Электромагнитная природа света

Электромагнитная природа света

Электромагнитная природа света

Электромагнитная природа света.

Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электромагнитные волны, подобно световым, являются поперечными и распространяются в вакууме со скоростью света. Исходя из того, что световые и электромагнитные волны обладают общими свойствами, Максвелл предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие физики подтвердило это предположение. Стало ясно, что видимый свет — это только небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 • 10-7 до 7,6 • 10-7 м или с частотами от 4,0 • 1014 до 8,0 • 1014 Гц

Оптический и видимый диапазоны электромагнитных волн.

1)Свет

2)Ультрафиолетовое излучение

3)Инфракрасное излучение

4)Рентген

5)γ-излучение

6)Микроволны

7)Радиоволны

Волновое уравнение.

Уравнение вида

называется волновым уравнением (точнее – это частный случай волнового уравнения для плоского поля), так как оно является математическим описанием волн.

Или

Волновое уравнение для одной оси координат:

– это любая из составляющих электрического вектора: ( , или ). Иными словами, это возмущение поля в какой-то точке пространства в какой-то момент времени . Тогда можно записать волновое уравнение в общем виде:

(1.3.5)

где – вторая производная возмущения по пространственным координатам,

– вторая производная возмущения по времени,

Смысл этого уравнения заключается в том, что волна образуется тогда, когда у некоторого возмущения вторая производная по пространственным координатам пропорциональна второй производной по времени.

Скорость света.

На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч.

Плоские и сферические волны.

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью.

· Если волновые поверхности – параллельные плоскости, то волна называется плоской;

· если волновые поверхности – концентрические сферы с центром в источнике волны, волна называется сферической.

Естественный и поляризованный свет.

Свет, испускаемый обычными источниками – солнцем, пламенем, электрической лампочкой и др. – является неполяризованным и называется естественным светом.

Естественный свет можно рассматривать как совокупность линейно- поляризованных волн со всеми возможными направлениями колебаний вектора Е, причем амплитуда этих векторов одинакова во всех направлениях, так что концы их лежат на окружности:

Этот свет полностью неполяризован, и по своим поляризационым свойствам существенно отличается и от линейно-поляризованного и от циркулярно- поляризованного света.

Естественный свет — совокупность электромагнитных волн (цугов) со всевозможными равновероятными направлениями световых векторов (Е), перпендикулярных направлению распространения света.

Частично поляризованный свет представляет собой совокупность линейно- поляризованного и естественного света Его можно рассматривать также как совокупность линейно — поляризованных волн с различными направлениями колебаний вектора Е, но амплитуда его не одинакова в различных направлениях, поэтому концы этих векторов лежат не на окружности ( как у естественного света ), а на эллипсе.

Форма эллипса может быть разной: от почти круговой (такой свет по своим свойствам близок к естественному), до сильно вытянутой (такой свет уже близок к линейно-поляризованному). Поэтому для более точной характеристики частично поляризованного света вводится специальный безразмерный параметр: степень поляризации p , который может принимать значения от нуля до единицы:

0 – естественный свет (неполяризованный): Imax = Imin

1 – линейно поляризованный свет , Imin = 0.

< 1 – частично поляризованный свет

Здесь Imax и Imin — интенсивности линейно поляризованных волн вдоль большой и малой осей эллипса

Дисперсия света.

Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от частоты ν падающего на вещество света. Дисперсия также определяется как зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты.

Угол Брюстера.

Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера[1]. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

Закон Брюстера записывается в виде:

где — показатель преломления второй среды относительно первой, а — угол падения (угол Брюстера).

Волоконная оптика.

Это область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. Волоконный световод – это длинная тонкая нить, как правило, из стекла, имеющая сложную внутреннюю структуру.

В простейшем случае световод состоит из сердцевины с показателем преломления n1, оболочки с показателем преломления n2 (при этом n1 > n2) и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, обеспечивающую распространение излучения, а внешнее покрытие (полимерное, металлическое и пр.

) предохраняет световод от внешних воздействий.

Распространение света в волоконных световодах основано на явлении полного внутреннего отражения. Это явление наблюдается при переходе излучения из среды с большим показателем преломления (n1) в среду с меньшим показателем (n2).

