Successfully reported this slideshow.
Your SlideShare is downloading. ×

волновая оптика

Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Upcoming SlideShare
й 5.4.  с 2. к 3
й 5.4. с 2. к 3
Loading in …3
×

Check these out next

1 of 31 Ad
Advertisement

More Related Content

Slideshows for you (20)

Similar to волновая оптика (20)

Advertisement

волновая оптика

  1. 1. Волновая оптика
  2. 2. ПРИ РАССМОТРЕНИИ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА, ПОСТРОЕНИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ , ДАВАЕМЫХ ЛИНЗАМИ МЫ ПОЛЬЗОВАЛИСЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКОЙ: ДЛЯ ЭТОГО МЫ ВВЕЛИ ПОНЯТИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ЛУЧА КАК ЛИНИИ, УКАЗЫВАЮЩЕЙ НАПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ И ИСПОЛЬЗОВАЛИ ТЕОРЕМЫ ГЕОМЕТРИИ. НО СУЩЕСТВУЕТ ОБШИРНЫЙ КЛАСС ОПТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ, ОТНОСЯЩИХСЯ ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ К ВОПРОСАМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА И ВЕЩЕСТВА, ДЛЯ ПОНИМАНИЯ КОТОРЫХ НАДО СОСТАВИТЬ БОЛЕЕ ГЛУБОКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРИРОДЕ СВЕТА. ВСЕ ЭТО РАССМАТРИВАЕТСЯ В ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ. КОГДА МЫ РАССМАТРИВАЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ, ТО ВЫЯСНИЛИ, ЧТО ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОДЧИНЯЮТСЯ ЯВЛЕНИЯМ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ, ДИФРАКЦИИ, ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПО ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА СВЕТ – ЭТО ТОЖЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА, А ЗНАЧИТ ТОЖЕ ДОЛЖЕН ПОДЧИНЯЕТСЯ ЭТИМ ЯВЛЕНИЯМ.
  3. 4. Многие наблюдали окраску по краям линз в телескопах, но объяснил лишь Ньютон. Он хорошо понимал, что линза представляет собой систему призм. Не равномерный спектр! Латынь – Spectrum – представление, образ, видение Призма не окрашивает, призма разлагает свет! 7 цветов – дань традиции (7 звуков в октаве, семеричная система счета). Есть три основных цвета: синий, красный, зеленый. Их нельзя получить из комбинации лучей света других цветов. Все остальные цвета – комбинация трех основных цветов. Оттенков цветов множество (цветное телевидение). Цвета, дополняющие друг друга до белого, Ньютон назвал дополнительными цветами (оранжевый – голубой, красный – голубовато-зеленый). Спектр – разложение какого- либо излучения по длинам волн или частотам. Не путать спектр и дисперсию! В вакууме скорость всех цветов света одинакова . Дисперсии нет, хотя, например, при интерференции света спектры наблюдаются.
  4. 6. Ньютон смог объяснить цвета непрозрачных и прозрачных тел.  Белое тело отражает лучи света всех цветов. Черное тело – поглощает лучи света всех цветов . Поглощает все цвета, Поглощает все цвета, отражает красный красный пропускает красный
  5. 7. Красивое коромысло над лесом повисло.
  6. 8. Красивое коромысло над лесом повисло. Что это? – радуга! Что она собой представляет? Какова причина её возникновения? Мы показали, что показатель преломления зависит от длины волны и частоты. Отсюда следует, что всякая граница раздела двух сред разлагает белый свет. Но практически наблюдать нельзя, так как угол расхождения пучков света с различным показателем преломления очень мал, точка наблюдения очень далеко. Наблюдать можно на границе раздела двух сред, составляющих друг с другом какой – либо угол. В естественных условиях эта система реализована в строении кристаллов или в водяных каплях. Водяные капли в воздухе – причина возникновения радуги. Это явление Рене Декарт объяснил в 1637 голу: отражение (полное внутреннее отражение, открытое Кеплером) и преломление света в каплях. Но Декарт, открывший закон преломления, только показал ход лучей, а объяснить возникновение цветов не смог. Работы Ньютона по дисперсии дают объяснение этому явлению.
