§ 3.78. Закон прямолинейного распространения света.

§ 3.78. Закон прямолинейного распространения света. Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света). Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает). При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень). В астрономии – объяснение затмений.
Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение. Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.
Скорость света и методы ее измерения. Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.
Астрономический метод измерения скорости света Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние D l = l 2 – l 1.
Лабораторный метод измерения скорости света Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света. Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.	с=313 000 км/с.
В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .
По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.
§ 3.79. Оптические явления на границе раздела двух сред.
На границе раздела двух сред наблюдаются: отражение, преломление и поглощение света. Отражение, преломление и поглощение падающего на тело излучения зависит от рода вещества, со­стояния поверхности, состава излучения и угла падения. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, называется углом падения (a). Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и отраженным лучом называется углом отражения (g). Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и преломленным лучом называется углом преломления (b).
Отражение света. Отражение, при котором пучок параллельных лучей преобразуется в расходящийся, называется диффузным. Диффузное, или рассеян­ное, отражение позволяет нам видеть тела.
Отражение, при котором пучок параллельных лучей остается параллельным, называется зеркальным.
Законы отражения света. 1. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плос­кости с перпендикуляром к отражающей поверхности. 2. Угол отражения луча равен углу его падения Ða=Ðg. Законы отражения света были известны еще древним грекам, но теоретическое доказательство стало возможно только на основе принципа Гюйгенса.
§ 3.80. Принцип Гюйгенса (1690) Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных сферических волн, огибающая которых показывает новое положение волнового фронта. На­пример, сферическая волна рас­пространяется в изотропной сре­де, т. е. скорость волны одинако­ва по всем направлениям. Пусть в момент времени 1 фронт волны находится в положении 1. За время Dt вторичная волна от каждой точки волновой поверхности распространится на расстояние R=v^.Dt по направлению луча. Огибающая этих элементарных волн (линия 2) определяет новое положение волнового фронта. Так ведут себя волны на поверхности воды: имеют форму окружностей. Используя рассмотренный принцип, можно объяснить отражение, дифракцию и другие явления.
§ 3.81. Изображение в плоском зеркале. Из множества лучей, падающих из точки S на зеркало MN, выделим три произвольных луча: SO, S01, SO2. Каждый луч отразится от зеркала под таким же углом, под каким падает на зеркало. Если продолжить отраженные лучи за зеркало MN, то они сойдутся в точке S1. Глаз воспринимает их как бы исходящими из точки S1. Т.о. точка S1 является изображением точки S в зеркале.
Изображение любого предмета в плоском зеркале равно по размерам самому предмету и расположено относительно зеркала симметрично предмету. Для построения изображения предмета в плоском зеркале достаточно построить точки, симметричные точкам предмета. Изображение в плоском зеркале: 1. мнимое – т.е. находится на пересечении продолжений лучей, а не самих лучей; 2. прямое – т.е. не перевернутое; 3. равное.
§ 3.82. Преломление На границе раздела двух сред падающий световой поток делится на две части: одна часть отражается, другая – преломляется.
В. Снелл (Снеллиус) до X. Гюйгенса и И. Ньютона в 1621 г. экспериментально открыл закон преломления света, однако не получил формулу, а выразил его в виде таблиц, т.к. к этому времени в математике еще не были известны функции sin и cos.
Преломление света подчиняется закону: 1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломле­ния для двух данных сред есть величина постоянная (для моно­хроматического света).
Причиной преломления является различие скоростей распространения волн в различных средах.
Величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде, называется абсолютным показателем преломления среды. Это табличная величина – характеристика данной среды.
Величина, равная отношению скорости света в одной среде к скорости света в другой, называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Доказательство закона преломления. Распространение падаю­щих и преломленных лучей: ММ' — граница раздела двух сред. Лучи А1А и В1В — падаю­щие лучи; α — угол па­дения;. АС – волновая поверхность в момент, когда луч А1А достигнет границы раздела сред. Воспользовавшись принципом Гюйгенса построим волновую поверхность в тот момент, когда луч В1В достигнет границы раздела сред. Построим преломленные лучи АА2 и ВВ2. β — угол преломления. АВ – общая сторона треугольников АВС и АВD. Т.к. лучи и волновые поверхности взаимно перпендикулярны, то угол ABD= α и угол BAC=β. Тогда получим:
В призме или плоскопараллельной пластине преломление происходит на каждой грани в соответствие с законом преломления света. (Внимание! Не забудьте, что всегда существует отражение. Кроме того, реальный ход лучей зависит и от показателя преломления, и от преломляющего угла – угла при вершине призмы.)
§ 3.83. Полное отражение Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при определенном для каждой среды угле падения, преломленный луч исчезает. Наблюдается только преломление. Это явление называется полным внутренним отражением.
Угол падения, которому соответствует угол преломления 90°, называют предельным углом полного внутреннего отражения (a0). Из закона преломления следует, что при переходе света из какой-либо среды в вакуум (или воздух)
При переходе между двумя любыми средами:	Предельный угол a0 для сред стекло - воздух
Явление полного отражения света используется в призмах, в волоконной оптике (световодах), в водолазном деле, в ювелирной промышленности.
Световод—стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньше чем у волокна. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по изогнутому пути.
Поворотные и оборачивающие призмы применяют в перископах, биноклях, киноаппаратах, а также часто вместо зеркал.
Если мы пытаемся из-под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определенном значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отраженное от поверхности воды дно. Это важно учитывать для того, чтобы не потерять ориентировку.
В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение. Этим и объясняется "игра камней".
Полным внутренним отражением объясняется и явление миража.
§ 3.84. Линзы
Прозрачное для света тело, ограниченное выпуклыми или вогнутыми преломляющими поверхностями, называется линзой. Принцип работы линзы объясняется на основе анализа хода лучей в призме и усеченной призме
Собирающие (положительные) линзы - это линзы, преобразующие пучок параллельных лучей в сходящийся: двояковыпуклые (1), где 0102 — главная оптическая ось, R1R2— радиусы кривизны поверхности, плоско-выпуклые (2), выпукло-вогнутые (3).
Рассеивающие (отрицательные) линзы - это линзы, преобразующие пучок параллельных лучей в расходящийся: вогнуто-выпуклые (4), двояковогнутые (5), плоско-вогнутые (6).
Линзы, у которых середины толще чем края - собирающие, а у которых толще края — рассеивающие. Эти условия выполняются, если показатель преломления стекла, из которого изготовлена линза, больше показателя преломления среды, в которой используется линза.
Линзы, в которых можно пренебречь смещением луча при прохождении внутри линзы, называют тонкими линзами.
Главные фокусы и фокусное расстояние линзы Точка F на главной оптической оси, в которой пересекаются после преломления лучи, параллельные этой оси, называется главным фокусом. Плоскость, которая перпендикулярна главной оптической оси линзы, а также проходит через ее главный фокус, называется фокальной Побочный фокус F' - это точка на фокальной плоскости, в которой собираются лучи, падающие на линзу параллельно побочной оси.
У собирающей линзы фокусы действительные, у рассеивающей - мнимые. Расстояние между линзой и главным фокусом (OF) - фокусное расстояние. Его обозначают буквой F. У собирающей линзы считают F>0, у рассеивающей - F<0.
Оптическая сила линзы: Единица оптической силы линзы в СИ — диоптрия: 1 дптр =1 м^-1.
Оптическая сила линзы определяется кривизной ее поверхности, а также показателем преломления ее вещества относительно окружающей среды: где r1 и R2 - радиусы сферических поверхностей линзы; n - относительный пока­затель преломления.
