Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный аграрный университет

имени Н. И. Вавилова»

ФИЗИКА

краткий курс лекций

Оптика

Саратов 2011

УДК 53

ББК 22.3

Г 43

Рецензенты:

Доктор физ. - мат. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет»

Е.Ю. Альтшулер

Доктор физ. - мат., профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

А.Г. Лазерсон

Г 43

Физика: краткий курс лекций для всех направлений подготовки студентов в 3 частях/ Сост.: С.Г. Гестрин, Е.А. Пилипенко / ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2011. – 52 с. Краткий курс лекций по дисциплине «Физика» составлен в соответствии с требованиями ГОС ВПО и примерным программам дисциплины «Физика» для естественнонаучного направления подготовки студентов. Краткий курс лекций содержит теоретический материал по основным вопросам общей физики – от механики до физики атомного ядра и элементарных частиц, поделен на 3 части. Все три части курса направлены на формирование у студентов знаний об основных закономерностях физических явлений, применение этих знаний для понимания процессов, происходящих в природе, для решения профессиональных задач. В конце каждой главы помещены контрольные вопросы и список литературы для более глубокого освоения данного раздела физики. Третья часть посвящена оптике, элементам атомной и ядерной физики. УДК 54 ББК 24

© Гестрин С.Г., Пилипенко Е.А. 2011

© ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2011

Лекция 1. Оптика. Интерференция света

1.1. Понятие о когерентности. Интерференция колебаний.

Закон независимости световых пучков означает, что световые пучки, встречаясь, не воздействуют друг на друга. При этом, однако, возникает следующий вопрос. В силу принципа суперпозиции при сложении отдельных волн может получиться волна, ам­плитуда которой равна, например, сумме амплитуд складывающихся волн. А так как интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды, то интенсивность результирующей волны не будет, вообще говоря, равна сумме интенсивностей складывающихся волн, ибо квадрат суммы нескольких величин не равен сумме их квадратов. Обычный же опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими световыми пучками, представляется простой суммой освещённостей, создаваемых отдельными пучками. Таким образом, обычные экспериментальные факты кажутся на первый взгляд противоречащими волновым представлениям.

Для выяснения этой фундаментальной проблемы напомним сведения, относящиеся к сложению колебаний.

При сложении двух гармонических колебаний одного периода

, (1)

происходящих по одному направлению, получится вновь гармоническое колебание того же периода:(2) амплитуда А и фаза θ которого определяются из следующих соотношений:

(3)

Первое соотношение (3) показывает, что квадрат амплитуды результирующего колебания не равняется сумме квадратов амплитуд складывающихся колебаний, т.е. энергия результирующего колебания не равна сумме энергий складывающихся колебаний. Результат сложения зависит от разности фаз (φ₁-φ₂) исходных колебаний и может иметь любое значение в пределах от при (φ₁-φ₂)=π до (при (φ₁-φ₂)=0 ).

Однако практически мы никогда не имеем дела со строго гармоническими колебаниями, т.е. колебаниями, длящимися бесконечно долго с неизменной амплитудой. Обычно колебания время от времени обрываются и возникают вновь уже с иной фазой. В таком случае и результирующая интенсивность также меняется с течением времени.

При сложении двух колебаний одного периода надо различать два случая.

1. Разность фаз колебаний сохраняется неизменной за время достаточное для наблюдений. Средняя энергия результирующего колебания отличается от суммы средних энергий исходных колебаний и может быть больше или меньше неё в зависимости от разности фаз. В этом случае колебания называются когерентными. Сложение колебаний, при котором не имеет места суммирование интенсивностей, мы будем называть интерференцией колебаний.

2. Разность фаз колебаний быстро и беспорядочно меняется за время наблюдения. Средняя энергия результирующего колебания равна сумме средних энергий исходных колебаний (среднее значение cos(φ₁-φ₂) за время наблюдения в этом случае равно нулю). Колебания в этом случае называются некогерентными . При их сложении всегда наблюдается суммирование интенсивностей, т.е. интерференция не имеет места.

Итак, результат сложения двух гармонических колебаний одинаковой частоты зависит от соотношения между их фазами.