  7. 10. Интерференция света Мы рассмотрим такое волновое проявление свойств света, как интерференция света. Чтобы глубже разобраться с этим явлением, вначале рассмотрим интерференцию механических волн. Проведем опыт с волновой ванной: две волны на воде не мешают распространяться друг другу. Звуковые волны (голоса в классе, оркестр) тоже распространяются независимо друг от друга. Но волны в процессе распространения могут складываться, при этом в определенных точках пространства они усиливают или ослабляют друг друга. Рассмотрим опыт с поверхностными волнами в ванне. Пока источники волн не согласованы, ничего необычного не видно. Согласуем источники волн (пластинка и два штифта). Мы наблюдаем устойчивую картину распределения усилений и ослаблений колебаний. Это явление интерференции. Как оно возникает?
  8. 11. Имеется два источника когерентных волн. При наложении волн наблюдается интерференционная картина. Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. Откуда произошел этот термин? В 17 веке профессор математики в иезуитской школе Гримальди наблюдал и описал это явление, хотя не дал ему ни объяснения, ни названия. Англичанин Томас Юнг это явление объяснил сложением волн. Юнг дал название. Два года оно существовало в причастной форме – интерферирующий, (1801г.) а потом в форме существительного - интерференция . Английское интерференс – вмешательство, столкновение, встреча.. Рассмотрим условия наблюдения интерференционной картины и три случая интерференции механических волн.
  9. 12. При наложении волн наблюдается три случая. 1. Случай. Волны в точку М приходят горбами или впадинами (в одинаковых фазах). Обозначим расстояние от источника S 1 до М буквой d 1 . а от источника S 2 – буквой d 2 . ∆ d = d 2 - d 1 называется оптической разностью хода ∆ d = d 2 - d 1 =2 k  /2  условие максимума  ∆ d = d 2 - d 1 = k  , где k =0,1,2,3... На разности хода лучей помещается четное число полуволн или целое число волн. ∆  =0 или ∆  = 2π ( период синуса ). А=2А Волны усиливают друг друга. Возрастает горб, а через Т/2 увеличивается впадина Принцип суперпозиции: Наблюдаем интерференционную картину, если: Когерентные источники волн 1. Волны не мешают прохождению друг сквозь друга. 2. (Энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды). Налагаются волны одинаковой длины волны с постоянной разностью фаз. Это когерентные волны. Согласованность источников наз. когерентностью. Плюс для света: Разность хода не больше длины когерентности.
  10. 13. 2. Случай. Одна волна в точку М приходит горбом, а другая – впадиной. Они в противофазе и гасят друг друга. ∆ d = d 2 - d 1 = (2 k + 1)  /2  Условие минимума . Где k =0,1,2,3... ∆  = π. А = 0. На разности хода лучей помещается не четное число полуволн. Энергия не исчезает, она перераспределяется! 3. Случай. ∆ d равно не целому числу полуволн. Результирующая амплитуда занимает промежуточное значение. 0< A <2 A . Чтобы наблюдать интерференционную картину для света – нужно разделить свет от одного источника на два пучка. Ллойд дал идею разделения света на два пучка: Есть разность хода. Выполняется: Но при этом способе наблюдать интерференционную картину для света трудно. Этот способ дает принцип: 1. Разделение пучка света на два пучка. 2. Встреча двух пучков света, при этом волны накладываются друг на друга. 3. Если  1 =  2 и ∆  = const (волны не смещаются относительно друг друга), то в одних местах волны усиливают друг друга, а в других – гасят! Наблюдается интерференция света.
  11. 14. Способы наблюдения интерференции. Применение интерференции. Торричелли (1608 – 1647г.) изготавливал линзы с точностью 10 -6 см. Известны кольца Ньютона?! В тонких пленках интерференцию можно наблюдать лишь при малой толщине пленки ( ∆ d≤ 10 7 длины волны). В одном акте излучения цуг такой длины. Только волны одного цуга считаем когерентными. Почему интерференционные полосы цветные? 1. Различные цвета преломляются по-разному. 2. Воздушный клин или разная толщина пленки. 3. Для каждой точки экрана (пространства) разность хода лучей равняется целому числу волн определенного цвета (максимум для этого цвета), а для других цветов - не целому. Для какого – то другого цвета максимум в другой точке пространства. Бипризма Френеля Кольца Ньютона
