физика оптика

Билет 1 Исторический очерк развития учения о свете, атомная физика.

Предположения о природе света были сделаны еще древними греками и египтянами. Древнегреческие философы и математики пытались объяснить природу световых явлений, положив в основу зрительные ощущения. Было создано несколько теорий:

1. теория зрительных лучей, согласно которой из глаз истекают «зрительные лучи», ощупывающие предметы и создающие зрительные ощущения (Евклид);

2. теория о том ,что от светящихся предметов идут истечения к глазам, а из глаз исходят истечения к предметам и при встрече этих истечении возникают зрительные ощущения(Эмпедокл);

3. теория о том ,что тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз человека мелких частиц — атомов, вылетающих из тел (Демокрит);

4. теория о том ,что свет распространяется посредством возбуждения прозрачной среды, находящейся между наблюдаемым объектом и глазом, и вызывает зрительное воздействие (Аристотель)

Эта идея Аристотеля как бы положила начало учению о светоносной среде — упругом эфире. Выступая противником теории зрительных лучей, Аристотель пришел к правильному заключению, что причина зрительных ощущений лежит вне человеческого глаза

Начало формирования оптики как науки связано с именами Ньютона и Гюйгенса. Ньютон стал рассматривать световое излучение как поток мельчайших частиц — корпускул, испускаемых источником света, которые с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно во все стороны. Гюйгенс полагал, что световое возбуждение следует рассматривать как упругие импульсы, распространяющиеся в особой среде - эфире (идеально упругая среда), заполняющем все пространство внутри материальных тел и между ними. Отметим, что Ньютон в ряде явлений (например, кольца Ньютона), усматривает доказательство периодичности световых процессов. Гюйгенс же полностью ее (периодичность) отрицает.

Наиболее ценной явилась идея Гюйгенса, получившая его имя: Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является в свою очередь центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.

Победу волновой теории состоялась в XIX веке. Томас Юнг (1773—1829) обосновал теоретические положения интерференционной теории и объяснил происхождение колец Ньютона. Он определил примерное значение длины световой волны. В 1817 г. Юнг высказался в пользу поперечности световых волн, что не укладывалось тогда в представления о мировом эфире. Френель (1788—1827) разработал теорию дифракции. Используя принцип Гюйгенса и принцип интерференции Юнга, он объяснил прямолинейное распространение света с волновых позиций. Френель и Араго (1786—1853) провели исследования интерференции поляризованных лучей и сделали заключение о том, что световые колебания поперечные и продольными быть не могут. Френель также первый сделал предположение (1821 г.), развитое позднее Коши, что для выяснения причины дисперсии необходимо учитывать молекулярную структуру вещества.

Френель вывел закономерности, дающие значение интенсивности и поляризации световых лучей после преломления и отражения.

Работы ученых обосновали и развили теорию упругого эфира, которая, несмотря на множество трудностей, господствовала в течение длительного времени.

Проводя исследования по электричеству и магнетизму, Джеймс Кларку Максвелл сформулировал систему уравнений. Важнейшим их следствием оказалась возможность существования электромагнитных волн, скорость электромагнитных волн совпала со скоростью света. Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой электромагнитные волны. Экспериментально это подтвердил в 1888 г. Генрихом Герцем (1857—1894). Несмотря на это, электромагнитная теория Максвелла выдержала длительную борьбу, прежде чем получила всеобщее признания. Согласно Максвеллу

Фотометрия.

Воздействие света на любой фотоприемник состоит, прежде всего, в передаче этому регистрирующему аппарату энергии световой волны. Поэтому измерение света — фотометрия, которая сводится к измерению этой энергии, или к измерению величин, так или иначе связанных с этой энергетической характеристикой.

Возьмем точечный источник света L (рис. 1). Расположим на пути лучистой энергии, идущей от него, малую площадку σ и измерим количество энергии Q, протекающее через эту площадку за время t. Отношение , есть мощность сквозь поверхность σ или поток лучистой энергии. Поток - основное понятие, используемое для оценки энергии, которая проникает в приборы.

Величину потока, приходящегося на единицу телесного угла, называют силой света. Если поток Ф посылается нашим источником равномерно по всем направлениям, то  одинакова для любого направления. В случае неравномерного потока эта величина будет средней сферической силой света. Сила света по выделенному направлению определится соотношением - Телесный угол конуса

Освещенность Е -это величина потока, приходящегося на единицу поверхности:  то есть освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до поверхности и прямо пропорциональна косинусу угла, составляемого направлением светового потока (осью узкого конуса, внутри которого распространяется поток) с нормалью к освещаемой поверхности. Это закон обратных квадратов - основной закон освещенности, создаваемой точечным источником.

