Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет

В.П. Демкин, Нявро В.Ф. ОПТИКА Учебно-методический комплекс

Томск 2007

Содержание

1. 1. Электромагнитные волны

   1. 1.1. Плоские электромагнитные волны и их свойства

   2. 1.2. Опыт Герца

   3. 1.3. Энергия электромагнитных волн

   4. 1.4. Излучение диполя

   5. 1.5. Световое давление

   6. 1.6. Шкала электромагнитных вол

2. 2. Интерференция света

   1. 2.1. Интерференция света. Когерентность

   2. 2.2. Интерференция двух монохроматических волн

   3. 2.3. Интерференционные устройства

   4. 2.4. Интерференция света в тонких пленках.

   5. 2.5. Кольца Ньютона

   6. 2.6. Двухлучевые интерферометры

3. 3. Дифракция света

   1. 3.1. Явление дифракции

   2. 3.2. Принцип Гюйгенса–Френеля

   3. 3.3. Зоны Френеля

   4. 3.4. Графическое вычисление результирующей амплитуды. Спираль Френеля

   5. 3.5. Дифракция Френеля на круглом отверстии

   6. 3.6. Дифракция Френеля от непрозрачного экрана

   7. 3.7. Дифракция Фраунгофера на одной щели

   8. 3.8. Дифракционная решетка

   9. 3.9. Физические принципы голографии

4. 4. Дисперсия и поглощение света

   1. 4.1. Дисперсия света

   2. 4.2. Поглощение света

   3. 4.3. Рассеяние света

   4. 4.4. Свет и цвет

5. 5. Поляризация света

   1. 5.1. Естественный и поляризованный свет. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса

   2. 5.2. Поляризация при отражении и преломлении

   3. 5.3. Двойное лучепреломление

   4. 5.4. Искусственная анизотропия

6. 6. Геометрическая оптика

   1. 6.1. Основные законы геометрической оптики

   2. 6.2. Полное внутреннее отражение

   3. 6.3. Линзы. Построение изображений в тонкой линзе. Формула линзы

7. 7. Оптические приборы

   1. 7.1 Глаз как оптический прибор. Угол зрения

   2. 7.2. Лупа, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность оптических приборов

1. Электромагнитные волны

1.1. Плоские электромагнитные волны и их свойства

Английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. впервые получил уравнения, описывающие динамику новой формы материи – электромагнитного поля. Теория электромагнитного поля Максвелла основана на следующих положениях.

1.  Всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле (рис. 1.1а). Линии напряженности вихревого электрического поля расположены в плоскости, перпендикулярной линиям индукции переменного магнитного поля, и охватывают их; они образуют с вектором  «левый винт» (их направление соответствует правилу Ленца).

2.  Всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряженности переменного электрического поля, и охватывают их (рис. 1.1б). Линии индукции возникающего магнитного поля  образуют с вектором  «правый винт».

Переменные электрическое и магнитное поля могут существовать в пространстве в отрыве от зарядов и токов проводимости как единое электромагнитное поле. В природе электрические и магнитные явления выступают как две стороны единого процесса. Деление электромагнитного поля на электрическое и магнитное зависит от выбора системы отсчета. Действительно, вокруг зарядов, покоящихся в одной системе отсчета, существует только электрическое поле; однако эти же заряды будут двигаться относительно другой системы отсчета и порождать в этой системе отсчета, кроме электрического, еще и магнитное поле. Таким образом, теория Максвелла связала воедино электрические и магнитные явления.

Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое или магнитное поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. О ба эти поля являются вихревыми, причем векторы  и  расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Процесс распространения электромагнитного поля схематически показан на рис. 1.2. Этот процесс, являющийся периодическим во времени и пространстве, представляет собой электромагнитную волну.

Максвелл показал, что скорость электромагнитных волн в вакууме

,

где e₀ и m₀ – электрическая и магнитная постоянные, e₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/м, m₀ = 4p · 10⁷ Гн/м. Эта скорость совпадает со скоростью света в вакууме. На этом основании Максвелл выдвинул смелое предположение, что световая волна – это лишь разновидность электромагнитных волн.

Основные свойства электромагнитных волн, распространяющихся в пустом пространстве, можно получить, исходя из фундаментальных законов электромагнитной теории Максвелла. Наибольшей простотой отличаются плоские монохроматические волны. Плоская монохроматическая волна – это идеализация. Несмотря на ограниченную применимость такой идеализированной модели, она во многих случаях полезна для описания реальных волн.

В плоских монохроматических волнах зависимость векторов  и  от координат и времени имеет один и тот же вид и описывается гармонической функцией:

.

Волновой вектор  определяет направление распространения поверхности постоянной фазы (волновой поверхности). Его модуль , где  – фазовая скорость волны.

Непосредственно из теории Максвелла следует: