Физика

( 1 − wL)2 = 0 , при частоте w0 сопротивление минимально, таким образом значения wc

амплитуды колебания силы тока возрастают до максимума.

1.9.Резонанс в цепи переменного тока.

При частоте w0 индуктивное и емкостное сопротивления равны (рис.65).

Рисунок 65.

71

Таким образом, сопротивление цепи уменьшается и становится только активным – это приводит к резкому увеличению амплитуды колебаний силы тока. Это явление называется резонансом.

1.10.Колебательный контур

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора называется колебательным контуром.

Рассмотрим работу этого устройства:

Вколебательном контуре происходит преобразование энергии электрического поля

вэнергию магнитного поля.

Когда конденсатор заряжен, вся энергия колебательного контура сосредоточена в виде электрического поля вокруг конденсатора. Напряженность магнитного поля на катушке в этот момент равна нулю. Заряженный конденсатор будет разряжаться через катушку. По виткам катушки пойдет электрический ток, сила которого изменяется. В результате этого, в витках катушки будет возникать ЭДС самоиндукции, При полной разрядки конденсатора, когда напряженность электрического поля вокруг него будет равна нулю, вся энергия колебательного контура будет сосредоточена вокруг катушки в виде магнитного поля. И напряженность магнитного поля вокруг катушки в этот момент будет максимальной. ЭДС самоиндукции, возникающая в витках катушки, породит ток, который перезарядит конденсатор, затем процесс повторится.

Рисунок 66.

Получим период колебаний колебательного контура.

1 = wL wc

w2 = 1 Lc

w = 1

Lc

w = 2πν = 2Tπ T = 2π × Lc

72

T = 2π Lc Формула Томсона, определяет период колебаний колебательного контура.

Для передачи электромагнитных колебаний в пространство используется

открытый колебательный контур.

Рисунок 67.

Такое устройство позволяет передавать электромагнитные колебания в пространство. Эти колебания распространяются в эфире и представляют собой

электромагнитные волны.

1.11.Электромагнитные волны

Электромагнитная волна имеет сложную пространственную структуру. Электромагнитная волна представляет собой совокупность двух составляющих (

электрическую и магнитную), которые совершают колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Причем электромагнитная волна поперечна, т.е. направление колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны.

Рисунок 68.

Причем электромагнитная волна поперечна, т.е. направление колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны.

К основным параметрам волны относятся:

Длина волны ( λ ) – расстояние, на которое распространяется волновой процесс за время 1 период, так же расстояние между двумя соседними точками, совершающие колебания в одной фазе.

73

Скорость распространения волны.

Электромагнитная волна распространяется со скоростью света (с) = 3 ×108 мс .

V= λ = λν Û (w = 2πν )

T

ν= λc

Электромагнитные волны имеют широкий диапазон частот и соответственно длин. Волны различных частот отличаются друг от друга как по свойствам, так и способам получения. Поэтому принято подразделять электромагнитные волны по диапазонам:

Низкочастотные волны (длина волны λ>104м, частота ν<3*104Гц);

Радиоволны (λ=104 -10-1 м, ν=3*104 - 3*1012 с-1);

Ультрарадиоволны (λ=10-1 -10-4 м, ν=3*1010 - 3*1012 с-1); Инфракрасное излучение (λ=10-4 -7,7*10-7 м, ν=3*1012 -4*1014 с-1);

Свет (λ=7,7*10-7 -4*10-7 м, ν=4*1014 -7,5*1014 с-1);

Ультрафиолетовое излучение (λ=4*10-7 -10-8 м, ν=7,5*1014 - 3*1016 с-1); Рентгеновское излучение (λ=10-8 -10-11 м, ν=3*1016 - 3*1019 с-1); Гамма излучение (λ<1011м, частота ν>3*1019с-1).

Такое разделение, разумеется, условно, поскольку резкой границы между диапазонами не существует и их частотные интервалы частично перекрываются.

Вопросы для самоконтроля

1.Записать индуктивное и емкостное сопротивление.

2.Почему сопротивление катушки индуктивности и конденсатора в цепи переменного тока является реактивным?

3.Что называется резонансом?

4.Какая система называется колебательным контуром?

5.Что называется электромагнитной волной?

6.В чем заключается принцип радиосвязи?

7.Как образуется магнитное поле?

8.Какими параметрами характеризуется магнитное поле?

9.Что называется силой Ампера?

10.В чем заключается закон Ампера?

11.Что называется гистерезисом?

12.Какие виды магнетиков вы знаете?

13.В чем заключается явление гистерезиса?

14.В чем заключается явление электромагнитной индукции?

15.Записать закон Фарадея.

16.Сформулировать правило Ленца.

17.В чем заключается явление самоиндукции?

18.В чем заключается явление взаимной индукции?

19.Устройство трансформатора.

20.Чему равен коэффициент трансформации?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

74

1.Грабовский, Р.И. Курс физики. / Р.И. Грабовский. – 6-е изд – СПБ. : Издательство

«Лань», 2002.- 608 с

2.Пронин, В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с

Дополнительная

1. Рогачев Н.М. Курс физики. Учебное пособие// С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с. 1000 экз.

1. Пронин В.П. Практикум по физике : уч. пособия / В.П. Пронин.- 2-е изд. Пронин В.П. – краткий курс физики. Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.

75

Лекция 8

Оптика

1.1. Природа света.

Так как свет обладает и свойствами волны и свойствами частицы, поэтому принято считать, что свет является одновременно и распространением электромагнитных волн и потоком частиц. Таким образом природа света является двойственной.

Свет это сложный электромагнитный процесс, обладающий как свойствами волны так и свойствами частиц.

