45. Механизм образования и распространения волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Электромагнитные волны. Энергия волны.

Механизм образования и распространения волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание начнет распространяться в среде с некоторой скоростью v. Процесс распространения колебаний называется волной.. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Электромагнитные волны. Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Энергия волны. При распространении волны в пространстве от какого-либо источника происходит и распространение энергии; частицы среды, вовлекаемые в колебательное движение, получают энергию от волны.        Если у нас будет источник - плоская металлическая мембрана, колеблющаяся с определённой частотой. Колебаться мембрану заставит вынуждающая сила, в данном случае - переменное (синусоидальное) магнитное поле. Мембрана, в свою очередь, заставит колебаться частицы воздуха, и в пространстве за мембраной распространится плоская продольная упругая волна.

Билет №46

Световые волны - это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.

Интерфере́нция све́та — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Оптическая разность хода – разность оптических длин, проходимых волнами.

Δ = L2 - L1 = S2*n2 – S1*n1

Способы получения интерференционных картин.

Метод Юнга. Свет от ярко освещено щели падает на две щели играющие роль когерентных источников.

Зеркала Френеля. Свет от источника падает расходящимся пучком на 2 плоских зеркала, расположенных под малым углом. Роль когерентных источников играют мнимые изображения источника. Экран защищен от прямого попадания лучей заслонкой.

Бипризма Френеля. Свет от источника преломляется в призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых когерентных источников.

Зеркало Ллойда. Точечный источник находится близко к поверхности плоского зеркала. Когерентными источниками служат сам источник и его мнимое изображение.

Интерференция света в тонких пленках

Различные цвета тонких пленок — результат интерфе¬ренции двух волн, отражаю¬щихся от нижней и верхней по¬верхностей пленки. При отражении от верх¬ней поверхности пленки проис¬ходит потеря полуволны. Сле¬довательно, оптическая раз¬ность хода .

Тогда условие максимального усиле¬ния интерферирующих лучей в отраженном свете следую¬щее: .

Если потерю полуволны не учитывать, то .

Использование интерференции в технике

Проверка качества обра¬ботки поверхности до одной де¬сятой длины волны. Несовершенство обра¬ботки определяют но искрив¬лению интерференционных по¬лос, образующихся при отра¬жении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.

Интерферометр — измерительный прибор, действие которого основано на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.

Интерферометры применяются как при точных измерениях длин, в частности в станко- и машиностроении, так и для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических систем в целом.

Билет №47

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не может объяснить явлений дифракции. Огюстен Жан Френель в 1815 году дополнил принцип Гюйгенса, введя представления о когерентности и интерференции элементарных волн, что позволило рассматривать на основе принципа Гюйгенса — Френеля и дифракционные явления.

Принцип Гюйгенса — Френеля формулируется следующим образом:

Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Дифракция от щели

Дифракция Фраунгофера (или дифракция плоских световых волн, или дифракция в параллельных лучах) наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.

Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Билет №48

Поляризацией света названо было явление особого видоизменения естественных световых лучей, исходящих отобыкновенного источника света, при котором лучи приобретают как бы различные свойства по различнымнаправлениям, перпендикулярным к направлению луча; такое свойство лучей может быть вызвано в самомисточнике света, если поставить последний в некоторые определенные условия (см. ниже), но оно можетбыть искусственно придано и лучам, вышедшим из источника света в естественном их состоянии.Общепринятая теория света Френеля, объясняющая явления света колебанием частиц эфира, передачейколебания от частицы к частице и являющимся, таким образом, распространением в эфире волн, вполнеобъясняет и явление П. света предположением о различной возможной форме путей колебания частицэфира.

Естественный и поляризованный свет

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, харак­теризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным. В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

Поляризация света при отражении и преломлении.

Если угол падения света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения. В преломленном луче - колебания, параллельные плоскости падения. Поляризацию объясняет электромагнитная теория Максвелла.

Закон Брюстера:

Отраженный свет полностью линейно поляризован при угле падения a Бр , удовлетворяющем условию

tga Бр=n2/n1 (7)

При этом преломленный свет поляризован не полностью и угол между отраженным и преломленным лучами равен 90°.

Двойное лучепреломление

В большинстве кристаллов наблюдается двойное лучепреломление - падающий луч раздваивается в кристалле на два преломленных луча. Один из лучей, который подчиняется закону преломления, называется обыкновенным, обозначается о. Другой луч не следует из закона преломления. Его называют необыкновенным лучом, обозначают е. Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, они имеют различные скорости распространения и, следовательно, различные показатели преломления nо и nе. Двойное лучепреломление объясняется оптической анизотропией вещества.

Билет №49

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 — интенсивность падающего на поляризатор света, — интенсивность света, выходящего из поляризатора, —коэффициент пропускания поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

Искусственная анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах Существуют, однако, различ¬ные способы получения искусственной оп¬тической анизотропии, т. е. сообщения оп¬тической анизотропии естественно изо¬тропным веществам. Оптически изотропные вещества ста¬новятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической систе¬мы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра; жидкости, аморфные те¬ла, газы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных слу¬чаях вещество приобретает свойства од¬ноосного кристалла, оптическая ось кото¬рого совпадает с направлением деформа¬ции, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздей¬ствиям.Мерой возникающей оптической ани¬зотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкно¬венного лучей в направлении, перпендику¬лярном оптической оси:no-ne=k1(в случае деформации);no-ne=k2E2 (195.1) (в случае электрического поля);

Вращение плоскости поляризации — явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце, пламя свечи или газа и т. п.) по своим физическим свойствам считаются типическими и нормальными. После отражения или преломления нормальные лучи, например солнечные, приобретают некоторые особенности, выступающие особенно отчетливо в случае преломления лучей света в кристаллах, обладающих способностью двойного лучепреломления каковы, например, кристаллы исландского шпата. Если пропустить солнечный луч сквозь небольшое отверстие, сделанное в непрозрачной пластинке, за которой помещен кристалл исландского шпата, то из кристалла выйдут два луча равной силы света. Солнечный луч разделился, с небольшой потерей силы света, в кристалле на два луча равной световой силы, но по некоторым свойствам отличные от неизмененного солнечного луча и друг от друга

Применение поляризованного света в технике.

Прежде всего, поляризованный свет используют в жидкокристаллических дисплеях.

Существуют специальные антибликовые очки для автомобилистов с поляризационными линзами. Поляризационные очки используют для разделения картинок предназначенных для левого и правого глаза в стереокино (направление поляризации линзы левого и правого глаза ортогонально).

Поляризованный свет используют в дефектоскопии

Поляризованный свет используют в быстродействующих затворах (выдержка <1 мс) благодаря магнитооптическому эффекту ФарадеяЯвление поляризации положено в основу магнитооптических накопителей.

Билет №50

Взаимодействие света с веществом

Распространяясь в веществе электромагнитное поле световой волны вызывает вынужденные колебания связанных зарядов (электронов, ионов). Колеблющиеся с частотой вынуждающей силы заряды являются источником вторичных волн. Если среда однородна и изотропна, то в результате наложения первичной и вторичной волн образуется проходящая волна, фазовая скорость которой зависит от частоты. Если в среде имеются неоднородности, то дополнительно происходит рассеяние света. На границе раздела двух сред в результате интерференции первичной и вторичной волн образуется отраженная и преломленная волна.

Прохождение света через вещество также сопровождается поглощением света, т.е. потерей энергии волны.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера

I = I0 e –αx,

где I и I0 –интенсивность плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, α — коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

Рассеяние света может происходить в так называемых мутных сре­дах—средах с явно выраженными оптическими неоднородностями. К мутным средам относятся облака, дым, туман, эмульсия, коллоидные растворы и т. д., т. е., такие среды, в которых взвешено множество очень мелких частиц инородных веществ. Свет, проходя через мутную среду, дифрагирует от беспорядочно расположенных микронеоднородностей, давая равномерное распределение интенсивностей по всем направлениям, не создавая какой-либо определенной дифракцион­ной картины. Происходит так называемое рассеяние светав мутной среде. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей, проходя через запыленный воздух, рассеивается на пылинках и тем самым становится видимым.

