Прямолинейное распространение света. Скорость света и ее измерение.

ОПТИКА

Прямолинейное распространение света. Скорость света и ее измерение.

Законы отражения света. Построение изображений в плоском зеркале.

Законы преломления света. Абсолютный и относительный показатели преломления. Полное внутреннее отражение.

Линза. Оптическая сила линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображений с помощью тонкой линзы.

Интерференция света и ее практическое применение.

Дифракция света. Дифракционная решетка и ее использование для измерения длины световой волны.

Дисперсия света.

Поляризация света.

 

Прямолинейное распространение света. Скорость света и ее измерение.

Оптикой называется раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн.

Направление распространения световой волны указывает световой луч, который в однородной среде перпендикулярен волновой поверхности.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно – закон прямолинейного распространения света. Одно из доказательств это­го — образование тени и полутени за препятствием.

Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Дат­ский ученый Олаф Ремер (1644—1710) в 1676 г. обнару­жил, что при изменении рас­стояния между Землей и плане­той Юпитер вследствие их обра­щения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появ­ления спутника Юпитера Ио из его тени.В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спут­ник Ио появляется из-за Юпи­тера на 22 мин позже, чем это должно произойти по рас­четам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, — следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной кажущегося за­паздывания появления спутника Юпитера при увеличении рас­стояния между Землей и Юпи­тером является конечность ско­рости распространения света. При перемещении Земли на про­тивоположную сторону ее орбиты расстояние между Землей и Юпитером увеличивалось на диаметр земной орбиты, т. е. на 300 млн. км. Разделив это рас­стояние на кажущееся время запаздывания, Ремер нашел, что скорость света превышает 200 000 км/с.

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить фран­цузскому физику И. Φ изо в 1849 г.

 

В опыте Физо свет от источника фокусировался линзой и падал на полупрозрачную пластинку А. После отраже­ния от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала D, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8, 6 км и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лаборатор­ных методов измерения скорости света. В частности, американ­ский физик Майкельсон разработал совершенный метод измере­ния скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

По современным данным, скорость света в вакууме равна

с = 299 792 458 (1, 2) м/с [1]

Для задач.

1) Ход световых лучей в плоскопараллельной пластинке.

После прохождения через плоскопаралле ную пластинку лучи выходят под тем же углом, под которым они на нее падают. При этом плас­тинка смещает луч света параллельно ему самомт на расстояние h:

2) Изображение точки в призме — мнимое, сме­щенное в сторону преломляющего угла (φ ) призмы.

Ход лучей в призме.

Призма пред­ставляет собой прозрачное тело, ограниченное с двух сторон плос­кими поверхностями, образующимимежду собой угол φ , называемый преломляющим углом призмы. В призме световой луч дважды испытывает преломление па преломляющих гранях и изменяет свое направление. Угол δ откло­нения луча призмой определяется формулой ,

где — угол падения на первую грань, — угол преломления на вто­рой грани, φ — преломляющий угол призмы. Из геометрических сооб­ражений следует, что . Минимальный угол отклонения падающего луча наблюдается при условии и . Он опреде­ляется соотношением где n — показатель преломления ма­териала призмы по отношению к окру­жающей среде.

Луч света после преломления на гранях при­змы отклоняется к основанию призмы, если

Если , то луч отклоняется от основа­ния, а мнимое изображение смещается к основанию.

Применение интерференции

Применения интерференции очень важны и обширны.

Существуют специальные приборы — интерферометры, дейст­вие которых основано на явлении интерференции. Назначение их может быть различным: точное измерение длин световых волн, измерение показателя преломления газов и других веществ. Имеются интерферометры специального назначения.

Проверка качества обработки поверхностей . С помощью ин­терференции можно оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины волны, т.е. с точностью до 10^{-6 см. Для этого нужно создать тонкую клиновидную про­слойку воздуха между поверхностью образца и очень гладкой эталонной пластиной. Тогда неровности поверхности до 10-6 см вызовут заметные искривления интерференционных полос, об­разующихся при отражении света от проверяемой поверхности и нижней грани эталонной пластины.}

Просветление оптики. Объективы современных фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и различные дру­гие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол — линз, призм и др. Проходя через такие устройства, свет отражается от многих поверхностей. Число отражающих поверх­ностей в современных фотообъективах превышает 10, а в периско­пах подводных лодок доходит до 40. При падении света перпен­дикулярно поверхности от нее отражается 5-9% всей энергии. Поэтому сквозь прибор часто проходит всего 10-20% поступаю­щего в него света. В результате этого освещенность изображения получается малой. Кроме того, ухудшается качество изображения. Часть светового пучка после многократного отражения от внутрен­них поверхностей все же проходит через оптический прибор, но рассеивается и уже не участвует в создании четкого изображения. На фотографических изображениях, например, по этой причине образуется «вуаль».

Для устранения этих неприятных последствий отражения света от поверхности оптических стекол надо уменьшить долю отражаемой энергии света. Даваемое прибором изображение де­лается при этом ярче, «просветляется». Отсюда и происходит термин просветление оптики.