  12. 15. Дифракция света Впервые к выводу о том, что в центре тени должно быть светлое пятно пришел Пуассон, рецензировавший работу Френеля о дифракции света, предоставленную на соискание премии Парижской академии наук. На этом основании он сделал вывод, что теория Френеля ошибочна. Араго поставил опыт более тщательно и обнаружил темное и светлое пятно. Это был очень весомый аргумент в пользу теории Френеля. Дифракция света существует! Дифракция – огибание световыми волнами преград и отверстий, величина которых сравнима с длиной волны. Дифракция – латынь – разломанный. Явление дифракции присуще волнам любой природы: механическим (звук слышно за углом), эл. магнитным, световым. Дифракция волн проявляется особенно отчетливо в том случае, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней Пронаблюдаем явление дифракции на поверхности воды, (волновая ванна). Дифракция от отверстия
  13. 16. Теперь через отверстие, проделанное иглой в открытке, получим на экране светлое пятно. Оно оказалось больше, чем можно было ожидать. Это из-за дифракции света. Явление дифракции света наблюдать трудно, т.к. длина световой волны очень мала и препятствие должно быть очень малого размера. При дифракции лучи, огибающие преграды и отверстия, идут от одного отверстия (они когерентны), проходят разные расстояния и интерферируют. Поэтому чаще всего дифракция сопровождается интерференцией . Для различных длин волн (различного цвета) различные отклонения. ∆ d = k  - max ∆ d = (2 k +1)·  /2 – min S О А В Нить свет
  14. 18. Картину распределения энергии от щели можно изобразить так: Разрешающая способность микроскопа и телескопа: изображение мелких точек “размыты“, они сливаются, если точки близко. Границы применимости геометрической оптики: d – размер преграды; L – расстояние от преграды до источника наблюдения. Если L <<d 2 /  дифракция практически не видна (резкая тень) – геометрическая оптика. Если L >>d 2 /  дифракция наблюдается хорошо – физическая оптика.
  15. 19. Проблема: если, прищурив глаз, смотреть на нить накала лампы, то нить кажется окаймленной светлыми бликами. Почему? (Щель от глаза, диф. решетка от ресниц). Дифракционная картина в опыте со щелью не имеет достаточной резкости и яркости. Это объясняется двумя причинами: а) через одну щель проходит мало света; в) светлые ( ma х) полосы получаются широкими и, как следствие, мало освещенными. Этот дефект устранен в приборе, названным дифракционной решеткой. Дифракционная решетка состоит из множества щелей (300 – 6000 на 1мм). картина резкая и яркая. Обычно это хорошо отполированное стекло, на котором алмазом нанесены тонкие штрихи. Хорошие решетки получают при помощи специальных делительных машин. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Рассмотрим опыт получения дифракционного спектра от дифракционной решетки. Это равномерный спектр. к=0,1,2,3.... где к – порядок спектра. В отличие от дисперсионного в дифракционном спектре вначале фиолетовый цвет (отклоняется меньше красного). Рассмотрим более подробно устройство дифракционной решетки . d – Период решетки. в – непрозрачная часть а – прозрачная часть В нашем опыте d =1/100 мм.  d =а+в  или d = ℓ/N где ℓ - длина решетки, N – число штрихов (щелей). 0
  16. 20. Осветим решетку параллельным пучком света. Значит, каждая щель становится источником вторичных волн и волны от щели распространяются во всех направлениях, а значит наблюдается дифракция света. Вследствие этого изображение щели должно располагаться в различных местах. Место расположения изображения щели зависит от угла падения луча S 1 S 2 S 3 - источники И так, пусть на дифракционную решетку падает параллельный пучок монохроматического света от щели (плоская монохроматическая волна длиной  ). Найдем условие максимума. Рассмотрим из многих направлений только те волны, которые распространяются под углом  Экран
