Лекции - Оптика - файл n1.doc

Лекции - Оптика
скачать (1485.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2171kb.01.10.2009 18:02скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Световая волна и её характеристики.


Оптика – это раздел физики, который изучает распространение света и взаимодействие его с веществом. Свет представляет собой электромагнитное излучение и обладает двойственной природой. В одних явлениях свет ведёт себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц фотонов или квантов света. Волновыми свойствами света занимается волновая оптика, квантовой – квантовая.

Свет – поток фотонов. С точки зрения волновой оптики световая волна – это процесс колебания электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве.

Оптика занимается световыми волнами, в основном инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов. Как электромагнитная волна свет обладает следующими свойствами (они следуют из уравнения Максвелла):

Вектора напряжённости электрического поля E, магнитного поля H и скорость распространения волны V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему.



Вектора E и H колеблются в одной фазе.

Для волны выполняется условие: 

Уравнение световой волны имеет , где - волновое число, - радиус-вектор, - начальная фаза.

При взаимодействии световой волны с веществом наибольшую роль играет электрическая составляющая волны (магнитная составляющая вне магнитных средах влияет слабее), поэтому E называют световым вектором и его амплитуду обозначают А.

Уравнение (1) является решением волнового уравнения, которое имеет вид:

 (2), где - лапласиан; V – фазовая скорость V=c/n (3).

Для немагнитных сред =1 => . Из (3) видно, что n=c/v. По виду волновой поверхности различают плоские, сферические, эллиптические и т.д. волны.

Для плоской волны амплитуда светового вектора уравнения (1) постоянна. Для сферического она уменьшается с расстоянием от источника по закону .

Перенос энергии световой волны характеризуется вектором Поинтига .

Он представляет собой плотность потока энергии и направлен по скорости – в сторону его переноса. Вектор S очень быстро изменяется со временем, поэтому любой приёмник излучения, в том числе и глаз, в течение времени наблюдения, гораздо большего, чем период волны, регистрирует усреднённое по времени значение вектора Поинтига, которое называется интенсивностью световой волны. , где . Учитывая (1) и то, что для H оно имеет такой же вид, можно записать, что  (4)

Если усреднить уравнение (4) по времени, то второе слагаемое исчезнет, тогда  (5). Из (5) следует, что I - (6).

Интенсивность I – это количество энергии переносимое за единицу времени световой волной через единицу площади. Линию, по которой распространяется энергия волны, называется лучом. Ещё одной характеристикой световой волны является поляризация. Реальный источник состоит из огромного числа атомов, которые излучают, будучи возбуждёнными, в течении t=10-8c, испуская при этом обрывок волны ?=3м.

Эти волны имеют различные направления вектора E в пространстве, поэтому в результирующем излучении за время наблюдения встречаются различные направления вектора E, т.е. направление E для реального источника изменяется хаотически по времени, и свет от такого источника называется естественным (неполяризованным). Если же направление колебаний вектора E упорядочены, то такой свет – поляризованный. Различают свет плоско поляризованный, поляризованный по кругу и эллипсу.

Отражение и преломление плоской волны на границе двух диэлектриков. Законы отражения и преломления света.


Рассмотрим падение плоской световой волны на границе раздела двух прозрачных (не поглощающих) сред с показателями преломления n1 и n2. В этом случае происходит преломление и отражение света. Вывод закона преломления и отражения удобно проводить с помощью принципа Гюйгенса: каждая точка волнового фронта становится источником вторичных сферических волн и новым фронтом волны является огибающая этих вторичных волн.

Рассмотрим преломление света.



? – угол падения. BD=L1, AC=L2, AD=L. В первой среде световая волна движется с V1, а во второй с V2. Расстояние L1 и L2 волна проходит за время t =>  (1) . Из ABD и ACD:  (2). Отсюда . =>  (3).

Формула (3) представляет собой запись закона преломления света: луч падающий, луч преломлённый и нормаль границ раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для данных сред и называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.



Совершенно аналогично используя принцип Гюйгенса можно показать, что угол падения равен углу отражения, что является основой закона отражения: луч падающий, луч отражённый и нормаль границы раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения. Причём падающие отражённые лучи лежат по разные стороны нормали.

Среду, у которой показатель преломления больше, называют оптически более плотной. Из закона преломления (4) видно, что при падении луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду (n2>n1) ?>?.



Если увеличить ?, то мы получим прямой угол ?.



Луч падает из оптически более плотной в менее плотную среду (n21) ?


При некотором ?кр преломлённый луч становится скользящим (?=90°).



Если ?>?кр, то наблюдается явление полного внутреннего отражения. Предельный ?кр находится:


При переходе из одной среды в другую наряду со скоростью волны меняется и ? в n21 раз, а частота .
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Световая волна и её характеристики
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации