Современное представление о природе света

Физика билеты.

Современное представление о природе света

Свет - это сложный электромагнитный процесс, которому принадлежит дуализм. Двойственная природа света. Свет - это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон т.н. видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.

Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч.

Величина характеризующая зависимость скорости распространения света от рода среды называют - оптической плотностью среды, показатель преломления. И показывает во сколько раз скорость света в вакуме больше чем в другой среде. Измеряется числовым значением абсолютного показателя преломления среды.

Фотометрия. (световой поток, сила света источника, освещённость, яркость, светимость)

Фотометрией называется раздел оптики, в котором рассматриваются изменения энергии, которую переносят электромагнитные световые волны. Обычно в фотометрии рассматриваются действия на глаз и другие оптические приборы электромагнитных волн видимого оптического диапазона.

Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, которая оценивается по действию этого излучения на нормальный глаз. Световой поток создается источником света и воздействует на окружающие предметы.

Силой света I точечного источника называется величина, численно равная световому потоку Ф, который этот источник создает в единичном телесном угле. Если точечный источник равномерно излучает свет по всем направлениям, то

Освещенностью E называется отношение светового потока Ф, падающего на некоторый участок поверхности, к площади S этого участка: За единицу освещенности принимается люкс (лк).

Отношение светового потока, исходящего от элемента поверхности, к площади этой поверхности называется светимостью M:

,

где - площадь элемента источника света.

Яркость L определяют, как отношение силы света I в заданном направлении, к площади проекции светящейся площадки на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Таким образом, яркость, как и сила света - величина, зависящая от направления.

Закон отражения света от границ двух сред.

1. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности.
2. Угол отражения луча равен углу его падения Δα=Δγ.

принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром испускания вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Кроме того, как вытекает из построения Гюйгенса, падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Эти два утверждения представляют собой закон отражения света.

Если обратить направление распространения световых лучей, то отраженный луч станет падающим, а падающий – отраженным. Обратимость хода световых лучей – их важное свойство.

 

Основные случае построения хода лучей в линзах.

Оптические приборы

Оптическими приборами называются устройства, предназначенные для получения на экранах, светочувствительных пластинках, фотопленках и в глазу изображений различных объектов. Обычно оптические приборы дают плоское (двумерное) изображение трехмерных пространственных объектов.

Микроскоп

Для получения больших угловых увеличений (от 20 до 2000) используют оптические микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получают с помощью оптической системы, которая состоит из объектива и окуляра.

Простейший микроскоп - это система с двух линз: объектива и окуляра. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии F 1 < d < 2F 1 и рассматривается через окуляр, который используется как лупа. Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличения объектива Г1 на увеличение окуляра Г2:

Принцип действия микроскопа сводится к последовательному увеличению угла зрения сначала объективом, а затем - окуляром.

Телескоп

Для рассматривания отдаленных предметов служат зрительные трубы или телескопы. Назначение телескопа - собрать как можно больше света, от исследуемого объекта и увеличить его видимые угловые размеры.

Основной оптической частью телескопа служит объектив, который собирает свет и создаёт изображение источника.

Есть два основных типа телескопов:рефракторы (на основе линз)и рефлекторы (на основе зеркал).

Простейший телескоп - рефрактор, как и микроскоп, имеет объектив и окуляр, но в отличие от микроскопа объектив телескопа имеет большое фокусное расстояние, а окуляр - малую. Поскольку космические тела находятся на очень больших расстояниях от нас, то лучи от них идут параллельным пучком и собираются объективом в фокальной плоскости, где получается обратное, уменьшенное, действительное изображение. Чтобы сделать изображение прямым, используют еще одну линзу.

Центрированная система линз

Центрированная оптическая система – это оптическая система, которая имеет ось симметрии (оптическую ось) и сохраняет все свои свойства при вращении вокруг этой оси.

Для центрированной оптической системы должны выполняться следующие условия:

• все плоские поверхности перпендикулярны оси,
• центры всех сферических поверхностей принадлежат оси,
• все диафрагмы круглые, центры всех диафрагм принадлежат оси,
• все среды либо однородны, либо распределение показателя преломления симметрично относительно оси.

Свойства центрированных оптических систем можно полностью определить, если задать координальные моменты – передние и задние фокусы, соответствующие плоскости.

Фокусы оптической системы и фокальные плоскости.

Если на оптическую систему пустить пучок параллельных лучей, причём параллельных главной оптической оси, то они сойдутся в точке, называемой задним фокусом оптической системы.