  17. 21. По принципу Гюйгенса огибающая вторичных волн есть фронт волны. Фронт перпендикулярен направлению распространению волны. Поэтому, вначале фронт  лучам, падающим на дифракционную решетку. После дифракционной решетки, при повороте лучей на  фронт волны тоже повернется на угол  . Теперь фронт  АС и возникает разность хода ∆ d =АС. Найдем условие максимума для дифракционной решетки. АВ =d AC= ∆ d =ABsin  AC= ∆ d = d sin  d sin  = k  , где k = 0, 1, 2, 3... k - порядок спектра. Условие наблюдения дифракционного минимума: При освещении решетки белым светом дифракционная решетка расщепляет белый свет в спектр, поскольку положение max и min зависит от длины волны (для различных длин волн – различные отклонения). Пластинка – отражательная дифракционная решетка. Такие решетки наилучшие. Используют: спектральный анализ – спектральные аппараты.
  18. 22. Дифракционная решетка. Разложение белого света в спектр с помощью дифракционной решетки. Стационарно – искровые оптико - эмиссонные спектрометры «МЕТАЛСКАН –2500». Предназначены для точного анализа металлов и сплавов, включая цветные, сплавы черных металлов и чугуны.
  19. 23. Поляризация света Все три явления – интерференция, дифракция и поляризация света изучались почти в одно и то же время, в первой четверти XIX века. Это было время острой борьбы двух теорий света: корпускулярной и волновой. Явление двойного лучепреломления известно очень давно, вот уже около 300 лет (Э. Бартолинус, 1669 г). Его хорошо знают геологи, имеющие дело с минералами. Творец волновой теории и современник Ньютона Гюйгенс писал: «Из Исландии, острова, находящегося в Северном море на широте 66 0 , привезли камень (исландский шпат), весьма замечательный по своей форме и другим качествам, но более всего по своим странным преломляющим свойствам». Один луч обыкновенный ( не преломляется), а другой необыкновенный. Необыкновенный луч не подчиняется законам преломления! Это явление объяснить не могли. В январе 1808 года Парижская академия наук объявила конкурс на премию за объяснение этого явления. Опыты молодого военного инженера Малюса: наблюдал через кристалл отражение заходящего солнца в окнах Люксембургского дворца и отражение света от поверхности воды. Он видел два солнца, причем яркость двух солнц менялась поочередно при вращении кристалла и даже оставалось одно солнце. Вот это было новым! Малюс был сторонником Ньютона: он тоже считал, что корпускула света является магнитом с противоположными полюсами N и S . Корпускулы в разных случаях ориентируются по – разному. Тем более это была эпоха электрических и электрохимических открытий. Тогда ученых волновала идея полярности. Вот поэтому Малюс это явление назвал поляризацией. Вот откуда произошло название – поляризация.
  20. 24. Но явления интерференции и дифракции света поколебали столетнюю традицию теории Ньютона – корпускулярную теорию. Да, свет – это волна. Но продольная или поперечная? Думали, что свет продольная волна, распространяющаяся в эфире. Поперечная волна – только в твердых телах. Решить вопрос мог только опыт. В опыте с двумя поляроидами свет то появляется , то исчезает Это возможно, если свет представляет собой поперечную волну. При продольной волне объяснить опыт нельзя. Все это подтверждает теорию Максвелла о поперечности световых волн В электромагнитной волне колеблются вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции. так как именно он оказывает действие на сетчатку глаза и фотоэмульсию. Нас интересует именно Как человек видит поляризованный свет. При наблюдении поверхности, излучающей поляризованный свет, некоторые люди могут заметить в середине поля зрения полоску слабого желто - лимонного цвета, имеющую вид изогнутого снопа колосьев. Впервые это явление описал в 1846 году Гайдингер. Пример наблюдательности. В 1855 году Л.Н. Толстой в “Юности“, не зная этого явления, писал: «…я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает».
  21. 30. Рассмотрим шкалу электромагнитных волн. Ее составить можно по способу генерации, по методу регистрации и.т.д. У нас по способу генерации Природа одна с = (интерференция, дифракция, поляризация) { от 10 -12 м до 10 6 } Количество  качество : проникающая способность,, Био и хим активность Радиоволны от снега отражаются , а ИК – проходят. ИК нагревают тело человека. УФ вызывают покраснение. Рентгеновские лучи проходят сквозь тело
  22. 31. Использованы материалы из книги Физика 1 1 авторов Лифарь С.В. Тарарина И.Н. Учитель физики ОШ № 32 Дикий А.Е. Использованы материалы из книги Физика 1 1 авторов Лифарь С.В. Тарарина И.Н.

×