1. Развитие представлений о природе света. Волновая и корпускулярная теория света. Шкала электромагнитных волн.

Первые представления о природе света – др. гр. и египтяне. Затем две теории света: корпускулярная (Ньют) и волновая ( Гук и Гюйгенс). Корп.теор., свет - поток частиц, испускаемых светящимися телами. Ньют. считал, что движение частиц подчиняется законам механики. Отражение - (Как отражение упругого шарика от плоскости) Преломление - света объяснялось изменением скорости частиц при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда : Волновая теория - свет как волновой процесс. В основе волновой теории принцип Гюйгенса, (каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн становится фронтом волны в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления.

Закон преломления, полученный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона. Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c.

2. Законы геометрической оптики. Законы отражения и преломления света. Относительный и абсолютный показатели преломления. Вывод закона преломления на основе волнового принципа Гюйгенса. Явление полного внутреннего отражения (ПВО). Примеры практического использования явления ПВО

Закон отражения: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в  одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения равен углу падения. 

Закон преломления: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред: ; n -относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума абсолютный показатель преломления. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n=n2/n1; Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2: n=v1/v2;   Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: n=c/v; Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной. При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 6.1.2). Для угла падения α = αпр sin β = 1 значение sin αпр = n2 / n1 < 1. Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде: где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.  Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) – αпр = 48,7°. Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 6.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой. Принцип Гюйгенса

Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.

Волновая поверхность – огибающая вторичных волн.

• Угол падения равен углу отражения.

• Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Принцип Гюйгенса

• Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.

• Волновая поверхность – огибающая вторичных волн.

• Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.

• Волновая поверхность – огибающая вторичных волн

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Для того чтобы, зная положение волновой поверхности в момент времени t, найти ее положение в следующий момент времени t+∆t, нужно каждую точку волновой поверхности рассматривать как источник вторичных волн. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени (рис.3). Этот принцип в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, световых и т. д. Гюйгенс сформулировал его первоначально именно для световых волн

 Рассмотрим отражение плоской волны. Волна называется плоской, если поверхности равной фазы (волновые поверхности) представляют собой плоскости. На рисунке 4 MN - отражающая поверхность, прямые А₁А и В₁В —два луча падающей плоской волны (они параллельны друг другу). Плоскость AC— волновая поверхность этой волны. Угол a между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности и точке падения называют углом падения.

     Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела сред. Различные участки волновой поверхности АС достигают отражающей границы не одновременно. Возбуждение колебаний в точкеА начнется раньше, чем в точке B, на время: В момент, когда волна достигнет точки B и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке А уже будет представлять собой полусферу радиусом  r=АD=u∆t=СВ. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точками А и В,меняются так, как показано на рисунке 4. Огибающей вторичных волн является плоскость DН, касательная к сферическим поверхностям. Она представляет собой волновую поверхность отраженной волны. Отраженные лучи АА₂ и BB₂ перпендикулярны волновой поверхности DB. Уголg между перпендикуляром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.

    Так как АD=СВ и треугольники ADB и АСВ прямоугольные, то ÐDBA=ÐCAB. Но a=ÐCAB и g=ÐDBA как углы с перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения:

a=gamma; (1.1 ) Кроме того, как вытекает из построения Гюйгенса, падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Эти два утверждения представляют собой закон отражения света.

     Если обратить направление рас­пространения световых лучей, то отраженный луч станет падающим, а падающий — отраженным. Обратимость хода световых лучей — их важное свойство.

Сформулирован общий принцип распространения волн любой природы принцип Гюйгенса. Этот принцип позволяет с помощью простых геометрических построений находить волновую поверхность в любой момент времени по известной волновой поверхности в предшествующий момент. Из принципа Гюйгенса выведен закон отражения волн.

3. Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия. Типы спектров и их характеристики. Спектральный анализ.

4. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Беера. Коэффициент поглощения, его физический смысл. Рассеяние света. Закон Рэлея.

5. Интерференция света. Когерентные источники света, методы их получения.

6. Оптическая длина пути и оптическая разность хода лучей. Условия максимумов и минимумов при интерференции.

7. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников света. Координаты максимумов и минимумов, ширина интерференционной полосы.

8. Интерференция света в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона. Кольца Ньютона. Условия темных и светлых колец.  Интерференция от тонких пленок.    Примером интерференции света, набдюдающейся в естественных условиях, может служить радужная окраска тонких пленок(мыльных пузырей, пленок нефти или масла на поверхности воды). Образование частично когерентных волн, инерферирующих при наложении, происходит в этом случае вследсвие отражения падающего на пленку света в верхней и нижней ее поверхности. Результат интерференции зависит от сдвига фаз, приобретаемого накладывающимися волнами в пленке и зависящего от их оптической разности хода - разность оптических длин пути волн. Оптической длиной пути света называется произведение геометрической длины пути, пройденного светом в среде, на показатель преломления этой среды. Применяют, к примеру, в оптике, накладывая пленки на линзы, для уменьшения потерь интенсивности света.