Вывод формулы тонкой линзы
Из подобия треугольников, заштрихованных одинаково, следует откуда Разделив последнее равенство на произведение dfF, получим: где d — расстояние предмета от линзы; f — расстояние от линзы до изображения, F — фокусное расстояние.	- формула тонкой линзы
Оптическая сила линзы равна:
При расчетах числовые значения действительных величин всегда подставляются со знаком "плюс", а мнимых—со знаком "минус".
Линейное увеличение
Из подобия заштрихован­ных треугольников следует: .
Построение изображения в тонкой линзе. 1. Луч, параллельный главной оптической оси, проходит через точку главного фокуса. 2. Луч, параллельный побочной оптической оси, проходит через побочный фокус (точку на побочной оптической оси). 3. Действительное изображение - пересечение лучей. Мнимое изображение - пересечение продолжений лучей.
§ 3.85. Глаз Глаз — это система линз. Диаметр глаза» 23 мм. Через глаз мы получаем до 90% информации. Состоит из склеры 1 (за­щитная оболочка из эластичной ткани), роговицы. 1, каме­ры 3 (полость, заполненная прозрачной жидкостью), сосудистой оболочки 4, радужной оболочки 5, зрачка 6 (d от 2 до 8 мм), хрусталика 7 (n=1,44), мышц, изменяющих оптические свойства глаза 8, прозрачной студенистой массы 9 (глазное дно), сетчатки 10 (7 млн. колбочек, 130 млн. палочек, которые реагируют на свет разной частоты неодинаково), разветвлений зрительного нерва 11.
Основные свойства и оптические характеристики глаза: Аккомодация —свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие разноудаленных предметов. Изменяется главный фокус глаза от 16 до 13 мм. Оптическая сила глаза от 60 до 75 дптр. Предельный угол зрения (j=1') c приближением предмета увеличивается угол зрения, под которым мы видим две близкие точки предмета. Адаптация —приспосабливаемость к различным условиям освещенности: диаметр зрачка меняется от 2 до 8 мм. Поле зрения: по оси ОХ 150°, по оси OY 125°. Спектральная чувствительность от 380 до 760 нм. Самая большая чувствительность 555 нм (зеленый цвет). Острота зрения — свойство глаза раздельно различать две близкие точки. Расстояние наилучшего зрения d0=250 мм. Дальние предметы глаз видит без напряжения.
Дефекты зрения: глаз не может создать резкое изображение на сетчатке.
Дальнозоркость — дефект зрения, состоящий в том, что изоб­ражение предмета в ненапряженном состоянии глаза получается за сетчаткой. При рассматривании близких предметов предел аккомодации исчерпывается при расстояниях больше 25 см. Исправляется ношением очков с собирающими линзами.
Близорукость — дефект зрения, при котором глаз в ненапряженном состоянии создает изображение удаленного предмета не на сетчатке, а перед ней, т. е. не может видеть удаленные предметы. Исправляется ношением очков с рассеивающими линзами.
Подбор очков где f - глубина глаза; dгл - расстояние, на которое видит глаз без очков; d0=25 см — расстояние наилучшего зрения глаза;
Близорукость и дальнозоркость могут быть исправлены с по­мощью современной хирургии по изменению формы роговицы или хрусталика, а также подбором контактных линз.
§ 3.86. Оптические приборы
Лупа Увеличить угол зрения можно, используя лупу, микро­скоп: Так как OB2=d0,, a OB1» F, то
Фотоаппарат (1837) К — светонепроницаемая камера; О — объектив (может перемещаться относительно пленки); /7 — пленка или светочувствительная пластина; ВА — предмет; А1В1 — изображение. Как и в глазу, в фотоаппарате получается действительное, перевернутое, уменьшенное изображение. Основное отличие заключается в том, что фокусное расстояние зрачка меняется (аккомодация), а у фотоаппарата меняется расстояние от линзы до изображения.
Проекционный аппарат S - источник света; R — рефлектор (вогнутое зеркало). К,— конденсатор (плосковыпуклые линзы), собирает лучи в пучок; D — прозрачный диапозитив; О — объектив, расположенный в фокусе конденсатора, который проецирует освещенный диапозитив на экран. Для получения четкого изображения на экране диапозитив помещают от объектива на расстоянии d, удовлетворяющем условию: F<.d<2F. Чем дальше экран, тем больше d.
§ 3.87. Дисперсия света
Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны) называется дисперсией.