Поверхностная яркость В есть величина, характеризующая излучение светящейся поверхности по данному направлению, определяемому углом i с нормалью к светящейся поверхности и из данной области поверхности. Пусть поток, посылаемый областью в телесный угол dΩ, равен dΦ. Посылаемый поток пропорционален площди видимой поверхности  и величине телесного угла dΩ. Коэффициент пропорциональности зависит от свойств излучающей поверхности и направлений по отношению к нормали. Обозначим коэффициент B_i . Для некоторых источников яркость не зависит от направления. Такие источники называются источниками, подчиняющимися закону Ламберта (абсолютно черное тело; матированная поверхность или мутная среда). Если среды подчиняются закону Ламберта, их называют идеально рассеивающими (освещенная поверхность, покрытая окисью магния, колпак из молочного стекла, освещенный изнутри).

S - светимость - интегральная величина, т. е. суммарный поток, посылаемый единицей поверхности по всем направлениям внутри телесного угла 2П. Таким образом, 

R - интенсивность светового потока - величина светового потока, протекающего через единицу видимого сечения по направлению, определяемому углом i между направлением потока и нормалью к этому сечению, внутрь единичного телесного угла:

Билет 3. Понятие об интерференции. Условие когерентности и условия усиления и ослабления света.

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Волны должны быть когерентны. Когерентность - согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.

При рассмотрении корреляционной функции возможны два предельных случая:

В первом случае функция распространяются от источников, у которых координаты одинаковы, а задержки времени разные. В этом случае функция определяет временную когерентность излучения.

Во втором случае источники колебаний имеют различные координаты, а задержки одинаковые. В этом случае функция определяет пространственную когерентность излучения.

Условие максимума можно записать следующим образом:

 откуда следует, что разность хода  ,m = 0,1,2,3,... , т.е. ∆ равна четному числу полуволн

 Условие минимума: или , m = 0,1,2,3,... , т.е. ∆ равна нечетному числу полуволн

Билет 4. Методы получения когерентных источников света (зеркала Юнга, бипризма Френеля). Общая интерференционная схема

Схема 1 – опыт Юнга – первый опыт по наблюдению интерференции света, осуществленный в 1827 г. Источником света служит ярко освещенная щель S. Свет, прошедший через S, падает на две узкие щели S₁ и S₂. Световые пучки, прошедшие через S₁ и S₂, уширяются вследствие дифракции. Интерференция наблюдается на экране в области перекрытия дифракционных пучков.

Схема 2 – бизеркало Френеля. Свет от источника S отражается от двух зеркал, расположенных под углом, близким к развернутому (то есть угол α мал). Волны, падающие на экран, могут рассматриваться как волны от двух мнимых изображений источника S в обоих зеркалах. При изменении положения точки наблюдения P на экране изменяется разность хода  , в результате чего возникает система интерференционных полос, ширина которых зависит от угла схождения лучей φ.

Схема 3 – интерферометр Майкельсона. Этот прибор сыграл громадную роль в истории науки. В таблице изображена упрощенная схема интерферометра Майкельсона.

Схема 4 – интерференция в плоскопараллельной пластинке. В таблице изображен общий случай произвольного расположения источника и плоскости наблюдения по отношению к плоскопараллельной пластинке. Свет, приходящий в точку наблюдения Р, можно рассматривать как свет от двух мнимых изображений источника S в двух гранях пластинки. Интерференционная картина в пределах достаточно малой площади экрана состоит из почти параллельных интерференционных полос. Разность хода в данном интерференционном расположении есть:  , здесь h – толщина пластинки, n – показатель преломления, r – угол преломления. Дополнительное слагаемое возникает из-за разных условий отражения света на двух гранях пластинки.

Схема 5 – зеркало Ллойда. В этой схеме прямой пучок от источника интерферирует с пучком, отраженным от зеркала (мнимое изображение S'). Схема редко применяется в оптике, но довольно часто используется в радиоастрономии при исследовании источников космического радиоизлучения. В этом случае в качестве зеркала используется поверхность моря или озера.

Схема 6 – звездный интерферометр Майкельсона (1920 г.)

Билет 5 Интерференция при преломлении и отражении света. Интерферометры. Применение интерференции.