9. Практическое использование интерференции света. Просветление оптики. Интерферометры. Голография.

Применение интерференции.    Интерференцию применяют, например, для получения картины внутренних напряжений детали. При этом из прозрачного материала изготавливают точную копию детали. При приложении к детали внешних сил можно в местах деформации наблюдать интерференционную картину. Нанесение на линзы пленок для уменьшения потерь при прохождении света через объектив - наз. просветление оптики. Прямолинейность распределения света согласно методу зон Френеля.

10. Дифракция света и условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса и Френеля. Метод зон Френеля.

11. Дифракция света от узкой щели. Условия дифракционных максимумов и минимумов. Распределение относительных интенсивностей света при дифракции от щели.

12. Дифракционная решетка. Условие главных максимумов при дифракции от решетки. Сопоставление дифракционного и призматического спектров. Разрешающая способность дифракционной решетки. Дисперсионная способность решетки (угловая и линейная дисперсия).

13. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов. Сущность рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа.

14. Естественный свет и виды поляризованного света. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

15. Поляризация света в анизотропных кристаллах. Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный луч. Положительные и отрицательные кристаллы. Волновые поверхности обыкновенных и необыкновенных лучей. Построения Гюйгенса.

16. Поляризационные устройства: призма Николя, поляроиды. Прохождение света через поляризатор и анализатор. Закон Малюса.

17. Оптически активные вещества. Вращение плоскости колебаний оптически активными веществами. Устройство простейшего поляриметра. Использование поляриметров для определения концентрации оптически активных веществ.

18. Тепловое излучение и люминесценция. Энергетическая светимость. Спектральная плотность лучеиспускательной способности. Поглощательная способность. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа и следствия из него.

19. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Система изотерм. Закон смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа».

20. Квантовая гипотеза и формула Планка для излучательной способности абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана.

21. Использование законов излучения для определения температуры раскаленных тел. Оптическая пирометрия.

22. Фотоэлектрический эффект. Опыты Герца и Столетова. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Внешний и внутренний фотоэффект. Фотоэлементы и их применение. Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) под влиянием освещения. явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Энергия частиц Е = h, где h – универсальная постоянная, впервые введенная Планком и названная его именем, а  – частота света. максимальная энергия фотоэлектрона, выбиваемого фотоном данной частоты, описывается выражением Е_макс = h – W, где W – величина, зависящая от природы металла и состояния его поверхности. Внешний Ф. Э. — испускание электронов телами, на которые падают световые, рентгеновские или гамма-лучи. 

Законы внешнего фотоэффекта 1) число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения ( Столетов) 2) максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний и не зависит от его интенсивности 3) Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения ν₀ при которой фотоэффект ещё возможен.

Внутренний Ф. Э. — изменение электропроводимости некоторых тел (напр. селена)

Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучи­стой энергии оптического диапазона вызывает изменение его элек­трических свойств.

Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фото­эффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП

23. Масса и импульс фотона. Давление света. Опыты Лебедева.

Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона  =hЕго масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии импульс фотона Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов: Nh=E_e есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т. е. энергетическая освещенность поверхности, a E_e/c=w — объ­емная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность, Давление света, давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым  Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды. Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда, из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги .Перемещение зеркал давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

24. Эффект Комптона.

Эффектом комптона наз. изменение длины волны рентгеновского излучения при его рассеянии веществом, содержащим легкие атомы.

Эффект Комптона не удается объяснить на основе классической волновой теории света. Согласно квантовой теории, эффект Комптона является результатом упругого столкновения рентгеновского фотона со свободным или почти свободным электроном(с малой связью с ядром). При этом фотон передает электрону часть своей энергии и часть своего импульса в соответствиями с законами сохранения энергии и импульса. Если эл-н сильно связан с атомом, то при рассеянии на нем фотона последний передает энергию и импульс не электрону, а атому в целом. для сдвига длины световой волны Δλ формулу Комптона: Δλ= λ' — λ= λ_о (1—cos ϑ).  Здесь λ' — длина волны рассеянного света, ϑ — угол рассеяния фотона, а λ₀ = h/mc = 2,426∙10^-10см = 0,024 Е — так называемая комптоновская длина волны электрона (т — масса электрона). Из формулы Комптона следует, что сдвиг длины волны Δλ не зависит от самой длины волны падающего света λ. Он определяется лишь углом рассеяния фотона ϑ и максимален при ϑ = 180°, т. е. при рассеянии назад: Δλ_макс. =2λ₀.

25. Оптика

27. Закон преломления

28. 

29. ; - ваакум

30. ; ; ;

31. - относит. показатель преломления.

32. - скорости света во 2-й и первой средах.

33. Линзы

34. 

35. 

36. 

37. d –расстояние предмета от линзы

38. f –расстояние от изображения до предмета

39. F – фокус

40. D –Оптическая сила линзы [диоптрии]

41. k - увеличение линзы