Разложение белого света есть следствие дисперсии. Впервые исследовал дисперсию И. Ньютон. Почему белый свет, входящий в призму в виде круглого пучка, выходит из призмы продолговатой разноцветной полосой? Направив эту полосу на вторую призму, получил белый свет. Белый свет сложный. Ньютон выделил в нем семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Зависимость показателя преломления света от частоты. Скорость света в вакууме не зависит от частоты или длины волны и равна с=3^.10^8 м/с. Если поочередно пропускать через стеклянную призму пучки монохроматического света разной цветности под одним и тем же углом падения, то увидим, что фиолетовый луч преломляется больше, чем красный. Очевидно, nф > nк
Абсолютный показатель преломления связан со скоростью распространения света в этой среде формулой:
Следовательно,
Значит
Так как v ф< v к, nф>nк для одной и той же среды, то nф>nк. Значит, в одном и том же веществе скорости света для раз­ных частот (или длин волн) различны. Различны будут и показатели преломления.
Следовательно, показатель преломления света в среде зависит от его частоты.
Приборы спектроскоп и спектрограф позволяют получить и исследовать спектры. Спектроскоп: S - источник излучения, находящийся в фокальной плоскости линзы Л1, линза Л2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране; П - призма; К - коллиматор со щелью (на призму падает параллельный пучок); 3 - зрительная труба, О - объектив. Вместо призмы может использоваться дифракционная решетка.
§ 3.88. Дифракция света
Характерным проявлением волновых свойств света является дифракция света — отклонение света от прямолинейного рас­пространения на резких неоднородностях среды. Дифракция была открыта Ф.Гримальди в конце XVII в. Объяснение яв­ления дифракции света дано Т. Юнгом и О. Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство пря­молинейности распространения света с позиций волновой теории.
Зоны Френеля Принцип Гюйгенса — Френеля: волновая поверх­ность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции. Для того чтобы найти амплитуду световой волны от точечного моно­хроматического источника света А в произвольной точке О изо­тропной среды, надо источник света окружить сферой радиусом r=ct. Интерференция волны от вторичных источников, располо­женных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассмат­риваемой точке О, т. е. необходимо произвести сложение коге­рентных колебаний от всех вторичных источников на волновой поверхности. Так как расстояния от них до точки О различны, то колебания будут приходить в различных фазах. Наименьшее расстояние от точки О до волновой поверхности В равно r0. Первая зона Френеля ограничивается точками волновой поверхности, рассто­яния от которых до точки О равны: , где l — длина световой волны. Вторая зона . Аналогично определяются границы других зон. Если разность хода от двух соседних зон равна половине длины волны, то коле­бания от них приходят в точку О в противоположных фазах и на­блюдается интерференционный минимум, если разность хода равна длине волны, то наблю­дается интерференционный максимум. Таким образом, если на препятствии укладывается целое число длин волн, то они гасят друг друга и в данной точке наблюдается минимум (темное пятно). Если нечетное число полуволн, то наблюдается максимум (светлое пятно). Расчеты позволили понять, каким образом свет от точечного источника, испускающего сферические волны, достигает про­извольной точки О пространства.
Дифракция от различных препятствий: а) от тонкой прово­лочки; б) от круглого отверстия; в) от круглого непрозрачного экрана.
Дифракция происходит на предметах любых размеров, а не только соизмеримых с длиной волны l. Трудности наблюдения заключаются в том, что вследствие малости длины световой волны интерференционные максиму­мы располагаются очень близко друг к другу, а их интенсив­ность быстро убывает.
Дифракция наблюдается хорошо на расстоянии . Если , то дифракция невидна и получается резкая тень (d - диаметр экрана). Эти соотношения определяют границы применимости геометрической оптики. Если наблюдение ведется на расстоянии , где d— размер предмета, то начинают проявляться волновые свойства света. На рис. показана примерная зависимость результатов опыта по распространению волн в зависимости от соотношения размеров препятствия и длины волны.