Рассеяние света (как правило, слабое) наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Объясняется рассеяние света в сpeдах нарушением их оптической однородности, при котором показатель преломления среды не постоянен, а меняется от точки к точке. Причиной рассеяния света могут быть также флуктуации плотности, возникающие в процессе хаотического (теплового) движения молекул среды.

Рассеяние света в чистых средах, обусловленное флуктуациями плотности, анизотропии или концентрации, называется молекулярным рассеянием.

Молекулярным рассеянием объясняется, например, голубой цвет неба.

Согласно закону Д. Рэлея: интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны

I ~ v4 ~λ-4. (25.12)

Поэтому голубые и синие лучи рассеиваются обусловливая тем самым голубой цвет неба.

По этой же причине свет, прошедший через значительную толщу атмосферы, оказывается обогащенным более длинноволновой частью спектра и поэтому при закате и восходе Солнце кажется красным. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния света возрастают с увеличением температуры. Поэтому в ясный летний день цвет неба является более насыщенным по сравнению с таким же зимним днем.

Вопрос №51

Тепловое излучение и его характеристики. Опытные законы теплового излучения. Закон Релея-Джинса «Ультрафеолетовая катастрофа».

Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны.Тела,нагретые до достаточно высоких температур,светятся,а при обычных температурах являются источниками инфракрасного(ИК)излучения.

•Тепловое излучение–электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счѐт его внутренней энергии.

Свойства:

-сплошной спектр,

-положение максимума спектра зависит от температуры

• температура высокая–излучение коротких электромагнитных волн (видимый свет, ультрафиолет),

• температура малая–преимущественно длинные электромагнитные волны (инфракрасные),

-может быть равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать:

если излучает больше, чем поглощает, то остывает,

если поглощает больше, чем излучает, то нагревается.

Характеристики теплового излучения:

Спектральная плотность энергетической светимости(излучательности) тела –мощность излучения с единицы площади в интервале частот единичной ширины R,т = , [==].

dW = .d𝝊=f(𝝊). - можно представить как функцию от λ.

=.dλ=.d𝝊 =>R𝝊,T =,λ==>||==.

= =. Интегральная энергетическая светимость:=d𝝊.

Поглощение излучения характеризуется спектральной поглощающей способностью–показывает, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поглощается телом

= .,–зависят от природы тела, его температуры Т, частоты излучения.

Черное тело–тело способное поглощать при любой температуре всѐ падающее на него излучение любой частоты.

Следовательно,≡1, тождественно 1.

Абсолютно чѐрных тел (АЧТ) в природе нет, к нему приближаются в определенном интервале частот сажа, платиновая чернь, черный бархат.

Серое тело: поглощающая способность: = const<1 одинакова для всех частот и зависит только от температуры Т, материала и состояния поверхности, =A(T).

Формула Рэлея-Джинса.«Ультрафиолетовая катастрофа»

На основе законов статистической физики и классического закона равномерного распределения энергии по степеням свободы была получена формула Рэлея-Джинса:= ‹ε›=kT,

‹ε›=kT- средняя энергия осциллятора

(атома),

υ–частота осциллятора,

k–постоянная Больцмана, с–скорость света. Формула Рэлея-Джинса согласуется с экспериментальными данными только в области малых частот. Из формулы Рэлея-Джинса не получается

закон Стефана-Больцмана:= d𝝊=d𝝊=∾, т.е. при любой Тэнергетическая светимость АЧТ (Re) и объемная плотность энергии (ω) равновесного излучения бесконечно велика, что является абсурдным выводом. Этот результат получил название «ультрафиолетовая катастрофа».

Вывод: в рамках классической физики не удаѐтся объяснить закономерности распределения энергии в спектре АЧТ.

ВОПРОС №52

Гипотеза Планка. Формула Планка.

Согласно выдвинутой 1900 году немецким учёным Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*10-34 Дж·с постоянная Планка. Руководствуясь представлениями о квантовом излучении АЧТ, он получил уравнение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.