на главную   

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика 

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

       

 

 

Страница  подготовлена

 Анастасией Задиной ,

 ученицей 10-А класса 2009-2010 учебного года,

призёром 1 степени

Региональной научно-практической конференции

в секции "Юные техники - школе, учреждению дополнительного образования".

Подробно здесь.

 

 

 

 

 

 

 

 

оптика                                                       немного о физике:

Оптика - раздел физики, в котором рассматриваются явления и закономерности излучения, распространения и поглощения света.

Что такое свет?

По определению "Свет - электромагнитное излучение,  воспринимаемое человеческим глазом". Наш глаз воспринимает электромагнитные волны с длинами от 380 до 760нм.
 
                                  
                                 760 нм                                                                                             380нм
красный 650-760нм
оранжевый 590-650нм
желтый 530-590нм
зеленый 490-530нм
голубой 450-490нм
синий 420-450нм
фиолетовый 380-420нм
 
Иногда к свету относят и невидимое излучение с длинами волн от 10 до 340000нм, т.к. оно по своим физическим свойствам близко к видимому.
 С другой стороны свет - это поток частиц - фотонов, имеющих импульс и несущих энергию.
 Т.е. можно говорить, что  природа света двойственна.    
              

Как возникает свет?

Т.к. свет - электромагнитная волна, то он излучается заряженными частицами, движущимися с ускорением,  а  частицы эти входят в состав атомов веществ. Чтобы атомы вещества стали излучать,  они должны получить энергию извне, для этого вещество  следует или нагреть, или облучить. Получая избыток энергии, атом переходит в возбужденное состояние, в котором может находиться в течение 10-8 с, а затем растрачивает избыточную энергию на излучение.  Поэтому сильно нагретые тела светятся, и их свечение  объясняется излучением атомами  электромагнитных волн с длинами от 380 до 760нм.  При этом каждое вещество излучает только определенный  набор длин волн, не похожий на другие ( в этот набор так же входят и другие волны, не являющиеся видимым светом).
Это происходит потому, что атомы  вещества могут находиться в особых дискретных энергетических  состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия.  Излучение света  происходит при переходе атома из энергетического состояния с большей энергией  в состояние с меньшей энергией. Разность энергий и переносится излучаемой волной. При этом процесс излучения конечен во времени и составляет примерно t = 10 -8 с , а волна, которую излучает атом, может быть представлена в виде небольшой части синусоиды. Такая часть синусоиды имеет длину  l = c t , т.е. l = 3 · 10 8 м/с · 10 -8  = 3 м  и называется волновым цугом.
 Излучение цугов происходит сразу большим количеством атомов вещества независимо друг от друга. Такой поток цугов мы воспринимаем как свет. 
 

Как свет распространяется?

С точки зрения волновой теории,  распространение световых волн подобно  распространению звуковых волн в воздухе.  А воздух - среда, обладающая упругостью и плотностью. Следовательно, для распространения световых волн тоже необходима среда, обладающая такими же свойствами. С точки зрения волновой теории такой  средой является эфир.
Объяснение механизма распространения света опирается на принцип Гюйгенса: каждая точка среды,  до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичной волны.
Если среда однородна, то вторичные волны  распространяются в ней с одинаковой скоростью. Следовательно, за одно и тоже время  τ  все вторичные волны дойдут до точек среды, удаленных от данных на расстояние  l = τυ, где υ - скорость волны. Поверхность, огибающая в некоторый момент времени вторичные волны, укажет положение фронта волны в данный момент времени. под фронтом волны понимают геометрическое место точек, до которых дошло возмущение к заданному момент времени. В зависимости от вида фронта  различают плоские и сферические волны. Фронтом плоских волн является плоскость, сферических - сфера.
Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется световым лучом. Распространение волн происходит по направлению луча.
 

Световые явления

дисперсия света - явление спектрального разложения немонохроматического излучения  на  составные части по частотам - ν ( длинам волн - λ ). Причиной  такого разложения  является зависимость скорости света в среде от частоты (длины волны).  Скорость света в среде υ ═ c / n, где n - показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме.
 Так как скорость света универсальная постоянная, то из соотношения n ═ c / υ следует, что показатель преломления n есть функция частоты или длины волны.
Такую зависимость можно пронаблюдать при прохождении белого  света через призму, изготовленную из прозрачной среды. На экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоска, которую называют призматическим (дисперсионным) спектром.
 
 
Наименьшую частоту и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются на меньший угол. Наибольшая частота и наибольший показатель преломления у фиолетового цвета, следовательно, фиолетовые лучи отклоняются на больший угол.
 Таким образом,  с увеличением частоты света происходит возрастание показателя преломления, которое и объясняет разложение белого света на монохроматические составляющие. Такая дисперсия  называется нормальной.
 
интерференция света - сложение двух или нескольких световых волн с одинаковыми периодами, сходящихся в одной точке, в результате которого наблюдается  увеличение или уменьшение амплитуды результирующей волны. Для получения устойчивой интерференционной картины необходимо , чтобы складываемые волны были когерентны. Когерентными называют волны с одинаковой частотой (периодом) и постоянной  во времени разностью фаз. Чтобы получить когерентные волны необходимо световую волну от одного источника "разделить" на две или несколько волн. После прохождения различных путей эти волны ,имея некоторую разность хода, интерферируют.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся приемы разделения волны.
1.Схема получения интерференции с помощью бипризмы Френеля.
Волна, идущая от источника света раздваивается  в следствие преломления света в двух половинах  бипризмы.

Получаемые волны 1 и2 , как бы исходят от двух мнимых источников  S1 и S2 и являются когерентными. Поэтому в заштрихованной области наблюдается интерференция. На участке АВ экрана наблюдается интерференционная картина.
2. Опыт Юнга.
Свет, проходящий через узкое отверстие S, падает на экран с двумя отверстиями  S1 и S2  и делится на на две волны. Эти волны когерентны и поэтому в заштрихованной области   наблюдается интерференция,  а на экране, в области АВ,  наблюдается интерференционная картина. 

3.Схема получения интерференции с помощью зеркал Френеля.
 Два зеркала, расположенные под углом,  близким к 1800, позволяют получить в следствие отражения  две когерентные световые волны. Эти когерентные волны как бы исходят от двух мнимых изображений источника света S, интерферируют в заштрихованной области и на экране, в области АВ, дают интерференционную картину
 

4. Опыт Ллойда.
В данном опыте волна, исходящая от источника S и волна, как бы исходящая от мнимого источника S ' являются когерентными. Когерентные волны интерферируют и дают на экране интерференционную картину.

 5.Схема получения интерференции в тонких пленках.

На тонкую пленку под углом  α  к нормали падает плоская волна. Определим направление распространения волны лучом 1. Луч, попадая  на границу раздела двух сред частично отражается  и частично преломляется, затем частично отражается от нижней поверхности пленки и, преломляясь, выходит из пленки. Волны распространяющиеся вдоль лучей 2 и 3 когерентны и дают интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 4 и 5. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

    6.Схема получения интерференции в воздушном клине.

Для получения воздушного клина накладывают одну стеклянную плоскопараллельную пластину на другую и под один из концов верхней пластины помещают небольшой предмет. При падении на клин плоской волны, распространяющейся вдоль луча SА, отраженные от различных граней клина волны, определяемые лучами 1 и 2 будут когерентным. Они дадут интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 3 и 4. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

    7. Кольца Ньютона.

Линза с малой кривизной поверхности накладывается на стеклянную пластину. При падении на линзу волны, распространяющейся вдоль луча 1, отраженные  волны, определяемые лучами 2 и 3 будут когерентным. Они дадут интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 4 и 5. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

  дифракция света - явление огибания  волнами препятствий, соизмеримых с длиной световой волны. В более широком смысле дифракцией называют явления, вызванные нарушением целостности волновой поверхности в среде с резкими неоднородностями. Такими неоднородностями могут быть отверстия в непрозрачном экране, границы непрозрачных тел. В результате  дифракции свет проникает в область геометрических теней. Явление дифракции объясняет принцип Гюйгенса - Френеля, согласно которому, каждая точка среды,  до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичной волны, а волновое возмущение в любой точке пространства есть результат интерференции вторичных волн от фиктивных когерентных источников. 

Законы распространения света(основные законы геометрической оптики)

Длины волн, воспринимаемые глазом малы, поэтому распространение видимого света можно рассматривать, отвлекаясь от его волновой природы. Тогда направление распространения волны можно определить с помощью лучей - линий, перпендикулярных волновым поверхностям.
Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о световом луче, называется геометрической (лучевой) оптикой.
 В основе геометрической оптики лежат  четыре закона :
1.        закон прямолинейного распространения света
        В однородной среде свет распространяется прямолинейно.  ( закон  является приближенным, т.к при прохождении света через отверстия, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны,  наблюдается отклонение от прямолинейного распространения). 
2.          закон отражения.
        (На границе раздела двух сред свет отражается.) Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения 
3.           закон преломления.
        (На границе раздела двух сред свет преломляется.) Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.     
                                                           sinα /  sinβ = n = const                   
4.          закон независимости световых пучков. 
        Лучи при пересечении не возмущают друг друга (закон справедлив при малой интенсивности световых пучков)
 
История развития взглядов
 на природу света.
 
Исторически сложилось так, что параллельно существовали два взгляда на природу  света, и поэтому параллельно развивались две теории.
Корпускулярная теория утверждает: свет представляет собой поток частиц.
С точки зрения волновой теории: свет - электромагнитная волна.
Начало корпускулярной теории света было положено Пифагором, который предположил, что мы видим окружающие нас предметы  потому, что они испускают мельчайшие частицы. Развил данную теорию И.Ньютон в своих трудах "Лекции по оптике", "Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света".
Например, прямолинейное распространение света И.Ньютон объяснил законом инерции. Если  на частицу(корпускулу) во время движения не действуют силы или действие сил, скомпенсировано, то она сохраняет свою скорость. Причина разнообразия цветов, с точки зрения И.Ньютона,  в неодинаковой величине световых корпускул, а именно в  том, что наиболее крупные корпускулы вызывают ощущение красного света, а наименьшие - фиолетового. Отражение света объясняется упругим ударом световых частиц об упругую поверхность. Преломление света есть следствие того, что при переходе из менее преломляющей среды в более преломляющую, частицам света  сообщается ускорение в результате притяжения их второй средой. При этом   скорость света в веществе должна быть больше скорости света в вакууме.
Сторонниками волновой теории света были Х.Гюйгенс, Р.Декарт, Ф. Гримальди. Развитие эта теория нашла в трудах  Т.Юнга, О.Френеля и др. Волновая теория света смогла строго доказать законы отражения и  преломления света, обосновала такие явления, как интерференцию, дифракцию, поляризацию света. С точки зрения волновой теории скорость света  в веществе должна была быть меньше скорости света в вакууме. Именно этот факт вступал в противоречие  с корпускулярной теорией.
Опыты Фуко (1950г.)по определению скорости света в воде подтвердили предположения сторонников волновой теории. Благодаря этому волновая теория получила признание.
Однако в начале XX века было доказано, что свет - поток частиц - фотонов. Но этот факт уже не вступает в противоречие с волновой теорией света. Оба взгляда на природу света дополняют друг друга.
Дуализм света подтверждается формулой Планка  ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.