random books / Летута, С. Н. - Курс физики. Оптика (2014)
.pdf
но пропорционально квадрату расстояния от Солнца), сила притяжения Солнца и сила за счёт светового давления равны друг другу по абсолютному значению для всех расстояний, и поэтому такая частица в поле тяготения Солнца движется так, как будто это поле отсутствует. Наиболее наглядным проявлением светового давления является ориентировка хвостов комет при их прохождении вблизи Солнца («вблизи» − в астрономическом масштабе расстояний).
Лазерный термояд. Этим термином обозначается идея осуществления управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Для этого необходимо добиться сближения лёгких ядер (дейтерия, трития) на столь малое расстояние, чтобы между ними произошла ядерная реакция слияния. Но для сближения необходимо преодолеть кулоновскую силу отталкивания положительно заряженных ядер. Для этого им необходимо сообщить достаточно большую кинетическую энергию (нагреть вещество).
Идея лазерного термояда состоит в следующем. Предположим, что на небольшой шарик, содержащий ядерное го- 
рючее (ядра дейтерия, трития), одновре- 
менно со всех сторон направляются мощные короткие импульсы лазерного излуче-
ния (рисунок 21, зигзагообразные стрелки). Энергия и импульс этого излучения передаются веществу в поверхностном слое шарика, он нагревается и приобретает направленное движение к центру. Энергия и им-
пульс этого вещества передаются внутренней части шарика, которая сильно сжимается и нагревается. Частицы верхних слоёв шарика приобретают скорость от центра шарика (как бы «испаряются» с поверхности). Таким образом, вещество внутренней области шарика очень сильно сжимается, что сопровождается огромным повышением температуры, а вещество внешних слоёв шарика разлетается с очень большими скоростями (рисунок 21, прямые стрелки). Если плотность и температура сжатого вещества шарика достигнут необходимых для
61
осуществления ядерной реакции значений, то произойдёт небольшой термоядерный взрыв, вроде взрыва маленькой водородной бомбы. Выделенная при этом энергия превращается в основном в кинетическую энергию продуктов ядерной реакции слияния, которая, в принципе, может быть преобразована в другие формы энергии и целесообразно использована.
Для осуществления термоядерной реакции вещество шарика необходимо сжать в несколько сотен раз, а температуру поднять на много десятков миллионов градусов. Это можно сделать лишь с помощью очень мощных лазерных импульсов излучения.
Однако схема осуществления ядерного термояда проста лишь в принципе. Ее техническое осуществление чрезвычайно сложно и требует глубоких научных исследований. Оказалось, что процесс сжатия и нагревания вещества шариков очень сложен и зависит от многих факторов. Далее задача усложняется тем, что осуществление миниатюрного термоядерного взрыва шариков ещё не означает овладения управляемой термоядерной реакцией. Необходимо, чтобы общий энергетический баланс работы установки был положителен, т.е. чтобы получаемая в результате работы установки энергия в форме, пригодной для использования, была больше энергии, необходимой для функционирования установки.
Контрольные вопросы
1 Каковы основные положения и выводы корпускулярной и волновой теорий света? Почему возникло представление о двойственной корпускулярноволновой природе света?
2 Назовите основные свойства света и охарактеризуйте их.
3 В чём заключается физический смысл абсолютного показателя преломления среды? Что такое относительный показатель преломления?
4 В чём заключается принцип обратимости (взаимности) световых лучей? 5 При каком условии наблюдается полное отражение?
62
6 В чём заключается принцип работы световодов?
7 Что такое оптическая длина пути?
8 В чём заключается принцип Ферма?
9 Опишите первые опыты по измерению скорости света.
10Используя принцип Гюйгенса, установите соотношение между показателями преломления и скоростями распространения света в различных средах.
11Что такое когерентные и некогерентные электромагнитные волны? Приведите примеры.
12Объясните, почему в опыте Юнга чёткость интерференционных полос не ухудшается, если заменить точечные отверстия длинными узкими параллельными щелями.
13Почему интерференцию можно наблюдать от двух лазеров и нельзя от двух электроламп?
14 Два когерентных световых пучка с оптической разностью хода = 32 λ
интерферируют в некоторой точке. Максимум или минимум наблюдается в этой точке? Почему?
15 Как изменится интерференционная картина в опыте Юнга (см. рисунок 11), если эту систему поместить в воду?
16 Будут ли отличаться интерференционные картины от двух узких близлежащих параллельных щелей при освещении их монохроматическим и белым светом? Почему?
17 Что называется естественным светом? плоскополяризованным светом? 19 Чем замечателен угол Брюстера? Покажите, что при выполнении зако-
на Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.
Тесты
1. Два полупрозрачных зеркала расположены параллельно друг другу. На них (перпендикулярно плоскостям этих зеркал) падает световая волна длиной
63
600 нм. Чему должно быть равно минимальное расстояние между зеркалами, чтобы наблюдался первый минимум при интерференции отраженных световых волн?
