оптика / Ответы

1)Предмет оптика.Основные з-ны оптики.Явление полного внутреннего отражения света.

Оптика-раздел физики, изуч. з-ны света. Геом.оптика-часть физич. Оптики, в кот. явление распространения света рассматрив. На основе представлений о световом луче-напрвление, вдоль кот.распространяется свет или световая энергия. Основные з-ны геом. оптики:

1)З-н прямолин.распространения света: свет в однородной среде распространяется прямолинейно, но нарушается при дифракции.

2)З-н независимости световых лучей: световые лучи при взаимном пересечении не возмущают друг друга.

3)З-н отражения: луч падающий, луч отраженный и нормаль к пов-ти в тч падения лежат в одной пл-ти, причем угол падения=углу отражения.2 вида отражения:1)зеркальное-падающий пучок параллельных лучей остается параллельными и после отражения.Такая пов-ть наз.гладкой(зеркальной). 2)диффузионное- падающий параллельный пучок после отражения рассеивается.Пов-ть матовая(рассеивающая).

4)З-н преломления света: луч падающий, луч преломленный и нормаль к пов-ти в тч падения лежат в одной пл-ти, причем sin угла падения к sin угла преломления = относит.показателю преломления.

Абсолютный показатель среды показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде. Среда, в кот. свет распространяется с меньшей скоростью, наз.оптически более плотной.Если

5)З-н взаимообратимости светов.лучей:если навстречу лучу, претерпевшему ряд преломлений и отражений пустить др.луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.

6)Явление полного внутреннего отражения: при условии, когда i>iпредельного имеет место полного внутр.отражения света, где iпред-угол падения, при кот. угол преломления(бетта)=пи/2. Это явление происходит при прохождении луча из оптически более плотной среды в менее плотную. Sin iпред=

2)Развитие взглядов на природу света.Корпускулярно-волновой дуализм света.

В конце 17в. Возникает 2 теории света:1) Корпускулярная-по кот.свет представляет поток частиц(корпускул), летящих с огромной скоростью от источника света по прямой траектории(ньютоновск.теория).2)Волновая(Гюйгенса)-по кот.свет рассматривается как волна, распространяющаяся с большой скоростью в «мировом эфире»(упругая среда, непрерывно заполняющая всю вселенную)

В начале 19в. благодаря исследованиям Юнга,Френеля волновая теория была усовершенствована и в основу ее положен принцип Гюйгенса-Френеля. Он объяснял все световые явления(интерференцию,дифракцию,поляризацию).

Слабое место волновой теории-большой мировой эфир.Но в 60-х гг 19в Максвелл разработал теорию единого э/магн. Поля и необходимость в мировом эфире отпала. Выяснилось, что свет представляет собой поперечную э/магн. волну. Носителем этой волны явл.э/магн.поле. Волновые представления были незыблемы до конца 19в. Однако ряд вновь открытых явления(фотоэффект, излучение/поглащение света, эффект Комптона) вновь поставили под сомнение волновую теорию. Эти данные говорили о том, что излучение, распространение и поглащение э/магнитн.энергии имеет не сплошной, а дискретный х-р., т.е. свет излучается и поглощается порциями-квантами. Исходя из этого Планк создал квантовую теорию э/магн.процессов, а Эйнштейн разработал квантовую теорию света. Согласно этой теории, свет-это фотоны. Фотоны:1)движутся со скоростью света.2)масса фотонов=0. 3)Поскольку фотон-квантовое излучение, то его движение сопротивляется волновым процессам с длиной:. Итак, с тч зрения волновой теории свет-поперечная э/магн.световая волна =с/ню. Ур-ние э/магн.волны: Е=Е0*cos(wt-kr). H=H0*cos(wt-kr). K=2пи/. K-волновое число.

3)Интерференция световых волн. Когерентность. Условие max и min при интерференции света.

