Коллоквиум / ебучийколлок №1

1. Электромагнитная природа свет

Свет является частным случаем электромагнитных волн (совпадение скорости света и скорости распространения электромагнитной волны). Видимый свет – это лишь небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны 380 – 760 нм.

a.Скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова во всех системах отсчета:

≈ 3 × 105 км⁄с;

b.Электромагнитная волна – поперечная, т. е. колебания электрических и магнитных

векторов в волне перпендикулярны друг другу и вектору скорости волны;

c.Электромагнитные волны переносят энергию и импульс;

d.(напряженность электрического поля), (индукция магнитного поля) и (волновой вектор, определяющий направление распространения) образуют правовинтовую систему;

e.и – софазны (две волны, которые полностью совпадают друг с другом).

Шкала электромагнитных волн

a.Длина волны – расстояние, пройденное волной за один период; наименьшее расстояние между точками в одной фазе: = Т

b.Частота – это количество колебаний в секунду: = с

c.Круговая частота: = 2

Сквантовой точки зрения связь между энергией фотонов и частотой:

Е= = , = 6.62 × 10−34 Дж × с, = 1,05 × 10−34

Особенности видимого излучения Из энергетических соображений, ИК область также возможна для зрения, однако есть два

НО, которые мешают нам видеть:

a.При увеличении λ, ухудшается разрешающая способность (оптический прибор не видит ничего < λ). При увеличении λ, должны увеличиваться размеры приёмника.

b.Решающее значение для эффективного зрения имеет соотношение между потоком фотонов, несущих информацию о предмете (т.е. отраженных предметов), и потоком тепловых фотонов, которые создают фоновый шум.

2.Волновое уравнение

Вудобной для оптики гауссовой системе единиц уравнения Максвелла для электромагнитного поля в среде, где нет объемных зарядов и токов проводимости, имеют вид

(1.1)

Здесь и - напряженность и индукция электрического поля, и - напряженность и индукция магнитного поля, с – электродинамическая постоянная, равная скорости света в вакууме.

Если f зависит только от одной координаты x, ее значения остаются постоянными в плоскости, перпендикулярной x. То есть в процессе движения значения f в каждой точке волны и форма волны не изменяются. Такие волны называются плоскими, а поверхность фиксированных значений x и t называется волновым фронтом. Таким образом плоская волна – это волна с плоским волновым фронтом.

Если волна возбуждается в изотропной среде точечным источником, возмущение расходится во все стороны. Волновой фронт такой волны имеет сферическую форму и описывается сферической волной Φ (r,t).

Фаза волны, волновой фронт, волновой вектор Аргументы гармонических функций (1) и (2) называются фазами = ( − )

Совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе, образуют волновую поверхность.

Волновую поверхность, разделяющую возмущенную и не возмущенную области пространства,

называют фронтом волны.

Направление распространения волны характеризуют волновым вектором. Волновым вектором называется вектор, направленный по нормали к волновой поверхности в сторону распространения волны, модуль которого равен волновому числу = 2 .

3. Стоячие волны Таким образом, стоячая волна представляет периодическое во времени колебание с

характерным пространственным распределением амплитуды — чередованием узлов (нулей) и

пучностей (максимумов). В линейных системах стоячая волна может быть представлена как сумма двух бегущих волн равной амплитуды, распространяющихся навстречу друг другу.

Стоячие волны с незатухающими амплитудами могут существовать в реальных системах только при наличии периодического внешнего воздействия, которое компенсирует потери энергии в системе. Это вынужденные стоячие волны, они аналогичны вынужденным колебаниям.

Биения Биения — это периодическое изменение амплитуды колебаний, возникающее при

сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами.

Экспериментальное доказательство электромагнитной природы света

4. Поток энергии и плотность потока энергии электромагнитных волн Назовём световым потоком энергию, переносимую через данную поверхность в единицу

времени. ̅ (10). Световые потоки, как правило, распространяются пучками. Часто

Ф = ∫

приходится иметь дело со световыми пучками, у которых сечение – круг, а распределение энергии симметрично относительно центра. Для их описания используется распределение Гаусса (или пучок Гаусса).

− 2

0( ) = 0 202

Плотность потока энергии – энергия, перенесённая электромагнитной волной через единичную площадку, перпендикулярную к ней, в единицу времени.

Интенсивность в таком пучке распределена по закону Гаусса. Реальное излучение нельзя считать полностью Гауссовым из-за отклонений (в реальном источнике присутствует ограничение по дифракции), поэтому вводится специальный параметр – качество пучка или фактор пучка M2.

Вектор Пойнтинга – вектор плотности потока электромагнитной энергии, определяющий

количество электромагнитной энергии, переносимой через единицу площади в единицу времени.

5. Импульс и плотность импульса электромагнитной волны. Давление света, его открытие проявление, приложения

Назовём импульсом электромагнитной волны суммарный импульс фотонов,

переносимый через единичную площадку в единицу времени.

Плотность импульса – суммарный импульс фотонов в единице объёма поля.

— объемная концентрация фотонов, т. е. импульс в единице объема. Плотность импульса электромагнитной волны:

6. Основные фотометрические понятия и величины. Соотношения между энергетическими и фотометрическими

Основное различие этих шкал связано со способом регистрации этих величин. Для регистрации энергетических величин используются неселективные приёмники; они являются наиболее объективными. Для регистрации светотехнических (фотометрических) же используются селективные (избирательные) приемники, ориентированные на основной селективный приемник – глаз.

Энергетические величины:

1. Поток излучения (мощность излучения) – энергия, переносимая через данную площадку в единицу времени.

Фе = ; [Фе] =[Вт]

2. Интенсивность излучения – плотность потока излучения через единичную площадку,

расположенную нормально к направлению излучения (вектор Умова-Пойтинга). Часто интенсивность почти эквивалентна поверхностной плотности потока излучения.

= [ , ]

3.Энергетическая сила света – поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла* в

данном направлении.

е = Фе; [е] = [Вт/ср] *Телесный угол – трёхмерный развернутый внутренний угол, если раскрывать будет сфера. Полный телесный угол =4π.

4. Энергетическая освещенность – поток, падающий на единицу поверхности.

пад

Ее = Фе ; [Ее]=[Вт/м2]

5. Энергетическая светимость (излучательность) – полный поток излучения с единицы поверхности потока.

6. Энергетическая экспозиция – полная энергия излучения, падающая на единичную поверхность за время t.

= ∫

0

Светотехнические величины (вводятся по аналогии с энергетическими):

Отличие состоит в том, что при изменении данных величин, нас интересует лишь та часть потока, которая воспринимается глазом.

Связь между энергетическими и светотехническими величинами:

Между двумя указанными шкалами существует взаимно однозначное соотношение. Для их связи используют понятия абсолютной и относительной световой эффективности.

Абсолютная световая эффективность – отношение светового потока, оцененного по

зрительному восприятию, к полному потоку излучения: = Ф .

Фе

Относительная световая эффективность (видимость) –отношение световой

эффективности любой λ к световой эффективности для λ=555нм: = .

7. Поляризация электромагнитных волн. Виды поляризации.

Поляризованным называется свет, в котором направления светового вектора упорядочены каким-либо образом:

a.В плоско- (линейно) поляризованном свете колебания светового вектора лежат только в одной плоскости, проходящей через луч;

b.Эллиптически поляризованный свет: конец светового вектора описывает эллипс;

c.Поляризованный по кругу свет: конец светового вектора описывает окружность.

Частично поляризованным светом называется свет с преимущественным направлением

колебаний светового вектора. В естественном свете колебания светового вектора совершаются

во всех направлениях, перпендикулярных к лучу.