А) 600 нм |
В) 300 нм |
С) 150 нм |
Д) 900 нм |
Е) 1 200 нм |
2. Высота Солнца над горизонтом составляет 460. Чтобы отраженные от плоского зеркала солнечные лучи пошли вертикально вниз, угол падения световых лучей на зеркало должен быть равен …
А) 220 |
В) 440 |
С) 460 |
Д) 680 |
Е) 230 |
3. Чему равна разность фаз двух интерферирующих световых волн с дли-
ной волны l = 5×10−7 м, если разность хода между ними равна 3,75×10−7 м?
А) 1500 |
В) 1800 |
С) 2100 |
Д) 2400 |
Е) 2700 |
4. Два взаимно перпендикулярных луча падают из воздуха на поверхность жидкости. Если при этом один луч преломляется под углом a = 360, а другой под углом b = 200, то показатель преломления жидкости равен
А) 1,6 |
В) 1,4 |
С) 1,3 |
Д) 1,7 |
Е) 1,5 |
5. Человек ростом h = 1,75 м находится от столба высотой Н = 7 м на расстоянии L = 6 м. На каком расстоянии ℓ от себя человек должен положить горизонтально на землю зеркало, чтобы увидеть в нем верхушку столба?
А) 1,75 м |
В) 1,5 м |
С) 1,4 м |
Д) 1,2 м |
Е) 1,0 м |
64
6. Определите угол отклонения луча стеклянной призмой, преломляющий угол которой 20, если угол падения луча на переднюю грань призмы равен нулю. Показатель преломления стекла 1,5.
А) 40 |
В) 30 |
С) 20 |
Д) 10 |
Е) 0,670 |
7. Точечный источник света находится на дне сосуда с жидкостью, показатель преломления которой n = 1,5. Во сколько раз максимальное время, затрачиваемое светом для похождения слоя жидкости с последующим выходом в воздух, больше минимального времени?
А) 1,23 |
В) 1,34 |
С) 1,5 |
Д) 1,65 |
Е) 1,8 |
8. Луч света падает на границу раздела двух сред под углом 300. Показатель преломления первой среды n1 = 2,4. Определите показатель преломления n2 второй среды, если известно, что отраженный и преломленный лучи перпендикулярны друг другу.
А) 1,2 |
В) 1,3 |
С) 1,4 |
Д) 1,5 |
Е) 1,6 |
9. Зеркальный гальванометр расположен на расстоянии R = 2 м от шкалы.
На какой угол повернулось зеркальце, если ²зайчик² сместился от центра шкалы на 50 см?
А) 280 |
В) 14,50 |
С) 140 |
Д) 210 |
Е) 70 |
10. На поверхности озера находится круглый плот, радиус которого равен 8 м. Глубина озера 2 м. Определите радиус полной тени от плота на дне озера при освещении воды рассеянным светом. Показатель преломления воды 4/3.
65
А) 5,53 м В) 5,73 м С) 5,93 м |
Д) 6,13 м |
Е) 6,33 м |
11. Скорость распространения света в одной среде 2,25×105 км/с, во второй
2×105 км/с. Луч света падает на поверхность раздела этих сред под углом 300 и переходит во вторую среду. Определите угол преломления.
А) 280 |
В) 260 |
С) 240 |
Д) 320 |
Е) 340 |
12. На плоскопараллельную стеклянную пластинку падает луч света под углом 600. Показатель преломления стекла 1,73. Часть света отражается, а часть, преломляясь, проходит в стекло, отражается от нижней поверхности пластинки и, преломляясь вторично, выходит обратно в воздух параллельно первому отраженному лучу. Расстояние между этими лучами 5,8 мм. Определите толщину пластинки.
А) 0,6 см |
В) 0,8 см |
С) 1 см |
Д) 1,7 см |
Е) 1,4 см |
13. Интерференцией волн называется явление
А) происходящее при суперпозиции когерентных волн и состоящее в перераспределении энергии колебаний по волновому фронту, в результате чего в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний
В) отклонения волн от первоначального направления распространения и огибания волнами препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны С) ориентации колебаний в поперечной волне в определенных направле-
ниях
Д) нет верного ответа
14. Дифракцией волн называется явление
66
А) происходящее при суперпозиции когерентных волн и состоящее в перераспределении энергии колебаний по волновому фронту, в результате чего в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний
В) отклонения волн от первоначального направления распространения и огибания волнами препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны
С) ориентации колебаний в поперечной волне в определенных направле-
ниях
Д) нет верного ответа
15. Длина волны фиолетовых лучей света в воздухе 400 нм. Какова длина волны этих лучей в воде?
А) λ = 201 нм В) λ = 301 нм С) λ = 401 нм Д) λ = 501 нм Е) λ = 601 нм
16. При переходе желтого света из вакуума (λ0 = 0,589 мкм) в жидкость длина его волны уменьшается на 0,147 мкм. Определить абсолютный показатель преломления жидкости.
