- •4. 4. Поляризация света
- •Введение
- •1. Основные законы оптики. @
- •1. 1. Элементы геометрической оптики. @
- •1. 2. Явление полного внутреннего отражения. @
- •1. 3. Электромагнитная теория света. @
- •1. 4. Принцип Гюйгенса. @
- •2. Интерференция световых волн. @
- •2. 1. Расчет интерференционной картины. @
- •2. 2. Метод Юнга. Получение интерференционной картины. @
- •2. 3. Интерференция света в тонких пленках. @
- •2. 4. Применение интерференции. @
- •3. Дифракция света. @
- •3. 1. Принцип Гюйгенса-Френеля. @
- •3. 2. Метод зон Френеля. @
- •3 . 3. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске. @
- •3. 4. Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели. @
- •3. 5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. @
- •3. 6. Дифракция рентгеновских лучей. @
- •3. 7. Дисперсия и разрешающая сила спектрального прибора. @
- •4. Поляризация света. @
- •4. 1. Естественный и поляризованный свет. @
- •4. 2. Поляризация света при отражении и преломлениина границе раздела двух диэлектрических сред. Закон Брюстера. @
- •4. 3. Поляризация света при двойном лучепреломлении. @
- •4. 4. Поляризация света. @
- •4. 5. Анализ плоскополяризованного света. Закон Малюса. @
- •4. 6. Интерференция поляризованных лучей. @
- •4. 7. Искусственная оптическая анизотропия. @
- •4. 8. Оптическая активность веществ. @
- •5. Взаимодействие электромегнитных волн с веществом. @
- •5. 1. Поглощение света. @
- •5. 2. Дисперсия света. @
- •5. 3. Отражение и пропускание света. Окраска тел в природе. @
- •6. Тепловое излучение тел. @
- •6. 1. Характеристики теплового излучения. @
- •6. 2. Закон Кирхгофа. @
- •6. 3. Законы Стефана-Больцмана и Вина. @
- •6. 4. Квантовый характер излучения. @
- •6. 5. Пирометрия и пирометры.@
- •7. Фотоэлектрический эффект. @
- •А.Г.Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:
1. 1. Элементы геометрической оптики. @
Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором световой луч представляется прямой линией, вдоль которой распространяется световая энергия. Законы геометрической оптики применяются для построения изображения при прохождении света через оптическую систему. Это следующие законы:
Закон прямолинейного распространения света говорит о том, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно, доказательством чего служит наличие тени с резкими границами от непрозрачного тела, освещенного источником света малых размеров.
Закон независимости световых лучей. Каждый световой луч при объединении с другими ведет себя независимо от остальных лучей, т.е. справедлив принцип суперпозиции.
Если
луч света падает на границу двух
прозрачных сред, то падающий луч 1
раздваивается на отраженный 2 и
преломленный 3 (рис. 1.1). Углы i,
i’ и r
называются углами падения, отражения
и преломления соответственно.
Закон отражения света. Падающий световой луч на границу двух сред, нормаль, проведенная к точке падения, и отраженный луч лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения i = i’ (рис. 1.1).
Закон преломления света. Луч, падающий на границу раздела двух сред, преломленный луч и нормаль, восстановленная в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред (закон Снеллиуса):
,
где n21 – относительный показатель второй среды относительно первой.
n21 = n2 /n1,
где n2 и n1 – абсолютные показатели преломления второй и первой сред.
Абсолютным
показателем преломления вещества
называется величина n,
равная отношению скорости света в
вакууме к скорости света υ в данной
среде: n = c
/ υ. Пусть в первой среде n1
= c / υ1,
а во второй n2 =
c / υ2,
тогда
.
Таким образом, физический
смысл относительного показателя
преломления состоит в том, что он
показывает, во сколько раз скорость
света в одной среде больше, чем в другой.
1. 2. Явление полного внутреннего отражения. @
В
ещество,
имеющее больший абсолютный показатель
преломления, считается оптически более
плотным. Пусть световой луч переходит
из оптически более плотной среды в
оптически менее плотную, т.е. n2
< n1.
Из закона Снеллиуса следует, что при
этом i
< r.
Если увеличивать угол падения (рис.
1.2), можно найти такой угол iпр,
при котором угол преломления r
станет равным π/2 (лучи 3-3’). Такой угол
iпр
называется предельным.
При углах падения i
> iпр
световой луч уже не проходит во вторую
среду, а полностью отражается от
границы раздела. Это явление называется
полным
внутренним отражением.
Таким образом, явление полного
внутреннего отражения наблюдается
только при переходе из более плотной в
менее плотную среду и при i
> iпр.
Если, например, луч переходит из
стекла (n1
= 1,5) в воздух
(n2
= 1), предельный угол падения составляет
≈ 42º.
Явление полного внутреннего отражения широко используется в биноклях, перископах, световодах и рефрактометрах.
1. 3. Электромагнитная теория света. @
В
конце XIX
века английский физик Дж.К.Максвелл на
основе своих уравнений создал единую
электромагнитную теорию световых
волн, согласно которой, свет
– это множество электромагнитных волн.
Электромагнитная волна – это
распространяющееся в пространстве
электромагнитное поле, которое
характеризуется векторами напряженностей
Е
и
Н
электрического и магнитного полей.
Согласно теории Максвелла, вектора Е
и
Н
перпендикулярны
друг другу и направлению распространения
волны,
откуда следует, что электромагнитные
волны поперечны (рис. 1.3).
Если среда, в которой распространяется волна, однородная и изотропная, то векторы Е и Н удовлетворяют волновому уравнению:
где
- оператор Лапласа,
- фазовая скорость волны.
Если электромагнитная волна распространяется в направлении х, то волновые уравнения упрощаются:
Решения данных дифференциальных уравнений второго порядка можно представить в виде:
Е = Е0sin (ωt-kx+φ); H = H0sin (ωt-kx+φ).
Это уравнения плоской монохроматической электромагнитной волны, где Е0 и Н0 – амплитудные значения Е и Н, k = =ω/υ – волновое число, φ – начальная фаза колебания, х – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения электромагнитной волны. Электромагнитная волна называется монохроматической, если в ней происходят колебания только одной частоты. Мгновенные значения Е и Н в любой точке пространства связаны соотношением
,
где
ε0
и μ0
– электрическая и магнитная постоянные,
ε и μ – диэлектрическая и магнитная
проницаемости среды. Колебания векторов
Е
и Н
происходят синфазно, т.е. они одновременно
обращаются в ноль и одновременно
достигают максимальных значений.
Скорость
распространения света в среде или
фазовая скорость волны рассчитывается
по формуле
,
где с
– скорость света в вакууме.
Электромагнитное поле обладает энергией, поэтому распространение световых волн связано с переносом энергии в пространстве. Энергия, переносимая волнами за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную фазовой скорости волны, называется плотностью потока энергии S электромагнитной волны. В векторном виде S = [EH]. Вектор S называется вектором Умова-Пойнтинга. Он совпадает по направлению со скоростью волны. Среднее значение плотности потока энергии S называют интенсивностью излучения I (I=<S>).
Экспериментально доказано, что физиологическое, фотохимическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора Е, поэтому он получил название светового вектора.