Интерференционные картины от разных точек предмета пе­рекрываются, и изображение смазывается, поэтому прибор не выделяет отдельные детали предмета. Дифракция устанавлива­ет предел разрешающей способности любого оптического при­бора. Разрешающая способность человеческого глаза приблизите­льно равна одной угловой минуте: , где D — диаметр зрач­ка; телескопа a=0,02'' микроскопа: увеличение не более 2-10^3 раз. Можно видеть предметы, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны.
§ 3.89. Дифракционная решетка Дифракционная решетка - система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны. Величина d = a + b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол j - угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача - определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении j - максимум или минимум. Оптическая разность хода Из условия максимума интерференции получим: . Следовательно: - формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракцион­ного максимума (равен 0, ± 1, ± 2 и т.д.).
Определение l с помощью дифракционной решетки
§ 3.90. Интерференция 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.
Условия интерференции Волны должны быть когерентны. Когерентность - согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.
Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели. Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S1 и S2. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: l1 и l2. На экране наблюдается чередование светлых и темных полос.
Условие максимума. Пусть разность хода между двумя точками , тогда условие максимума: , т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн (k= 1, 2, 3,...).
Условие минимума Пусть разность хода между двумя точками , тогда условие минимума: , т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн (k= 1, 2, 3,...).
Интерференция света в тонких пленках 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 .
Кольца Ньютона Интерференционная карти­на в тонкой прослойке воздуха между стеклянными пластина­ми — кольца Ньютона. Волна 1 — результат отра­жения ее от точки А (граница стекло — воздух). Волна 2 — отражение от плоской пласти­ны (точка В, граница воздух — стекло). Волны когерентны: возникает интерференционная картина в прослойке воздуха между точками А и В в виде- концентрических колец. Зная радиусы колец, можно вычислить длину волны, используя формулу , где r - радиус кольца, R — радиус кри­визны выпуклой поверхности линзы.
Использование интерференции в технике
Проверка качества обра­ботки поверхности до одной де­сятой длины волны. Несовершенство обра­ботки определяют но искрив­лению интерференционных по­лос, образующихся при отра­жении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн.
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.
На поверхность оптическо­го стекла наносят тонкую пленку. Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, должно выполняться условие минимума. В отраженном свете разность хода волн равна: (происходит потеря полуволны). Следо­вательно, , где n - показатель преломления пленки; h — толщина пленки. Минимальная толщина пленки будет при k=0. Поэтому . При равенстве амплитуд гашение света будет полным. Толщину пленки, следовательно, подбирают так, чтобы пол­ное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра, тогда для зеленого цвета . Лучи красного и фиолетового цвета ослабляются незначительно. поэтому объективы оптических приборов в отраженном свете имеют сиреневые оттенки
§ 3.91. Поляризация
Свет, испускаемый лампой накаливания, не поляризован. Пройдя сквозь первый кристалл турмалина, свет становится плоскополяризованным. Второй кристалл пропускает поляризованный свет при определенной ориентации кристалла от­носительно плоскости поляризации. Поворот второй пластины относительно первой приводит к изменению интенсивности света.
Если анализатор повернуть на 90°, то поляризованный свет проходить не будет. Этот опыт обнаруживает поперечность све­товых волн.
Поляризация присуща только поперечным волнам. Продоль­ные волны не поляризуются. Следовательно, световые волны имеют электромагнитную природу. Если свет поляризован, то колебания Е и В происходят в двух определенных плоскостях. Но не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством обладают поляроиды в виде тонкой (0,1 мм) пленки кристаллов герапатита, нанесенной на целлуло­ид или стекло.
Применение поляризованного света: регулировка освещенности, гашение зеркальных бликов при фотографировании, преду­преждение ослепления водителя встречным транспортом, наблюдение ярких источников света в астрономии (например, солнечной короны), в гео­логии и ряде других областей науки и техники.