Задний фокус можно считать изображением сопряжённой бесконечной удалённой точки, находящейся на оптической оси.

Если параллельный пучок лучей направить со стороны изображения, то они сойдутся в точке – переедем фокусом оптической системы.

Точка пересечения главных плоскостей с оптической осью называется главной точкой.

Главные плоскости НЕ совпадают с оптическими элементами системы.

Первая плоскость называется главной плоскостью пространства предметов (передней главной плоскостью), вторая — главной плоскостью пространства изображений (задней главной плоскостью). Точки пересечения главных плоскостей с главной оптической осью называются главными точками центрированной системы.

Понятие когерентности

Когерентность - 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.

 

Пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.

 

Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых излучателей.

 

Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временной и пространственной когерентности.

 

Временная когерентность.

 

Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени T_coh. Это время T_coh называют временем когерентности.

Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Условия интерференции

Волны должны быть когерентны. Когерентность - согласованность. В простейшем случае к огерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие максимума:
т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн (k = 1, 2, 3,...).

Условие минимума

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие минимума: ,

т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн (k= 1, 2, 3,...).

Кольца Ньютона

Кольца Ньютона - это явление интерференции. Свет отражается от внутренней и внешней поверхности линзы, и в местах, где волны когерентны образует светлые круги.

Интерференционная карти­на в тонкой прослойке воздуха между стеклянными пластина­ми — кольца Ньютона.

Волна 1 — результат отра­жения ее от точки А (граница стекло —воздух). Волна 2 — отражение от плоской пласти­ны (точка В, граница воздух — стекло). Волны когерентны: возникает интерференционная картина в прослойке воздуха между точками А и В в виде-концентрических колец. Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу , где r - радиус кольца, R — радиус кри­визны выпуклой поверхности линзы.

Если же линза освещается белым светом, то кольца Ньютона будут иметь цветную окраску. Причём, цвета колец будут чередоваться, как в радуге: красное кольцо, оранжевое, жёлтое, зелёное, голубое, синее, фиолетовое.

Основы голографии.

ГОЛОГРАФИЯ - метод получения объемных изображений предметов, основанный на регистрации и последующем восстановлении фронта волны, отраженной этими предметами. Получение голограммы основано на интерференции света.

 

Дифрацкионная решётка.

Дифpакционная решетка – важнейший спектpальный пpибоp, предназначенный для разложения света в спектр, и для измеpения длин волн.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесенных на плоскую или вогнутую поверхность.

• Отражательные: Штрихи нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется в отражённом свете
• Прозрачные: Штрихи нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде щелей на непрозрачном экране), наблюдение ведется в проходящем свете

Дифракционная решетка - система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны.

Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол φ - угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача - определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении φ - максимум или минимум. Оптическая разность хода Из условия максимума интерференции получим: . Следовательно: - формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракцион­ного максимума

(равен 0, ± 1, ± 2 и т.д.).

Дифракционный спектр.

Дифракционный спектр образуется при прохождении света через дифракционную решетку. Он зависит от размера ячейки решетки. Чем меньше размер решетки, тем больше преломляется свет и становится более заметен дифракционный спектр, видимое глазом разложение света на основные цвета.

Разрешающей способностью дифракционной решетки называется величина

где λ₁ и λ₂ - это близкие длины волн двух спектральных линий.

Дисперсия

Степень пространственного разделения лучей с разной длиной волны характеризует угловая дисперсия. Выражение для угловой дисперсии получим, дифференцируя уравнение для решетки: (12). Из этого выражения следует, что угловая дисперсия определяется исключительно углами α и β, но не числом штрихов. В применении к спектральным приборам используется обратная линейная дисперсия , которая определяется как обратная величина произведения угловой дисперсии на фокусное расстояние: .

 

Виды поляризации.

1. Если колебания вектора происходят только в одной плоскости, проходящей через луч, то свет называется плоскополяризованным (или линейнополяризованным). Плоскость, в которой колеблется вектор называется плоскостью поляризации (или плоскостью колебаний).

2. Если вектор вращается по мере распространения волны в пространстве, а конец этого вектора в каждой точке пространства описывает окружность, то свет называется поляризованным по кругу (или циркулярно поляризованным).

3. Если вектор вращается вокруг направления распространения волны (вокруг луча), изменяясь периодически по модулю, при этом вектор описывает эллипс, то свет называется эллиптически поляризованным.

