν= 1014÷1017Гц) определяющую роль играют вынужденные колебания внешних, наиболее слабо связанных с атомами электронов. Такие электроны называются оптическими электронами. В процессе вынужденных колебаний электронов молекул среды с частотой ν падающего на вещество света молекулы излучают вторичные электромагнитные волны также с частотой ν. Средние расстояния между частицами вещества во много раз меньше длины волны света, поэтому вторичные Исследования показывают, что в однородной изотропной среде Поглощение (абсорбция) света. Из опыта установлено, что по мере распространения плоской световой волны в веществе ее интенсивность уменьшается. Поглощением светаназывается явление потери энергии волной, проходящей через вещество, вследствие преобразования энергии электромагнитной волны в другие формы – внутреннюю энергию вещества, энергию вторичного излучения других направлений и другого спектрального состава. В результате абсорбции интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается. Поглощение света может вызывать нагревание вещества, возбуждение, ионизацию атомов или молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе. В XVIII в. был экспериментально установлен закон поглощения света веществом, называемый законом Бугера. Согласно этому закону интенсивность плоской волны монохроматического света уменьшается по мере
(7.18) где I 0, I – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающей среды толщиной х; – коэффициент поглощения, зависящий от химической природы вещества, его состояния, длины волны λ и не зависящий от интенсивности света ( ~ ). У одноатомных газов и паров металлов атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, и такие вещества обладают близким У диэлектриков коэффициент поглощения невелик (примерно 10–3 – У металлов коэффициент поглощения имеет большое значение (103 – Рассеяние света. Рассеяниемназывается явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления движения световой волны и проявляющееся как несобственное свечение вещества. Несобственное свечение вещества обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах или молекулах рассеивающей среды под действием падающего света. Как показал Л.И. Мандельштам, рассеяние света возможно только в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке. Примерами таких сред являются мутные среды – аэрозоли (дым, туман), эмульсии, матовые стекла – то есть среды, содержащие мелкие частицы, показатель преломления которых В случае оптически однородной среды ее малые одинаковые объемы, содержащие равное и большое число молекул, можно рассматривать как В случае оптически неоднородной среды расстояние между малыми по размеру инородными частицами мутной среды значительно больше длины волны света λ, то есть эти неоднородные частицы будут вести себя как независимые вторичные источники света. Излучаемые ими волны будут некогерентными между собой и при наложении не могут интерферировать, поэтому оптически неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям. Дисперсия света. В отношении электромагнитных волн термин «дисперсия» понимается в смысле спектрального разложения сложного излучения (на его составные части) по частотам или длинам волн. Причиной такого разложения является зависимость фазовой скорости от частоты или длины волны: Поскольку , где с – скорость света в вакууме, n – показатель преломления среды, то можно сделать вывод о том, что существование дисперсии света в среде обусловлено зависимостью показателя преломления среды Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму, изготовленную из какой-либо прозрачной среды: на экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоса, которая называется призматическим или дисперсионным спектром. Зависимость показателя преломления среды n от длины волны λ нелинейная (рис. 7.19). Величина , называется дисперсией вещества и показывает, как быстро изменяется показатель преломления среды с длиной волны. Если показатель преломления для прозрачных веществ с уменьшением λ монотонно увеличивается, Получим зависимость на основе электронной теории Лоренца. Согласно этой теории дисперсия рассматривается как
Таблица 7.1
Рассмотрим распространение света в прозрачной однородной диэлектрической среде. Под действием проходящей электромагнитной волны электроны среды начинают совершать вынужденные гармонические Используя закон Максвелла и соотношение где Р – мгновенное значение поляризованности диэлектрика, – диэлектрическая восприимчивость вещества, имеем откуда . Так как в оптической области спектра для всех веществ , то . Следовательно, , (7.19) то есть показатель преломления зависит от Р. В рассматриваемом случае основное значение имеет электронная поляризация, то есть вынужденные колебания оптических электронов (слабо где х – смещение электрона. Мгновенное значение поляризованности где – концентрация электронов в атомах диэлектрика. Таким образом, выражение (7.19) можно переписать в виде (7.20) Для определения смещения х электрона под действием вынуждающей силы запишем дифференциальное уравнение вынужденных колебаний, пренебрегая для простоты силой трения (сопротивления): где – собственная циклическая частота колебаний электрона. Решением этого уравнения является выражение (7.21) где (7.22) Подставляя (7.21) и (7.22) в (7.20), получим (7.23) Если в среде имеются различные заряды , совершающие вынужденные колебания с различными собственными частотами , то (7.24) где – масса i- го заряда. Таким образом, коэффициент преломления, фазовая скорость распространения света и диэлектрическая проницаемость являются функциями частоты (длины волны). Для вакуума , следовательно, n= 1 для всех длин волн, то есть дисперсия отсутствует. Фазовая скорость электромагнитных волн при этом равна с= 3∙108м/с. Из выражений (7.23) и (7.24) следует, что в диапазоне частот от ω= 0до ω=ω 0 величина n> 1 и возрастает с увеличением частоты ω (нормальная дисперсия, ); при ω=ω 0 величина ; в области от ω=ω 0 до n< 1 и возрастает от -∞ до 1 (нормальная дисперсия). График зависимости n=f(ω) приведен на рис. 7.20. Описанное поведение n вблизи собственной частоты ω0 получилось из-за предположения об отсутствии сил сопротивления при колебаниях электронов. Если эти силы учесть, то график функции n(ω) вблизи ω 0 задается штриховой линией АВ. В области АВ наблюдается аномальная дисперсия. (n убывает при возрастании ω).