Различные цвета тонких пленок — результат интерфе­ренции двух волн, отражаю­щихся от нижней и верхней по­верхностей пленки. При отражении от верх­ней поверхности пленки проис­ходит потеря полуволны. Сле­довательно, оптическая раз­ность хода .

Тогда условие максимального усиле­ния интерферирующих лучей в отраженном свете следую­щее: .

Если потерю полуволны не учитывать, то   .

 Интерферометры применяются для измерения длины волны спектральных линий и их структуры и абсолютного показателя преломления сред; для измерения длин и перемещений тел; для контроля формы; микрорельефа и деформаций поверхностей оптических деталей; чистоты металлических поверхностей и пр (Интерферометр Юнга, Майкельсона)

Одним из простейших и наиболее распространенных применений интерференции света является просветление оптики, то есть создание покрытий на поверхности оптических деталей, в первую очередь линз, с целью уменьшения отражения света.

Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы под­водных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполиро­ванная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, исполь­зуется явление интерференции света.

Билет 6 Кажущиеся парадоксы при явлении интерференции. Таутохронные пучки.

Собирающая линза обладает свойством, называемым таутохронностью: если свет по двум разным путям распространяется за одно и то же время, то пути называются таутохронными, то есть оптические длины этих путей равны между собой.

Суть парадокса интерференции заключается в том , что в случае когерентных источников

суммарная интенсивность излучения больше, чем в случае

некогерентных. Парадоксальность эффекта усиления излучения заключается в кажущемся впечатлении о нарушении закона сохранения

энергии: при одной и той же мощности излучения передающих

устройств в зависимости от когерентности излучателей и

геометрии их расположения суммарную мощность излучения в

среде можно усиливать или ослаблять.

Билет 7 Дифракция света. Метод зон Френеля. Зонная пластинка.

Под дифракцией понимается совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. С дифракцией звуковых волн мы сталкиваемся постоянно. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это объясняется малой длиной световых волн. В пределе стремления длины волны к нулю  законы волновой оптики переходят в законы геометрической оптики. Поэтому отклонения от законов геометрической оптики оказываются тем меньше, чем меньше длина волны.

Метод зон Френеля Френель предложил метод разбиения фронта волны на кольцевые зоны, который впоследствии получил название метод зон Френеля.

Пусть от источника света S распространяется монохроматическая сферическая волна, P - точка наблюдения. Через точку O проходит сферическая волновая поверхность. Она симметрична относительно прямой SP.

Разобьем эту поверхность на кольцевые зоны I, II, III и т.д. так, чтобы расстояния от краев зоны до точки P отличались на l/2 - половину длины световой волны. Это разбиение было предложено O. Френелем и зоны называют зонами Френеля.

зонная пластинка — плоскопараллельная стеклянная пластинка с выгравированными концентрическими окружностями, радиус которых совпадает с радиусами зон Френеля. Зонная пластинка «выключает» чётные либо нечётные зоны Френеля, чем исключает взаимную интерференцию (погашение) от соседних зон, что приводит к увеличению освещённости точки наблюдения. Таким образом, зонная пластинка действует как собирающая линза.

Билет 8 Дифракция Френеля и Фраунгофера, дифракция от щели, дифракционная решетка и ее применение

Дифра́кция Френе́ля — дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад в интерференционную картину дают границы экрана

Дифракция Фраунгофера — случай дифракции, при котором дифракционная картина наблюдается на значительном расстоянии от отверстия или преграды. Расстояние должно быть таким, чтобы можно было пренебречь в выражении для разности фаз членами порядка , что сильно упрощает теоретическое рассмотрение явления. Здесь  — расстояние от отверстия или преграды до плоскости наблюдения,  — длина волны излучения, а  — радиальная координата рассматриваемой точки в плоскости наблюдения в полярной системе координат.

При дифракции Френеля дифракционная картина наблюдается на небольшом расстоянии от отверстия или преграды, при дифракции Фраунгофера - на значительном расстоянии. Дифракция Френеля: Дифракция Фраунгофера:

Дифракция Фраунгофера на одной щели наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.

Для наблюдения дифракции Фраунгофера необходимо точечный источник поместить в фокусе собирающей линзы, а дифракционную картину можно исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, установленной за препятствием.

Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракциисвета. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Дифракционную решётку применяют в спектральных приборах, также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётки), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и так называемых «антибликовых» очках.