А) n = 1,1 В) n = 1,3 С) n = 1,6 Д) n = 1,5
17. Солнечный свет, освещая капли росы на листьях, заставляет их переливаться всеми цветами радуги. Какое физическое явление при этом наблюдается?
А) фотоэффект |
В) поляризация |
||
С) дисперсия |
Д) дифракция |
Е) интерференция |
|
18. Нормальное падение лучей монохроматического света означает:
А) угол падения 900, свет одноцветный
67
В) угол падения 00, свет белый,
С) угол падения 00, свет одноцветный, λ = const Д) угол падения 900, свет белый; Е) угол падения 300, свет белый.
19. Поляризацией волн называется явление
А) происходящее при суперпозиции когерентных волн и состоящее в перераспределении энергии колебаний по волновому фронту, в результате чего в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний
В) отклонения волн от первоначального направления распространения и огибания волнами препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны С) ориентации колебаний в поперечной волне в определенных направле-
ниях
Д) нет верного ответа
20. Если на пути одного из двух интерферирующих лучей поставить синюю тонкую пластинку, а на пути второго – красную, то…
А) Интерференционная картина будет представлять чередование красных и синих полос
В) Интерференционная картина будет представлять чередование фиолетовых полос
С) Интерференционная картина будет представлять чередование красных, черных, синих полос
Д) Интерференционной картины не будет
68
Упражнения для самоконтроля
1.1. На плоскопараллельную стеклянную пластинку (n = 1,5) толщиной 6 см падает под углом 350 луч света. Определить боковое смещение луча, прошедшего сквозь эту пластинку. [1,41 см]
1.2.Определить, какую длину пути S1 пройдет фронт волны монохроматического света в вакууме за то же время, за которое он проходит путь S2 = 1,5 мм в стекле с показателем преломления n2 = 1,5. [2,25 мм]
1.3.В опыте Юнга щели, расположенные на расстоянии 0,3 мм, освещались монохроматическим светом с длиной волны 0,6 мкм. Определить расстояние от щелей до экрана, если ширина интерференционных полос равна 1 мм. [0,5 мм]
1.4.Предельный угол полного отражения для пучка света на границе кристалла каменной соли с воздухом равен 40,50. Определить угол Брюстера при падении света из воздуха на поверхность этого кристалла. [570]
1.5.При каком значении угла падения α луч, отражённый от поверхности прозрачного диэлектрика, будет перпендикулярен преломлённому лучу, если показатель преломления диэлектрика равен n? [tgα = n]
1.6.Показать, что при преломлении в призме с малым преломляющим углом α луч отклоняется от своего первоначального направления на угол α = (n - 1)α независимо от угла падения, если он также мал. Показатель преломления призмы равен n.
1.7.На плоскопараллельную стеклянную пластинку толщиной d = 1 см падает луч света под углом α = 600. Показатель преломления стекла n = 1,73. Часть света отражается, а часть, преломляясь, проходит в стекло, отражается от нижней поверхности пластинки и, преломляясь вторично, выходит обратно в воздух параллельно первому отражённому лучу. Найдите расстояние ℓ между лучами. [0,58 см]
1.8.В опыте Физо по определению скорости света расстояние между колесом, имеющим N = 720 зубцов, и зеркалом было ℓ = 8 633 м. Свет исчез в
69
первый раз при частоте вращения зубчатого колеса n = 12,67 с-1. Какое значение скорости света получил Физо? [315 000 км/с]
1.9. Вертикальный шест высотой 1 м, поставленный недалеко от уличного фонаря, отбрасывает тень длиной 80 см. Если расстояние между фонарным столбом и шестом увеличить на 1,5 м. то длина тени возрастает до 1,3 м. На какой высоте h находится фонарь? [4 м]
Глава 2 Интерференция и дифракция света
В этой главе рассказано о физических явлениях, обусловленных волновой природой света.
Два световых пучка, складываясь, могут образовать темноту! Это удивительное явление, открытое Юнгом в 1801 году, получило название интерференции света. Объяснить интерференцию удаётся только на основе представления о свете как о волне. Так, задолго до открытия электромагнитной природы света было установлено, что свет представляет собой волну.
Условием наблюдения дифракционной картины является когерентность волн, т.е. равенство их частот (длин волн) и сохранение неизменной разности фаз за время, достаточное для наблюдения. В частности, монохроматические волны, т.е. волны, порождаемые гармоническими колебаниями, когерентны. С точки зрения структуры света, когерентность – это близость света к идеальной гармонической волне.
Дифракция света – в узком, но наиболее употребительном смысле - огибание лучами света границы непрозрачных тел (экранов), проникновение света в область геометрической тени. Одно из проявлений дифракции – так называе-
мое ²пятно Пуассона² - светлая точка в центре области геометрической тени, наблюдаемая при освещении непрозрачного диска когерентной световой вол-
ной. Другой пример, - дифракция лазерного луча на дифракционной решётке (системе щелей в непрозрачном экране), когда прошедший свет образует яркий
²веер² лучей, распространяющихся в различных направлениях. 70