Просветление оптики основано на интерференции. На поверх­ность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления n_п, меньшим показателя преломления стекла n_с. Для простоты рассмотрим случай нормального падения света на пленку.

Разность хода световых волн 1 и 2, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной тол­щине пленки 2h. Длина волны λ _п в пленке меньше длины волны λ в вакууме в n_п раз:

Для того чтобы волны 1 и 2 ослаб­ляли друг друга, разность хода должна равняться половине длины волны в пленке:

Если амплитуды обеих отраженных волн одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы до­биться этого, подбирают соответственным образом показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух гра­ничащих сред.

На линзу при обычных условиях падает белый свет. Выраже­ние показывает, что требуемая толщина пленки зависит от длины волны. Поэтому осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном падении имело место для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λ _з=5, 5·10^{-5 см); она должна быть равна четверти длины волны в пленке:}

Отражение света крайних участков спектра – красного и фио­летового – ослабляется незначительно. Поэтому объектив с про­светленной оптикой в отраженном свете имеет сиреневый оттенок.

Для задач:

1. Расстояние между интерференционными полосами на экране, расположенном параллельно двум когерент­ным источникам света, равно:

где λ — длина волны света, L — расстояние от экрана до источников света, отстоящих друг от друга на рас­стоянии d при этом L > > d.

 

2. Результат интерференции света в плоскопараллель­ных пластинках (в проходящем свете) определяется формулами:

усиление света (k = 0, 1, 2, ...),

ослабление света (k = 0, 1, 2, ...),

где h — толщина пластинки, n — показатель преломле­ния, r — угол преломления, λ — длина волны света.

В отражённом свете условия усиления и ослабления света обратны условиям в проходящем свете.

 

3. Радиусы светлых колец Ньютона (в проходящем све­те) определяются формулой: (k = 0, 1, 2, ...),

радиусы темных колец: (k = 0, 1, 2, ...),

где R— радиус кривизны линзы.

В отраженном свете расположение светлых и тем­ных колец обратно их расположению в проходящем свете.

 

Дисперсия света.

Дисперсией света называется зависимость абсолютного показателя преломления n от частоты ν падающего на данное вещество света (элек­тромагнитной волны): . Из определения скорости света о в веществе ( ) следует, что также зависит от частоты .

Согласно атомистическому представлению о строении вещества дисперсия света возникает в результате вынужденных колебаний заряженных частиц, входящих в состав атомов и молекул (электро­нов и ионов), под действием электромагнитной волны светового излу­чения. Классическая теория Лоренца (1880—1909) исходит из представ­ления о колеблющихся системах — атомах и молекулах, — подчиня­ющихся законам Ньютона и классической электродинамики. На излу­чение и поглощение света в оптической части спектра влияние оказывают практически только электроны периферийной области ато­мов (электроны внешних оболочек атомов), называемые оптическими эктронами. Электроны внутренних оболочек атомов имеют очень высокие собственные частоты колебаний. Поэтому их колебания полем световой волны практически не возбуждаются.

При прохождении через призму немонохроматического белого све­та на экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоса, состоящая из семи монохроматических составляющих и их полутонов. Эта полоса называется дисперсионным спектром. Этот спектр условно делят на следующие семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеле­ный, голубой, синий, фиолетовый.

Каждому цвету соответствует определенный диапазон длин волн:

Цвет	Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Синий, голубой	Фиолетовый
λ, нм	770—630	630—590	590—570	570—495	495—435	435—390

 

Смена цвета происходит непрерывно. Смесь всех семи цветов дает белый цвет. Если из полного спектра исключить один из цветов, то комбина­ция оставшихся цветов приводит к цветам, которые называются допол­нительными. Дополнительные цвета— это цвета спектра, дополняющие один другого до белого:

Исключенный цвет	Красный	Оранжевый	Желтый	Желто-зеленый	Зеленый
Цвет остатка	Голубовато- зеленый	Голубой	Синий	Фиолетовый	Пурпурный

 

Исключенный цвет	Голубовато- зеленый	Голубой	Фиолетовый	Индиго
Цвет остатка	Красный	Оранжевый	Желто-зеленый	Желтый

На практике их можно получить с помощью подобранных соот­ветствующим образом цветных стекол.

 

Поляризация света.

Поляризацией света называют совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности электромагнитных волн видимой (оптической) части спектра. Волна называется поляризованной, если в ней существует выделенное на­правление колебаний. Различают не­сколько видов поляризации: 1) ли­нейная или плоская поляризация; 2) круговая или циркулярная поляри­зация; 3) эллиптическая поляризация.

Поляризация возможна только у поперечных волн. Плоская световая волна называется линейно поляризованной, если ее электрический вектор все время лежит в одной плоскости, в которой расположена нормаль к фронту волны (рис.). Плоскость, проходящая через два вектора и , называется плоскостью поляризации. За направле­ние поляризации световой волны принято направление вектора напря­женности магнитного поля , а за направление колебаний — направ­ление колебаний вектора напряженности электрического поля . Есте­ственный свет неполяризован, так как он излучается атомами, ориен­тированными в пространстве произвольным образом. В нем векторы , и в каждый момент времени взаимно перпендикулярны, но направление векторов и изменяется со временем произвольно.