Интерференция-явление, возникающее при наложении двух или более когерентных волн, в рез-те кот. имеет место усилений или ослаблений колебаний. Когерентные волны должны испускаться когерентными источниками-источники, кот.при одинаковой частоте создавали бы в любой момент времени в каждой тч простр-ва колебания векторов напряженности с постоянной разностью фаз. Когерентные волны-волны с одинак.частотой и разностью фаз. Условие максимума:

4)Расчет интерференционной картины.

5)Способы получения когерентных источников.

Для того, чтобы два светящихся тела явл.когерентными источниками света, излучаемые всеми атомами первого тела должны отличаться по фазе от волн, излучаемых всеми атомами второго тела все время на величину

6)Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона и равной толщины.

Радужные переливы в мыльных пузырях, нефти в воде. В этих случаях окраска возникает в рез-те усиливающейся интерференции света, отраженного 2-мя пов-тями тонкой пленки. (рис). Свет, отраженный от пленки проходит доп.путь: . Лучи 1 и 2 когерентны, т.к. исходят и одного источника. 1)Если , то 1 и 2 лучи интерферируя усилят друг друга. Это условие максимума. 2)Если , то лучи 1 и 2 будут гасить друг друга. Это условие минимума. Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона. Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины, называются полосами равной толщины.

7)Практическое применение интерференции света. Интерферометры. Просветление оптики.

8)Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Фраунгофера и дифракция Френеля.

Дифракция-явление отклонения световых волн от прямолинейного распространения. Принцип Гюйгенса-Френеля: световая волна, возбуждаемая каким-либо источником м/б представлена как рез-тат суперпозиции когерентных вторичных волн, излучаемых фиктивными источниками. Т.е. волны, распространяющиеся от источника явл.результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Дифракция Френеля: сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием. Дифракционную картину наблюдаем на экране Э в тч В, леж.на линии, соед.S с центром отверстия. Экран параллелен пл-ти отверстия и нах-ся от него на расстоянии b. Разобьем открытую часть волновой пов-ти Ф на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от зон числа Френеля, открываемых отверстием. Амплитуда результирующего колебания, возбуждаемая в тч В всеми зонами: А=А1/2Am/2. Где знак + соотв. нечетным m, а – четным m.(рис). Дифракция Фраунгофера(в параллельных лучах на одной щели): наблюдается, если источник света и тч наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.(рис). Условие min: b*sin=m=2m/2. Условие max: b*sin=(2m+1)/2.

9)Метод зон Френеля. Объяснение прямолинейности распространения света с волновых позиций.

Метод зон Френеля: данный метод в рамках волновой теории объясняет прямолинейное распространение света. (рис). Свет распр-ся из точечн.источника S. Амплитуда световой волны опр-ся в тч М. по принципу Гюйгенса-Френеля действие источника заменяется действие воображаемых источников, расположенных на пов-ти фронта волны. Френель разбил волновую пов-ть на кольцевые зоны, такие, чтобы расстояние от краев зон до тч М отличались на /2. Колебания от соседних зон приходят в тч М в противофазе и будут ослаблять друг друга, т.е амплитуда результирующего светового колебания в тч М будет равна: А=А1-А2+А3-А4+А5… Т.о. построение зон Френеля разбивает волновую пов-ть сферической волны на равные зоны. Прямолинейное распространение света было наиболее важным аргументом в пользу корпускулярной теории. О.Френель делает новый существенный шаг в развитии волновой теории света. (Идея интерференции вообще оказалась столь плодотворной, что при встрече с неизвестным видом излучения всегда стараются получить интерференцию. И если это удается, то тем самым доказывается его волновой характер.)Связав принцип Гюйгенса, (согласно которому молекулы тела, приведенные в колебание падающим светом становятся центрами испускания новых волн) с принципом интерференции, (согласно которому налагающиеся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно усиливаются, а могут и ослабляться до полного уничтожения), Френель дал объяснение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по дифракции света он установил. что дифракционные полосы появляются вследствие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю законы отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых колебаний во всех направлениях, за исключением тех. которые удовлетворяют закону отражения. Френелю удалось экспериментально доказать, что световые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти полностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дать объяснение явлению дифракции.