§ 3.792. Шкала электромагнитных волн
Длины электромагнитных волн, которые могут быть зарегистрированы приборами, лежат в очень широком диапазоне. Все эти волны обладают общими свойствами: поглощение, отражение, интерференция, дифракция, дисперсия. Свойства эти могут, однако, проявляться по-разному. Различными являются источники и приемники волн. Радиоволны n=10^5- 10^11 Гц, l=10^-3-10^3 м. Получают с помощью коле­бательных контуров и макро­скопических вибраторов. Свойства. Радиоволны различных ча­стот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. Применение Радиосвязь, телевидение, радиолокация. В природе радиоволны излучаются различными внеземными источниками (ядра галактик, квазары). Инфракрасное излучение (тепловое) n=3-10^11- 4^.10^14 Гц, l=8^.10^-7- 2^.10^-3 м. Излучается атомами и мо­лекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой тем­пературе. Человек излучает электро­магнитные волны l»9^.10^-6 м. Свойства 1. Проходит через некото­рые непрозрачные тела, а так­же сквозь дождь, дымку, снег. 2. Производит химическое действие на фотопластинки. 3. Поглощаясь веществом, нагревает его. 4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия. 5. Невидимо. Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими. Применение. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов. Видимое излучение Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового): Свойства. В оздействует на глаз. Ультрафиолетовое излучение (меньше, чем у фиолетового света) Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы). Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, а также светящимися парами ртути. Свойства. Высокая химическая активность (разложение хлорида сереб­ра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в неболь­ших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздей­ствие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза. Рентгеновские лучи Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 10^-3-10^-5 Па) ускоряются электриче­ским полем при высоком напряжении, достигая анода, при со­ударении резко тормозятся. При торможении электроны движут­ся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 им). Свойства Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облуче­ние в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение. В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов). g-излучение Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства. Имеет огромную проникающую способность, оказывает силь­ное биологическое воздействие. Применение. В медицине, производстве (g-дефектоскопия). Применение. В медицине, в промышленности. Общим свойством электромагнитных волн является также то, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свой­ства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко - при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко — при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.
Вопрос - ответ. 1. Мы говорим, что электрические и магнитные поля существуют реально (материальны) и в то же время они бесконечны. Как это понимать? Обладает ли поле массой, если они обладает энергией? Ответ. Здесь два вопроса и соответственно два ответа. Во-первых, в природе, точнее в тех объектах, которые мы наблюдаем в природе, ничего бесконечного нет. Когда в физике говорят о чем-то бесконечном, то подразумевается некоторая идеализация, обусловленная тем, что какой- либо один параметр много меньше другого. Например, говорят об электрическом поле бесконечной заряженной плоскости, подразумевая, что расстояние от плоскости до точки, в которой измеряется поле, много меньше размеров плоскости. Все реальные наблюдаемые поля также ограничены во времени и в пространстве. Во-вторых, среди фундаментальных понятий в современной физике выделяются, в частности, три важных понятия, энергии, импульса и массы, которые связаны соотношением: E^2 - P^2c^4 = m^2c^4, где E, P, m – энергия, импульс и масса некоторой системы. Здесь m – масса, которую иногда называют массой покоя, в отличие от релятивистской массы, которая просто пропорциональна энергии: E = mрелс^2. Энергия и импульс обладают свойствами аддитивности, то есть они складываются из энергий и импульсов объектов, составляющих систему. Масса не аддитивна, существует так называемый