Краткие выводы · В XVII в. голландским ученым Х. Гюйгенсом была предложена волновая теория света, согласно которой свет представляет собой поток волн, подобно звуковым в воздухе или волнам на поверхности жидкости. На · Интерференцией света называют пространственное перераспреде-ление светового потока при наложении двух или нескольких когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают устойчивые максимумы, а в других – минимумы интенсивности. Волны усиливают ( или ослабляют ( друг друга в зависимости от оптической разности хода между ними. · Свет представляет собой электромагнитные волны, и для него при · Дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр по длинам волн и может использоваться в качестве спектрального прибора. С ее помощью измеряют длины световых волн. Угол, определяющий направление на · Действие света на вещество определяется преимущественно вектором напряженности электрического поля (световым вектором). Если колебания вектора происходят во всевозможных направлениях, в плоскости, · Зависимость показателя преломления вещества от длины волны · Явление потери энергии световой волной, проходящей через где – коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения зависит от длины волны (частоты), природы вещества и не зависит от интенсивности света. Наибольшие значения коэффициент поглощения имеет для металлов (103-1051/см), поэтому металлы являются непрозрачными для света.
Вопросы для самоконтроля и повторения 1. Что называют интерференцией света? Какие волны называются 2. Что такое оптическая длина пути, оптическая разность хода? Сформулируйте условия интерференционных максимумов и минимумов. 3. Как на практике применяется явление интерференции света? Что 4. Что называют дифракцией света? При каких условиях она наблюдается? 5. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля. В чем заключается 6. Запишите условия дифракционных максимумов для одной щели 7. Какой свет называется естественным? Поляризованным? 8. Сформулируйте закон Брюстера. Чем замечателен угол Брюстера? 9. Какие способы получения поляризованного света Вам известны? 10. Что называют дисперсией света? Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной? 11. В чем заключаются основные положения и выводы электронной 12. Сформулируйте закон поглощения света веществом. Почему металлы сильно поглощают свет?
Примеры решения задач Задача 1. Два когерентных источника света и ( мкм) находятся на расстоянии d= 2мм друг от друга. В двух метрах от линии , соединяющей Дано: мкм, d= 2 мм, l= 2м, n= 1,5, h= 10,5мкм. Найти: max (min) освещенности. Решение Условие усиления или ослабления света в заданной точке определяется величиной оптической разности хода ∆лучей. Если (m= 0, 1, 2, …), то наблюдается максимальное усиление света; если (m= 0, 1, 2 ,…), то наблюдается максимальное ослабление света. 1. Оба луча идут в вакууме, поэтому оптическая разность хода будет равна геометрической разности хода лучей: Очевидно, что удовлетворяет условию интерференционного максимума и в точке М будет максимум освещенности. 2. Если на пути луча поместить стеклянную пластинку, то опти-ческая разность хода лучей изменится: В этом случае удовлетворяет условию интерференционного минимума Ответ: 1) в точке М будет наблюдаться усиление освещенности; Задача 2. Определить число штрихов на 1 мм дифракционной решетки, если углу соответствует максимум четвертого порядка для монохроматического света с длиной волны 0,5мкм. Дано: , m= 4, мкм, l= 1 мм. Найти: N. Решение Условие главных максимумов дифракционной картины (m= 0, 1, 2,…), откуда С другой стороны, период решетки , следовательно, Ответ: N= 250мм-1.