Устройства, с помощью которых естественный свет можно преоб­разовать в поляризованный, называют поляризаторами. Простейшим поляризатором является пластинка турмалина, вырезанная парал­лельно его кристаллографической (оптической) оси. Турмалин сильно поглощает световые лучи, в которых вектор электрической напря­женности перпендикулярен оптической оси. Если вектор паралле­лен этой оси, то соответствующие лучи проходят через турмалин прак­тически без поглощения. Поэтому свет, прошедший через такую пла­стинку, становится линейно поляризованным с вектором , параллель­ным оптической оси турмалина.

Световые лучи, проходя через границу раздела двух сред е разны­ми показателями преломления и , испытывают отражение и пре­ломление. Отраженный и пре­ломленный лучи оказываются час­тично линейно поляризованными. В отраженном световом луче ко­лебания происходят преимущест­венно перпендикулярно плоскос­ти падения, а в преломленном — в плоскости падения (рис). Существует такой угол паде­ния , называемый углом Брюстера, при котором отраженный, свет оказывается полностью ли­нейно поляризованным. Это яв­ление называется законом Брюстера (1815). Угол Брюстера определяется соотношением: ,

где — показатель преломления среды, в которой распростра­няется преломленный свет, относительно среды, в которой распростра­няется падающий свет. При угле Брюстера отраженный и прелом­ленный β лучи образуют прямой угол: .

Отражение под углом Брюстера представляет собой самый простой способ получения поляризованного света. Отраженный свет линейно поляризован так, что колебания его волны происходят в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Недостатком этого способа полу­чения поляризованного света является малая интенсивность отражен­ных лучей.Числовые значения угла Брюстера: 83°40' для воды и 56°19' дли стекла.

ОПТИКА

Прямолинейное распространение света. Скорость света и ее измерение.

Законы отражения света. Построение изображений в плоском зеркале.

Законы преломления света. Абсолютный и относительный показатели преломления. Полное внутреннее отражение.

Линза. Оптическая сила линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображений с помощью тонкой линзы.

Интерференция света и ее практическое применение.

Дифракция света. Дифракционная решетка и ее использование для измерения длины световой волны.

Дисперсия света.

Поляризация света.

 

Прямолинейное распространение света. Скорость света и ее измерение.

Оптикой называется раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн.

Направление распространения световой волны указывает световой луч, который в однородной среде перпендикулярен волновой поверхности.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно – закон прямолинейного распространения света. Одно из доказательств это­го — образование тени и полутени за препятствием.

Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Дат­ский ученый Олаф Ремер (1644—1710) в 1676 г. обнару­жил, что при изменении рас­стояния между Землей и плане­той Юпитер вследствие их обра­щения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появ­ления спутника Юпитера Ио из его тени.В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спут­ник Ио появляется из-за Юпи­тера на 22 мин позже, чем это должно произойти по рас­четам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, — следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной кажущегося за­паздывания появления спутника Юпитера при увеличении рас­стояния между Землей и Юпи­тером является конечность ско­рости распространения света. При перемещении Земли на про­тивоположную сторону ее орбиты расстояние между Землей и Юпитером увеличивалось на диаметр земной орбиты, т. е. на 300 млн. км. Разделив это рас­стояние на кажущееся время запаздывания, Ремер нашел, что скорость света превышает 200 000 км/с.

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить фран­цузскому физику И. Φ изо в 1849 г.

 

В опыте Физо свет от источника фокусировался линзой и падал на полупрозрачную пластинку А. После отраже­ния от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала D, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. В чем же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8, 6 км и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лаборатор­ных методов измерения скорости света. В частности, американ­ский физик Майкельсон разработал совершенный метод измере­ния скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных веществах. Скорость света в воде была измерена в 1856 г. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

По современным данным, скорость света в вакууме равна

с = 299 792 458 (1, 2) м/с [1]

123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. БИЛЕТ 25. Феноменология поглощения и дисперсии света.
2. В данном порядке главного дифракционного максимума наибольший угол дифракции будет у света с большей длиной волны в вакууме, то есть красный свет будет дифрагировать сильнее, чем фиолетовый.
3. В каком из перечисленных случаев в светлое время суток требуется включение ближнего света фар для обозначения транспортного средства?
4. В конце перехода есть точка Света. Этот свет теплый и мерцающий. Он внушает уверенность и манит.
5. Великие славянские просветители Кирилл и Мефодий. Распространение славянской письменности.
6. Влияние Интернета на формирование и распространение общественного мнения
7. Давление света. Эффект Комптона
8. Дифракция и поляризация света
9. Дифракция света. Дифракционная решетка и ее использование для измерения длины световой волны.
10. Естественное и искусственное освещение в композиции объектов озеленения. Источники света, светильники.
11. Законы отражения и преломления света. Полное отражение света. Линза. Формула тонкой линзы. Оптические приборы. Оптические кабели на ж/д.
12. Законы отражения света. Построение изображений в плоском зеркале.