дефект масс. Поле, в частности электромагнитное поле, обладает энергией, Вы ощущаете ее, греясь на солнышке. Поле бегущей электромагнитной волны, описываемое функцией: E = E 0cos(ωt - 2px/l), обладает импульсом, причем, как можно показать, импульс и энергия связаны соотношением E =Pc, то есть масса поля такой электромагнитной волны равна нулю. Однако, поле стоячей волны, являющейся суперпозицией двух волн, «бегущих» в противоположных направлениях: E = E 0cos(ωt - 2px/l) + E 0cos(ωt + 2px/l), обладает нулевым импульсом (противоположные импульсы в сумме дают ноль). Поэтому такое поле обладает массой. Бесконечные (идеализированные) поля могут обладать бесконечными энергией, импульсом и массой. Реальные, ограниченные в пространстве и во времени поля, имеют конечную энергию, массу и импульс, причем в частных случаях импульс или масса могут обращаться в ноль. 2. Откуда возникает свойство «электрического заряда» у элементарных частиц? Ответ. Свойство электрического заряда просто присуще элементарным частицам. Современные гипотезы говорят, что это свойство появилось при рождении нашей Вселенной в результате процесса, называемого «большим взрывом».
3. Почему не может существовать отдельного магнитного заряда? Что такое монополь Дирака? Ответ. Современные опытные данные говорят о том, что магнитное поле всегда имеет вихревой характер, то есть линии магнитного поля всегда замкнуты, а, следовательно, в природе не существует магнитных зарядов. Существуют гипотезы, говорящие о том, что при очень больших энергиях характер поля может измениться, так что, возможно, существуют элементарные частицы, обладающие магнитным зарядом. К ним относится и монополь Дирака. Пока такие гипотезы не получили экспериментального подтверждения.
4. Почему гипотеза кварков не противоречит законам электродинамики? Ответ. В настоящее время правильнее говорить уже не о гипотезе кварков, а о теории, которая носит название квантовая хромодинамика и которая в достаточной мере подтверждена опытными данными. Она ни в коей мере не противоречит законам электродинамики. То, что заряды кварков дробные по отношению к заряду электрона не является фактом, противоречащим каким-либо положениям электродинамики. 5. Если магнитное поле - это эффект относительности движения, то почему мы можем его наблюдать? Ответ. Магнитное поле лишь одна из составляющих фундаментального электромагнитного поля. Другой составляющей является электрическое поле. При переходе от одной системе отсчета к другой, движущейся относительно первой, электрическая и магнитная составляющие преобразуются друг через друга. Можно показать, что в любой системе отсчета остается неизменной величина E^2 – c^2B^2, где E – напряженность электрического поля, а B – индукция магнитного поля. Если для какого-то конкретного случая эта величина положительная, то можно выбрать систему отсчета, в которой магнитного поля нет. Наоборот, если эта величина отрицательная, то можно выбрать систему отсчета, где нет электрического поля. Так что магнитное поле это не «эффект относительности движения». Относительность движения проявляется лишь в том, что магнитное поле изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. 6. Почему электромагнитные волны могут существовать отдельно от зарядов? Ответ. Самый простой ответ на этот вопрос – потому, что такова природа. Электромагнитные волны, как и любое электромагнитное поле, как показывает опыт, есть одна из форм существования материи. Электромагнитное поле порождается (генерируется) электрическими зарядами и, в свою очередь, воздействует на эти заряды. Эти процессы описываются уравнениями Максвелла, которые являются фундаментальными, что в данном случае означает, следующими только из опыта, уравнениями. 7. Почему при излучении электромагнитной волны сдвиг фаз между напряженностью электрического поля и индукцией магнитного поля меняется? Ответ. Правильнее сказать, что эти величины в бегущей электромагнитной волне колеблются синфазно. Строго это можно вывести из уравнений Максвелла, о которых говорилось в предыдущем ответе. Приводимые обычно в учебниках рассуждения о том, что изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля и наоборот, являются недостаточными. В стоячей электромагнитной волне (см. ответ на первый вопрос), для которой эти рассуждения также справедливы, электрическое и магнитное поле колеблются со сдвигом фаз p/2.