Кроме того, в теории света существуют упрощенные представления о прямолинейном распространении света.

Сточки зрения волновой теории, свет – это две поперечные волны, распространяющие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (одна обусловлена – колебаниями вектора напряженности электрического поля, а вторая – магнитного поля).

Сточки зрения корпускулярной теории, свет представляет собой поток квантов.

В этой связи оптика делится на три подраздела:

Геометрическая – основана на упрощённых представлениях о прямолинейности распространения света;

Волновая - рассматривает свет как волновой процесс. Квантовая – рассматривает свет как поток частиц.

Фронтом волны называется поверхность, до которой одновременно доходят волны от источника.

В основе волновых явлений оптики лежит принцип Гюйгенса-Френенля:

каждая точка фронта волны является источником вторичных когерентных волн.

Когерентными называются волны одинаковой длины, имеющие постоянную во времени разность фаз.

Скорость распространения света в любой среде меньше скорости света в вакууме.

1.2.Геометрическая оптика.

Свет в различных средах распространяется с различными скоростями. Среда, в каждой точке которой свет распространяется с одинаковой скоростью, называется однородной. Среды характеризуются скоростью распространения электромагнитных волн и показателем преломления.

Абсолютный показатель преломления среды

n = C0

υ

показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде.

Относительный показатель преломления

n= υ1

υ2

76

показывает во сколько раз скорость света в одной среде больше, чем в другой. Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше называется

оптически более плотной средой.

Рассмотрим случай, когда луч падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную. При таких условиях угол падения больше угла преломления (рис.69).

ɣ

Рисунок 69.

α-угол падения β-угол отражения Ɛ-угол преломления

Рассмотрим основные законы геометрической оптики.

Закон отражения.

Луч падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границе раздела двух сред в точке падения луча. Причем угол падения равен углу отражения.

Закон преломления.

Луч падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча.

Подставим в закон преломления выражение для угла преломления:

Рассмотрим случай, когда свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. В этом случае угол преломления будет больше угла падения. γ α

Рисунок 70.

При определенном угле падения, называемом предельным углом падения преломленный луч распространяется вдоль границе раздела двух средних.

Если падающий луч распространяется под углом падения больше, чем предельный, то преломленный луч не будет выходить за границу раздела двух средних, а будет так же отражаться и распространяться все в той же среде (рис.70). Это явление называется рефракцией или полным внутренним отражением.

1.3.Элементы волновой оптики

Дисперсия

Пусть на призму падает пучок естественного света, каждая составляющая естественного света, в зависимости от длины волны преломляется под своим определенным углом. Красный преломляется под наименьшим углом. Чем меньше длина волны, тем больше угол отклонения.

78

Рисунок 71.

Зависимость показателя преломления для различных составляющих видимого спектра от длины волны.

Зависимость показателя преломления от длины волны называется дисперсией. Среды, обладающие дисперсией называются дисперсирующими.

Нормальная дисперсия наблюдается у прозрачных сред, аномальными обладают отраженные среды.

Линзы – прозрачные тела, ограниченные двумя криволинейными поверхностями, либо одной криволинейной, а одной плоской. Линзы бывают: выпуклыми, двояко выпуклыми (собирающими) (рис.72 а) и вогнутыми, двояко вогнутыми (рассеивающими) (рис. 72 б).

Рассмотрим ход лучей через выпуклую линзу и определим параметры линзы. Главной оптической осью называется ось проходящая через оптический центр

линзы.

а). б).

Рисунок 72.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра до точки, в которой собираются все пучки.

Построим изображение предмета через линзы. Получим перевернутое увеличенное изображение.

a – расстояние от предмета до оптического центра линзы. b – расстояние от оптического центра до изображения.

Тонкая линза – линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусом кривизны поверхности линзы.

Формула тонкой линзы: 1 + 1 = 1 a b f

Обратное фокусное расстояние.

79

D = 1 - оптическая сила линзы, измеряется в диоптриях (дптр). f

Линейное увеличение линзы показывает во сколько раз изображение больше, чем предмет.

y = b = h a H

Если предмет находится между оптическим центром линзы и фокусом, то линза представляет собой лупу.

Интерференция.

Сложение когерентных волн. Когерентные волны – волны с одинаковой длиной волны и постоянной во времени фаз.

Если в среде несколько источников питания, то исходящие от них волны распространяются независимо друг от друга и после взаимного пересечения расходятся.

В местах пересечения волн колебания среды, вызванные каждой из волн складываются друг с другом. Результат сложения (результирующая волна) зависит от соотношения фаз, периодов, и амплитуд складывающихся волн. Интерес представляет случай сложения двух или нескольких волн имеющих постоянную разность фаз и одинаковые чистоты. Такие волны называются когерентными.

Результатом интерференции является ослабление или усиление результирующей волны.

Дифракция.

Дифракция – это огибание световой вол Дифракция света явление непрямолинейности распространения света вблизи преграды (огибание лучом преграды), а получающаяся при этом картина называется дифракционной. Дифракция отчетливо обнаруживается, если размеры препятствий соизмеримы с длиной световой волны (порядка 1 мкм). Дифракция подтверждает волновые свойства света и объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля. На преградах образуются вторичные источники когерентных световых волн, а вследствие их интерференции – максимумы и минимумы.

Свет от источника S попадает на экран А через отверстие ав в непрозрачном экране В (рис.73).

Рисунок 73.

Из-за когерентности волны 1 и 2, 3 и 4 будут интерферировать. В зависимости от разности хода лучей на экране А в точках с и d возникнут максимумы или минимумы.

80