При углах падения меньше критического угла с, где с – угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, происходит преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса (луч 1). При углах падения > снаблюдается полное внутреннее отражение (лучи 2 и 3).

Критический угол сопределяется соотношением sin с = n2/n1.

Искусственная анизотропия.

Экспериментально установлено, что оптически изотропные вещества становятся анизотропными, если они подвергаются механическим напряжениям (Д. Брюстер, 1816), помещаются в электрическое (Д.

Керр, 1816) или магнитное (Э. Коттон и А. Мутон, 1905) поле.

В результате вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает соответственно с направлениями деформации, электрического или магнитного полей.

Мера возникающей оптической анизотропии во всех случаях – это разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

none = k1σ (в случае деформации);

none = k2Е2вн (в случае электрического поля);

none = k3Н2вн (в случае магнитного поля),

где k1, k2, k3 – постоянные, зависящие от свойств вещества; σ = F/S – напряжение, вызвавшее деформацию; и – напряженности электрического и магнитного полей. Разность none может принимать как положительные, так и отрицательные значения, она также зависит от длины волны света.

Разность хода.

(4.13)

D-есть величина, равная разности оптических длин проходимых волнами путей и называемая оптической разностью хода.

Для воздуха n=1 L=1м

Для воды n=1.33 L=1.33м

Для стекла n=1.5 L=1.5м

Схема опыта Юнга

Прошедший через отверстие свет вследствие дифракции образует расходящийся пучок, который падает на второй экран B с двумя малыми отверстиями S 1 и S 2, расположенными близко друг к другу на равных расстояниях от S.

Эти отверстия действуют как вторичные точечные синфазные источники, и исходящие от них волны, перекрываясь, создают интерференционную картину, наблюдаемую на удаленном экране C.

Положение светлых и темных полос в ней можно находить, пользуясь монохроматической идеализацией. Расстояние между соседними полосами равно

Бипризма Френеля, представляющая собой две призмы, соединенные основаниями, формирует два мнимых источника. Преломляющий угол обеих половин одинаков и (у бипризмы хорошего качества) чрезвычайно мал: ребро ее отличается от 180° на единицы угловых минут.

В данном интерференционном опыте, также предложенном Френелем, для разделения исходной световой волны на две используют призму с углом при вершине, близким к 180. Источником света служит ярко освещенная узкая щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы (см. рисунок).

Бипризма Френеля

Можно считать, что здесь образуются два близких мнимых изображения S1 и S 2 источника S, так как каждая половина бипризмы отклоняет лучи на небольшой угол (n-1)S.

Просветление оптики.

Просветле́ние о́птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких слоев плёнок один поверх другого.

Это позволяет увеличить светопропускание оптической системы и повысить контраст изображения за счет подавления бликов.

Величины показателей преломления чередуются по величине и подбираются таким образом, чтобы за счет интерференции уменьшить (или совсем устранить) нежелательное отражение.

Принцип Гюйгенса-Френеля.

Принцип Гюйгенса—Френеля:возмущение в любой точке пространства является результатом интерференции когерентных вторичных волн, излучаемых каждой точкой фронта волны.

Зона Френеля— множество когерентных источников вторичных волн, максимальная разность хода между которыми (для определенного направления распространения) равна Х/2.

Дифракция Френеля.

Дифра́кция Френе́ля — дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад в интерференционную картину дают границы экрана.

Дифракционная картина для дифракции Френеля зависит от расстояния между экранами и от расположения источников света. Её можно рассчитать, считая, что каждая точка на границе апертуры излучает сферическую волну по принципу Гюйгенса. В точках наблюдения на втором экране волны или усиливают друг друга, или гасятся в зависимости от разности хода.

Дифракция Фраунгофера.

Дифракция Фраунгофера — случай дифракции, при котором дифракционная картина наблюдается на значительном расстоянии от отверстия или преграды.

Расстояние должно быть таким, чтобы можно было пренебречь в выражении для разности фаз членами порядка , что сильно упрощает теоретическое рассмотрение явления.

