Вопросы для самопроверки

1. Что представляет собой свет с точки зрения современной науки?

2. Каковы основные свойства света?

3. Каковы основные законы геометрической оптики?

4. Что такое полное внутреннее отражение? Когда оно проявляется? Где используется?

5. Какие зрительные дефекты корректируются с помощью очковых линз и как?

ЛЕКЦИЯ 11

Волновая оптика

План лекции:

1. Световые волны.

2. Сущность интерференции и способы её наблюдения.

3. Свет естественный и поляризованный.

4. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.

5. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

6. Вращение плоскости поляризации. Оптически активные вещества.

Поляриметрия.

7. Применение явления поляризации света.

8. Сущность дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля.

9. Дифракционная решётка.

1. Световые волны

До этого мы изучали механические волны.

Однако в природе существуют волны, для распространения которым вообще не нужна какая-либо среда. Это – электромагнитные волны.

Вся шкала электромагнитных волн начинается с длины волны в несколько километров и заканчивается длиной волны в доли ангстрема, т.е. коротковолновым гамма-излучением. Из этой шкалы выделяется узкий диапазон длин волн от 7,5*10^-7м до 3*10^-7м. Эти электромагнитные волны действуют на орган зрения человека и вызывают зрительные ощущения. Называются онивидимым светом:

С точки зрения современной науки, свет имеет двойственную природу, так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

При распространении в пространстве свет ведёт себя как волна, а при излучении и поглощении, т.е. при взаимодействии с веществом, он ведёт себя как поток частиц – фотонов. Энергия фотона дискретна и может быть подсчитана по формуле Планка:

E = hГде- частота световой волны.

К рассмотренным в предыдущей лекции свойствам света, добавим следующие:

1. Световая волна может подвергаться интерференции и дифракции, что является доказательством волновой природы света.

2. Свет может подвергаться поляризации, что является доказательством поперечности световых волн.

3. Свет может из атома выбить электрон, что является доказательством его корпускулярной природы.

2) Сущность интерференции и способы её наблюдения.

В первой нашей лекции (раздел В) говорилось о сложении механических волн. Там рассматривался простейший и самый наглядный случай, когда складывались две волны одинаковой длины и амплитуды. Если при этом разность хода волн была равна целому числу длин волн, то результирующая амплитуда была равна удвоенной амплитуде; а если разность хода волн была равно целому числу и ещё половине длин волн, или иными словами, нечётному числу длин волн, то в этом случае обе волны погасят друг друга и в результате будет минимум.

Интерференция – означает сложение (наложение) волн, при котором наблюдается устойчивая картина максимумов и минимумов. Для осуществления интерференции необходимо наличие двух когерентных источников света. Допустим, что мы имеем два источника света : S1иS2.Они – когерентны, поскольку у них одинаковые частоты и фазы. Для простоты расчётов допустим, что у них одинаковые амплитуды векторов электрического поля. Выберем на экране какую-либо точку а. Расстояние от неё до источниковS1 иS2 , соответственно равныl1 иl2.l2 – l1

S2

Максимум получается, если разность хода равна целому числу длин волн. А минимум получается, если разность хода равна нечётному числу длин волн. 2k + 1)

Иными словами, на экране будет наблюдаться картина, состоящая из максимумов и минимумов. В центре экрана будет находиться центральный максимум, по обе стороны от него будут находиться максимумы первого порядка, при которых разность хода лучей равна одной длине волны, ещё дальше будут находиться максимумы второго порядка, при которых разность хода будет равна двум длинам волны и т.д. При этом, интерференционная картина будет симметрична относительно центрального максимума.

И чем меньше расстояние между источниками, тем реже друг от друга будут находиться максимумы. А чем меньше будет длина световой волны, тем наоборот: максимумы будут располагаться ближе друг к другу.

Рассмотрим случай, когда свет падает на поверхность тонкой, прозрачной плёнки. В этом случае, свет будет отражаться как от внешней, так и от внутренней поверхности плёнки и лучи, отражённые от внешней и внутренней поверхностей будут интерферировать.

Как видно из рисунка, интерференцию света в тонкой плёнке можно наблюдать как в отражённом, так и в проходящем свете. При наблюдении в отражённом свете, как видно из рисунка, свет глаз наблюдателя идёт двумя путями: первый – отразившись от точки В, второй – отразившись от внутренней поверхности плёнки, т.е. от точкиС. Получается, что второй луч проходит путь длиннее первого на величину АВС. И если эта разность хода будет равна целому числу длин волн, то волны, идущие в глаз наблюдателя усилят друг друга и в отражённом свете будет наблюдаться интерференционный максимум. Если эта разность хода составит целое число длин волн, плюс ещё пол-волны, то волны, идущие в глаз наблюдателя, погасят друг друга и в этом случае будет наблюдаться интерференционный минимум.

При наблюдении же в проходящем свете наблюдается несколько другая картина. Свет в глаз наблюдателя идёт также двумя путями: второй луч – по пути ACBD, первый луч – по путиBD. Если при этом разность хода двух этих лучей равна , как и в предыдущем случае, целому числу длин волн, то в проходящем свете будет наблюдаться интерференционный максимум, а если разность хода этих лучей составит нечётное число полуволн – то минимум.

Если на плёнку падает белый свет, состоящий из всех цветов спектра, то при интерференции будет усиливаться какой-либо один цвет и плёнка будет выглядеть окрашенной в какой-либо определённый цвет, хотя сама плёнка состоит из бесцветного прозрачного вещества.

Этим и объясняется радужная окраска масляных пятен на поверхности воды и яркая окраска крыльев насекомых. По этой же причине мыльные пузыри также имеют различную окраску.

В современных оптических приборах, таких, как фотоаппараты, видеокамеры, проекционные аппараты, бинокли, подзорные трубы и др., используются линзы. Каждая линза, как известно, имеет две поверхности. И каждая поверхность часть проходящего света отражает и он бесполезно теряется. А если линз несколько, то теряется значительная часть света. Чтобы уменьшить потери света, на поверхности каждой линзы наносят прозрачную плёнку такой толщины, при которой свет с длиной волны, соответствующей середине видимого диапазона, ослаблялся при отражении и следовательно он будет усиливаться при прохождении. Такие линзы называются просветлённые. Они в отражённом свете выглядят слегка голубоватыми. Они пропускают больше света, чем непросветлённые. По этой причине во всех современных оптических приборах используются только просветлённые линзы.