Если смотреть навстречу распространения волны и вектор при этом поворачивается по часовой стрелке, то поляризация называется правой, если против часовой стрелки – левой.

4. Если свет представляет смесь естественного и плоскополяризованного, то он называется частично поляризованным.

Частично поляризованный свет характеризуется степенью поляризации р, которая определяется как

(34-1)

где - максимальная и минимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора . Для плоскополяризованного света = 0 и р = 1; для естественного света , соответственно р = 0; для эллиптически поляризованного света это понятие не применяется.

Закон Брюстера.

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера.

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Закон Брюстера: , где n ₂₁ — показатель преломления второй среды относительно первой, θ _Br — угол падения (угол Брюстера).

Закон Малюса.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где I ₀ — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора, k_a — коэффициент прозрачности поляризатора.

Дисперсия света.

Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны) называется дисперсией.

Дисперсия света представляется в виде зависимости:

 

Существуют две разновидности дисперсий:нормальная и аномальная.

 

Если при увеличении значениях частоты, показатель преломления возрастает, то такую дисперсию называют нормальной дисперсией.
Уменьшение показателя преломления при увеличении частоты, которое происходит в пределах ширины спектрального контура линии поглощения, называют аномальной дисперсией.
Аномальная дисперсия должна наблюдаться у всех веществ в тех областях спектра, где имеется сильное поглощение.

Ниже на рисунке приведен график зависимости .
На участках и - дисперсия нормальная. На участке дисперсия аномальная.

36. Люминесценция, виды спектра

Люминесценцией называют свечение тел, которое не может быть объяснено их тепловым излучением. Так, например, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температуре ~10³-10⁴ К, а люминесцировать тело может при любой температуре. Поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением. Одной из причин, вызывающих люминесценцию, является внешнее излучение, которое возбуждает молекулы тела. Например, падающий свет. После прекращения процесса облучения люминесцентное свечение не прекращается тотчас же, а продолжается еще некоторое время. Это последействие отличает люминесценцию от таких явлений, как отражение и рассеяние света. В настоящее время в физике принято следующее определение люминесценции.

Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний (10¹⁵ с).

Формулы релея. Катасторфа.

Формула Рэлея-Джинса — исходя из классической теории о равном распределении энергии по степеням свободы, и представляя тело как набор осцилляторов, получили следующую формулу для испускательной способности абсолютно черного тела.

В Формуле мы использовали:

— Энергия колебаний осцилляторов на длине волны

— Постоянная Больцмана

— Длина волны

— Температура

— Частота колебаний

— Скорость света

Ультра фиолетовая катастрофа состоит в том, что классические расчеты спектра излучения абсолютно черного тела приводят к тому, что суммарная энергия излучения оказывается бесконечной. Снять эту проблему помогла гипотеза Планка, состоящая в том, что излучение происходит не непрерывно, а порциями или квантами.

Если попытаться вычислить R_Э с помощью формулы Рэлея-Джинса, то

• “ультрафиолетовая катастрофа”

Гипотеза Планка

Гипотеза Планка — является предположением того, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) отдельными порциями — квантами, а не непрерывно.

Квант − минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом.

Энергия каждой порции является пропорциональной частоте излучения:

E = hv,

где h = 6,63 • 10^-34 Дж • с — является постоянной Планка,

v — является частотой света.

Постоянная Планка (квант действия) — является фундаментальной физической константой, была введена М. Планком в 1900 году. Самое точное значение постоянной Планка h = 6,626176(36) • 10 ³⁴ Дж • с.

Однако, чаще всего пользуются постоянной Дж • с, также называемой постоян­ной Планка.

Совокупность оптических бесконтактных методов измерения высоких температур на основе зависимости между температурой и излучательной способностью (спектральной или интегральной) исследуемого тела называют оптической пирометрией. Приборы, используемые для этой цели, называются пирометрами излучения. В радиационных пирометрах регистрируется интегральное излучение исследуемого нагретого тела, а в оптических пирометрах − его излучение на одном или двух участках спектра.

Физика билеты.

Современное представление о природе света

Свет - это сложный электромагнитный процесс, которому принадлежит дуализм. Двойственная природа света. Свет - это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон т.н. видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.

Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч.

Величина характеризующая зависимость скорости распространения света от рода среды называют - оптической плотностью среды, показатель преломления. И показывает во сколько раз скорость света в вакуме больше чем в другой среде. Измеряется числовым значением абсолютного показателя преломления среды.