Здесь — расстояние от отверстия или преграды до плоскости наблюдения, — длина волны излучения, а — радиальная координата рассматриваемой точки в плоскости наблюдения в полярной системе координат.

Иными словами, дифракция Фраунгофера наблюдается тогда, когда число зон Френеля , при этом приходящие в точку волны являются практически плоскими. При наблюдении данного вида дифракции изображение объекта не искажается и меняет только размер и положение в пространстве. В противоположность этому, при дифракции Френеляизображение меняет также свою форму и существенно искажается.

Дифракционная решётка.

Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

Виды решёток

· Отражательные: Штрихи нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется в отражённом свете

· Прозрачные: Штрихи нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде щелей на непрозрачном экране), наблюдение ведется в проходящем свете.

Расстояние, через которое повторяются штрихи на решётке, называют периодом дифракционной решётки. Обозначают буквой d.

Если известно число штрихов ( ), приходящихся на 1 мм решётки, то период решётки находят по формуле: мм.

Условия интерференционных максимумов дифракционной решётки, наблюдаемых под определёнными углами, имеют вид:

где

— период решётки,

— угол максимума данного цвета,

— порядок максимума, то есть порядковый номер максимума, отсчитанный от центра картинки,

— длина волны.

Если же свет падает на решётку под углом , то:

Одной из характеристик дифракционной решётки является угловая дисперсия. Предположим, что максимум какого-либо порядка наблюдается под углом φ для длины волны λ и под углом φ+Δφ — для длины волны λ+Δλ. Угловой дисперсией решётки называется отношение D=Δφ/Δλ. Выражение для D можно получить если продифференцировать формулу дифракционной решётки

Таким образом, угловая дисперсия увеличивается с уменьшением периода решётки d и возрастанием порядка спектра k.

Тонкая линза.

Тонкая линза — линза, когда толщина самой линзы d (расстояние между наружныим точками сфер) мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей d

Источник: https://zdamsam.ru/a4713.html

Электромагнитная природа света. урок. Физика 9 Класс

Электромагнитная природа света

Пришла пора поговорить об электромагнитной природе света. Мы неоднократно слышали слово «свет», но вот определение того, что же это такое, мы до сих пор не вводили в курсе физики. Светом называется электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения.

Хотелось бы заметить, что в этом определении все связано именно с человеческим ощущением, человеческим глазом. Вообще, люди давно задумывались о том, что такое свет. И Пифагор, и Аристотель, и другие древние ученые серьезно подходили к этому вопросу и выдвигали свои теории. Но две основные теории, о которых мы обязаны сегодня поговорить, сложились в конце  и начале 18 века.

Создателем первой теории, корпускулярной, является Исаак Ньютон. А родоначальником второй теории, волновой, является голландский ученый Христиан Гюйгенс.

В итоге развития обеих теорий, свет, стали рассматривать, как объект, обладающий двумя свойствами. И свойствами частиц (корпускул, от латинского слова «корпускулы» – частицы), и свойствами волны.

Волновая теория и корпускулярная теория успешно объясняли некоторые оптические явления: прямолинейное распространение света, преломление света, отражение света, т.е. те самые законы, о которых мы говорили в 8 классе.

Объяснение этих явлений, как выяснилось, может быть двойным. В итоге, эти две теории просуществовали довольно долго с переменным успехом.

И ученые никак не могли определиться, что же такое свет —  волна или поток частиц? Точку в этом исследовании, в этих теориях удалось поставить только в середине 19 века. Но все началось в 17 веке.

Итак, посмотрим на этапы познания того, что же такое свет:

1. Датский астроном Олаф Рёмер в 1676 г провел эксперимент по определению скорости света. Этот эксперимент был связан с тем, как определяется скорость света при затмении спутника Юпитера Ио. Результат, который получил Рёмер в своих опытах, составил 285000 .

Рис. 1. Схема опыта Ремера по определению скорости света

2. В 1848 г. французский физик Физо провел эксперимент из которого следовало, что скорость распространения света в вакууме составляет 313000 .

Однако эти опыты не могли подтвердить, что же такое свет – волна или частица.