ПРОВЕРЬ СЕБЯ.

Изучив "Электродинамика" вы должны знать:

1. Законы и закономерности:

· закон сохранения электрического заряда;

· закон Кулона;

· принцип суперпозиции полей;

· Закон Ома для участка цепи и полной цепи постоянного тока;

· закон Джоуля-Ленца;

· закон электролиза;

· закон электромагнитной индукции;

· закон прямолинейного распространения света, отражения света и преломления света;

· принцип Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля.

2. Физические величины, их смысл и единицы измерения в СИ, способы их измерения и/или вычисления, связи между этими величинами:

электрический заряд;

напряженность электрического поля;

потенциал;

разность потенциалов, напряжение;

электрическая емкость;

диэлектрическая проницаемость;

вектор магнитной индукции;

магнитный поток;

индуктивность;

электродвижущая сила;

сила тока;

сопротивление;

удельное сопротивление;

электрохимический эквивалент вещества;

показатель преломления;

оптическая сила.

3. Понятия:

электризация;

электростатическое, стационарное, вихревое электрическое, магнитное, электромагнитное поле;

силовые линии;

эквипотенциальные поверхности;

сила Ампера;

сила Лоренца;

электромагнитная индукция;

самоиндукция;

отражение;

преломление;

полное внутреннее отражение;

дисперсия,

дифракция;

интерференция;

поляризация;

когерентность;

линза;

фокус, фокусное расстояние;

увеличение оптического прибора.

4. Устройство, назначение и принцип действия приборов:

· электрометр, электроскоп;

· амперметр;

· вольтметр;

· реостат, потенциометр;

· гальванический элемент;

· электродвигатель;

· генератор переменного тока;

· трансформатор;

· спектроскоп;

· линза.

Изучив тему "Электродинамика" Вы должны понимать:

1. Сущность представлений о электромагнитном поле и электромагнитной волне;

2. Сущность моделей точечного заряда, однородного поля; точечного и протяженного источников света, плоской волны.

3. Границы применимости законов геометрической оптики.

4. Смысл принципов близкодействия и суперпозиции.

Изучив тему "Электродинамика" вы должны уметь:

1. Описывать опыты

· лежащие в основе закона Кулона;

· лежащие в основе закона электромагнитной индукции Фарадея и правила Ленца;

· лежащие в основе закона электролиза;

· Эрстеда;

· Ампера;

· Герца;

· доказывающие, что свет - электромагнитная волна;

· Юнга и Френеля.

2. Измерять: силу тока, напряжение, сопротивление, мощность постоянного тока; эдс и внутреннее сопротивление источника тока; фокусное расстояние, оптическую силу и увеличение собирающей линзы; длину световой волны.

3. Представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков и выявлять эмпирические законо­мерности:

· силы тока от напряжения и сопротивления;

· силы и напряжения переменного тока от времени.

4. Описывать и объяснять

· существование двух видов (знаков) электрического заряда;

· электризацию тел при их контакте;

· связь магнитного поля с движением электрических зарядов;

· связь электрического поля с изменением магнитного поля;

· характер движения электрического заряда в однородных магнитном и электрическом полях;

· зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещения;

· представление о свете как волне;

· превращение энергии при протекании электрического тока по проводнику;

· превращение энергии при свободных

· колебания в колебательном контуре;

· превращение энергии при поглощении и излучении электромагнитных волн

5. Применять экспериментальные результаты для предсказания значения величин, характеризующих ход физических явлений:

· положение тела при его движении под действи­ем силы;

· удлинение пружины под действием подвешен­ного груза;

6. Вычислять:

· силу, действующую на электрический заряд в электрическом поле (при заданных значениях заряда и напряженности электрического поля);

· напряженность электрического поля, созданного несколькими точечными зарядами, используя принцип суперпозиции;

· работу по перемещению электрического заряда между двумя точками в электрическом поле (при заданных значениях заряда и разности потенциалов поля);

· напряженность однородного электрического поля по известной разности потенциалов между точками, отстоящими друг от друга на известном расстоянии;

· заряд и энергию конденсатора по известной электроемкости и напряжению на его обкладках;

· ЭДС источника тока, силу тока, напряжение и сопротивление в простейших электрических цепях;

· силу, действующую на движущийся электрический заряд или на проводник с током в магнитном поле;

· ЭДС индукции с помощью закона электромагнитной индукции;

· показатель преломления среды, используя закон преломления;

Дата добавления: 2015-11-04