Содержание модуля 1

Для объяснения световых явлений в физике используются две теории света – световая и корпускулярная. 1) По волновой теории (или электромагнитной) световое излучение представляет собой электромагнитные волны. 2) по корпускулярной теории (фотонной) световое излучение представляет собой поток особых частиц – фотонов, которые обладают энергией, массой и импульсом.

При помощи волновой теории объясняются законы распространения света (отражение, преломление, интерференция, дифракция); при помощи фотонной теории объясняются законы взаимодействия между светом и веществом (поглощение и рассеяние света электронами, излучение и поглощение сета атомами). Ограничиться только одной из этих теорий для объяснения всех явлений излучения, распространения и поглощения света не удается. Таким образом, именно в оптике впервые наблюдается своеобразный дуализм волновых и корпускулярных свойств, который наиболее ярко проявляется в атомной и ядерной физике.

В электромагнитной (ЭМ) волне колеблются векторы и . Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому вектор обычно называют световым вектором.

1.1 Волновое уравнение

Как уже говорилось ранее согласно Максвеллу электромагнитным полем называется: совокупность переменных, взаимно индуцирующих друг друга вихревых электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле не стоит на месте, а распространяется в пространстве. Этот процесс является периодическим и носит волновой характер.

На основе уравнений Максвелла можно получить волновое уравнение электромагнитной волны:

уравнения Максвелла для плоской гармонической

электромагнитной волны, когда токи и заряды отсутствуют.

Решение этих уравнений и составляют искомое уравнение волны.

Дифференцируя (1) по х и (2) по t, получаем:

; ,

где ε_а –абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Аналогично дифференцируем (1) по t и (2) по х:

Это общее дифференциальное уравнение волны. Если изменение величины S отвечает уравнениям: , то это означает, что величина S распространяется в виде волны со скоростью v. Таким образом, можно написать:

Дифференциальное уравнение плоской гармонической электромагнитной волны.

Величина, v называется фазовой скоростью волны. ,

где с – электродинамическая постоянная. - скорость света в вакууме.

Таким образом, скорость света в веществе меньше, чем в вакууме, т.к. ε >1, μ≥1.

Решением дифференциальных уравнений является гармоническая функция:

E = E_m·sinω(t-x/v) = E_m·sin(ωt-kx)

H = H_m·sinω(t-x/v)

E и H –мгновенные, E_m и H_m –амплитудные (максимальные) значения напряженностей электрического и магнитного полей, ω = 2π/Т –круговая частота колебаний векторов и , k = 2π/λ –волновое число, v = с/√εμ -скорость распространения волны в направлении ох.

Структура электромагнитной волны.

Плоская электромагнитная поперечная волна

В электромагнитной волне векторы и взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. электромагнитная волна – поперечная. Колебания векторов и происходят в фазе и их величины связаны соотношением: √ε_а·E = √μ_а·H (√ε√ε₀·E = √μ√μ₀·H).