Волновая оптика

Оптика

Скорость светла. Законы отражения и преломления света. Полное отражение

В 8 классе рассматриваются законы отражения света и подается понятие заломление света, но законы преломления не рассматриваются. Скорость светла в вакууме м/с, приблизительно такая же она и в воздухе. В гуще, чем воздух, прозрачных средах. При переходе световых лучей с одной прозрачной среды в другое направление лучей изменяются (свет загибается назад).

Есть два закона преломления (так же, как и два закона отражения).

Законы  преломления:

1) Отношение постоянное для данных двух сред и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первого (например, воды относительно воздуха).

2) Преломленный луч, падающий луч и нормаль к поверхности разделения сред находятся в одной плоскости.

Кроме относительного показателя преломления, в квантовой оптике пользуются понятиям и абсолютного показателя преломления.

Абсолютный показатель преломления вещества - отношение скорости света в вакууме (или в воздухе) к скорости света в данном веществе:, тогда .

В оптике пользуются понятием плотности, которое не совпадает с понятием плотности вещества в механике. С двух сред оптически гуще является то, показатель преломления которого больше.

Если первая среда оптически более густа второй, то с увеличением угла падения света преломленный луч, "опускаясь", приближается к пределу разделения сред. При некотором значении угла ? (критический или предельный угол) преломления не происходит, луч скользит вдоль поверхности распределения сред

Если, световой луч возвращается в первую среду, то есть происходит лишь отражение света внутрь первой среды, без выхода во второе. Значение критического угла для разных пар сред разное. Поскольку критическому углу падения отвечает прямой угол преломления, то, воспользовавшись формулой относительного показателя преломления, условие полного отражения можно записать так: .

Как итог, можно сформулировать закон полного отражения света : при переходе светового луча с оптически более густой среды в оптически менее густое на грани разделения этих сред может возникать полное отражение луча при условии, что значение угла падения превысит некоторое критическое значение, постоянное для данных двух сред.

На принципе полного отражения света функционируют волокнистые световоды - устройства, которые используются в волоконной оптике.

Когерентность. Интерференция света и ее приложения в технике

Когерентными называются взаимосвязанные (согласованные) волны.

Когерентные волны излучаются лишь лазерами. Когерентные световые волны от других источников можно получить искусственно, разделяя волну (луч) на две части и обеспечивая прохождение ими разных путей к точке встречи. Для этого используют двойные щели, зеркала, линзы, призмы, полупрозрачные зеркала.

Интерференция волн - это явление, которое возникает в результате процесса наложения нескольких когерентных волн и заключается в увеличении амплитуды колебаний в одних участках пространства и уменьшении, - в других.

Дежурство интерференционных максимумов и минимумов образуется путем перераспределения в просторные энергии волн, которые накладываются. Для случая световых волн оно имеет вид светлых и темных участков.

Области применения интерференции : наука (например, в оптике для исследования структуры спектров, для определения угловых размеров небесных тел), техника (для улучшения оптических приборов путем просветления их объективов, для контроля качества шлифовки поверхностей деталей и др.).

Волновая оптика

Дифракция светла. Дифракционная решетка

Дифракция волны- это явление сгибания волнами краев неоднородности на пути волн. Для световых волн дифракция - это попадание света в участки геометрической тени.

Дифракция четко оказывается в случае, когда размеры неоднородности (например, отверстию) соизмеримые с длиной волны. Если же размеры великоваты, она наблюдается лишь на больших расстояниях от неоднородности (б).

Дифракционная решетка (устройство для изучения закономерностей дифракции, исследования спектров и измерения длин световых волн) являет собой совокупность большого числа узких щелей одинаковой ширины, отделенных непрозрачными промежутками тоже одинаковой ширины. (Принцип изготовления современных решеток такой: на общем непрозрачном фоне стекла, покрытого тонким слоем алюминия, микрорезцом прорезают узкие "окна".)

Разные по качеству дифракционные решетки имеют от 300 до 1200 штрихов на миллиметр (стекла или алюминиевого покрытия). Сумма ширины прозрачного участка решетки и ширины непрозрачного участка - это стала дифракционной гратки d.

Формула дифракционной решетки, где - целое число.

Световая картина, которая образовалась бы при использовании одной щели, была бы сугубо дифракционной, а при использовании решетки образуется интерференционная картина как следствие наложения лучей от разных щелей. Следовательно, данное выражение отвечает условию, которому должна удовлетворять разница хода интерферующих излучал для образования интерференционного максимума.

Дисперсия света

Дисперсия света называется явление зависимости скорости света (а следовательно, и показателя преломления n света веществом) от длины волны (частоты) света.

Показатель n тем больше, чем меньшая. Надо помнить, что: нм, нм (1 нм == 10-9 м).

Если на стеклянную призму направить луч солнечного света, то на выходе из призмы будет наблюдаться расширенная световая полоса с расцветкой, которая непрерывно (плавно) изменяется. Эта полоса называется спектром.

Для запоминания последовательности цветов в спектре удобно пользоваться мнемонической условной фразой. Всем известная фраза о "любознательном охотнике" ("Каждый охотник желает знать.".). Можно предложить "самодельное" предложение украинской: "Волшебная Елена и Лягушка Зелена Многим Способствовали Фантазиям" (начальные буквы этих слов позволяют помнить дежурство цветов : красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый).
Поляризация светла
Световую волну графически изображают двумя взаимно перпендикулярными синусоидами. Этот график отвечает элементарной волне, то есть волне, которую излучал бы один возбужденный атом в одном акте излучения. При этом вектор колеблется вдоль одной прямой (OZ) в двух направлениях в пределах единственной плоскости (XOZ), а вектор – по оси OY в пределах XOY. В большинстве оптических явлений основную роль играет электрическое поле световой волны, то же можно рассматривать только колебание вектора ("светового вектора").

Световой луч элементарной волны в принципе поляризован. Но макроисточники света (реальные источники) состоят из огромного числа частиц-излучателей. Кроме того, пространственная ориентация векторов в разные моменты актов излучения отдельной частицей хаотическая. Следовательно, в общем излучении направления в каждый момент времени случаю, непредсказуемые