Задача 3. Чему равен угол между главными плоскостями поляризатора Дано: k= 0. Найти: . Решение После прохождения через поляризатор свет имеет интенсивность где k – коэффициент поглощения света веществом. По закону Малюса после прохождения через анализатор интенсивность света равна По условию , тогда и Ответ: Задачи для самостоятельного решения 1. В опыте Юнга расстояние между щелями d= 1 мм, а расстояние от 2. В опыте с зеркалами Френеля расстояние между мнимыми изображениями источника света было равно 0,5мм, расстояние до экрана 5м. 3. Установка для получения колец Ньютона освещается белым светом, падающим нормально. Найти: а) радиус четвертого синего кольца (); б) радиус третьего красного кольца (). 4. На экран с круглым отверстием радиусом 1,5мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны 0,5мкм. Точка наблюдения находится на оси отверстия на расстоянии 1,5м от него. Определить, темное или светлое кольцо наблюдается в центре дифракционной картины, если там поместить экран. (Ответ: светлое). 5. На щель шириной а= 0,1мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны Экран, на котором наблюдается дифракционная картина, расположен параллельно щели на расстоянии l= 1м. 6. На дифракционную решетку, имеющую 600 штрихов на 1 мм, 7. С помощью дифракционной решетки с периодом d= 20мкм требуется разрешить две спектральные линии натрия ( и ) 8. Определить угловую дисперсию дифракционной решетки для нм в спектре первого порядка. Период решетки равен 2,5∙10-4см. (Ответ: D= 4,1∙105рад/м). 9. Степень поляризации частично поляризованного света составляет Р= 0,75. Определить отношение максимальной интенсивности света, 10. Угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора 11. Определить максимальную скорость вынужденных колебаний 12. Коэффициент поглощения некоторого вещества для монохромати-ческого света определенной длины волны составляет . Определить толщину слоя вещества, которая необходима для ослабления света в 2 раза ЗАКЛЮЧЕНИЕ Заканчивая изучение основ классической электродинамики, вы расширили свои представления о видах и свойствах материи. Электромагнитное поле, являющееся предметом изучения электродинамики, – это особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. В отличие от вещества такое поле не воспринимается нашими органами чувств, но легко обнаруживается по наличию электромагнитного взаимодействия. Таким образом, электромагнитное поле, как и вещество, существует независимо от нашего сознания, объективно, а, следовательно, материально. Электромагнитное поле обладает энергией, импульсом и другими свойствами, характерными для материи Познание человечеством свойств и законов электромагнитного поля прошло длинный и сложный путь, связанный с историей развития производительных сил общества и других областей естествознания. Этот путь 1. Накопление опытных фактов, установления основных понятий и законов – естествоиспытатели древней Греции и Китая, П. Перегринус (XIII в.), У. Гильберт (XV в.), С. Грей, Ш. Дюфе, Б. Франклин, Г. Кавендиш, 2. Формирование учения об электромагнитном поле (Дж. Максвелл, Г. Герц, П.Н Лебедев, А.С. Попов). 3. Формирование атомистической теории электричества (Г. Гельмгольц, Д. Томсон, Х. Лоренц). На базе электронных представлений в XX в. была развита теория диэлектриков, магнетиков, полупроводников. Все электромагнитные явления можно описать с помощью уравнений Максвелла, которые устанавливают связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов. Из теории Максвелла вытекает конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существование электромагнитных волн. Разработка теории электромагнитного поля привела к открытию электромагнитных колебаний, изобретению индукционного генератора, электри-ческого мотора, радио, радиолокации, телевидения, объяснению волновой природы света, сыграла решающую роль в техническом прогрессе общества. Использование электрической энергии и развитие электронных средств связи качественно изменили образ жизни человечества.
1. Ан, А.Ф. Общий курс физики. Физические основы колебательных и волновых процессов: конспект лекций / А.Ф. Ан, А.В. Самохин.– Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2007.– 134 с. 2. Ан, А.Ф. Общий курс физики. Физические основы электромагнитных 3. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики: учеб. 4. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.– М.: Высш. шк., 1989.– 608 с. 5. Дмитриева, В.Ф. Физика: учеб. для студентов образовательных учреждений сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева.– М.: Изд. центр «Академия», 2003.– 464 с. 6. Енохович, А.С. Справочник по физике и технике: учеб. пособие для 7. Колесников, В.А. Физика: Теория. Методы решения конкурсных задач 8. Курс физики: учеб. для вузов. В 2 т. / под ред. В.Н. Лозовского.– СПб.: Лань, 2001.– 576 с. 9. Николаев, В.И. О дидактических достоинствах курса физики 10. Пасечник, Н.Д. Элементарная электротехника / Н.Д. Пасечник.– Киев: Гос. изд-во техн. лит. УССР, 1957.– 224 с. 11. Ремизов, А.Н. Курс физики / А.Н. Ремизов, А.Я.Потапенко.– М.: Дрофа, 2002.– 720 с. 12. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 3 т. / И.В. Савельев.– М.: Наука, 1989. 13. Телеснин, Р.В. Курс физики. Электричество: учеб. пособие / Р.В. Телеснин, В.Ф. Яковлев.– М.: Просвещение, 1970.– 488 с. 14. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики: учеб. пособие для вузов 15. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова.– М.: Высш. шк., 1990.– 478 с. 16. Трофимова, Т.И. Сборник задач по курсу физики с решениями: учеб. 17. Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров; ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.– М.: Сов. энциклопедия, 1984.– 944 с. 18. Чертов, А.Г. Задачник по физике: учеб. пособие для втузов / А.Г. Чертов, А.А. Воробьев.– М.: Физматлит, 2005.– 640 с.
Приложения Приложение 1
|
||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-27; просмотров: 1854; 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 - 18.118.93.61 (0.013 с.) |