3. В 1852 г. английский ученый Максвелл определил скорость распространения электромагнитных волн теоретически. Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн составляет 300000.

Как только Максвелл получил значение этой скорости, естественно, он попытался выяснить, а есть ли такие объекты, которые обладают такой скоростью. В результате стало понятно, что такой объект есть и это, конечно, свет.

То есть опыты Рёмера и Физо привели к тому, что в сочетании с результатами, полученными Максвеллом, стало ясно, что скорость распространения электромагнитных волн является не чем иным, как скоростью света.

И теперь, конечно, остается сделать последний вывод – это то, что свет является не чем иным, как электромагнитной волной.

Казалось бы, после всех этих экспериментов, после всех этих выводов можно было оставить споры о том, что такое свет, и прийти к тому единственному решению, что свет – это электромагнитная волна. Однако хотелось бы отметить, что в дальнейшем, в самом конце 19 века были открыты явления, которые доказывали, что свет все-таки обладает свойствами частиц.

На сегодняшний день считается следующее: свет имеет двойную природу. Он одновременно и волна, и частица. Тогда, когда свет распространяется, т.е. от источника до наблюдателя, он ведет себя как волна.

А тогда, когда он взаимодействует с поверхностью, с веществом или тогда, когда он рождается, при рождении света, он ведет себя как частица. Поток специальных частиц, которые составляют свет называется потоком фотонов.

Одна частица, соответственно, – фотон.

Во время борьбы двух теорий, волновой и корпускулярной, естественно, каждый из апологетов той или иной теории искал определенную опору в опытах. Что касается волновой теории, очень важное значение получило явление, которое было открыто Томасом Юнгом в 1802 г., и называется это явление интерференцией.

Это наложение двух когерентных волн, в результате которого образуется устойчивая картина из максимумов и минимумов. Надо сказать, что интерференция света представляет собой достаточно известную всем картину – это когда чередуются светлые и темные световые полоски.

Вам всем известна интерференция в тонких пленках, — когда мы наблюдаем мыльный пузырь в солнечном свете, то видим, как он переливается разноцветными цветами. Это и есть проявление интерференции света.

Рис. 2. Интерференция в мыльном пузыре

То же самое происходит летним днем, когда мы наблюдаем поверхность лужи, то можем видеть в тонкой пленке такое же разноцветное чередование полос. Интерференция – это явление волновое, поэтому после опытов Т. Юнга стало ясно, что свет является по большей части, видимо, волной, т.е. это явление доказывало, что свет – это волна.

В заключение сегодняшнего урока хотелось бы отметить, что свет, который воспринимается человеческим глазом, – это очень небольшой участок шкалы электромагнитных волн.

Список дополнительной литературы:

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 502-503.

Васильев А. Два бургомистра //Квант. — 2003. — № 3. — С. 15-16. Гордюнин С. А. Принцип Гюйгенса //Квант. — 1988. — № 11. — С. 54-56. Яворский Б.М., Пинский А.А., Основы физики, т.2., М. Физматлит., 2003 Элементарный учебник физики.   Под ред. Г.С. Ландсберга, Т. 3. М.

, 1974

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/elektromagnitnye-yavleniya/elektromagnitnaya-priroda-sveta-2

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Определение 1

Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.

Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.

Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:

$A_1 cos {\omega t + \alpha 1}, A_2 cos {\omega t + \alpha 2}$

В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:

$A2 = A_{1}{2} + A_{2}{2} + 2A_1 a_2 cos {\sigma}$, где $\sigma = \alpha_2 — \alpha_1$

Определение 2

Если разность фаз $\sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.

Интерференция световых волн

Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.

Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд.

За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения.

Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.

Оптическая длина пути

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$.

До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$.

В точке $O$ фаза колебаний равна $\omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos{\omega \left(t) \frac{S_1}{V_1}+ \alpha_1 \right) }$.

Вторая волна создает колебание: $A_2 cos{\omega \left(t) \frac{S_2}{V_2}+ \alpha_2 \right) }$, где

  • $V_1 = \frac{c}{n_1} $
  • $V_2 = \frac{c}{n_2} $ — это фазовая скорость первой и второй волны.

Определение 3

Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $\delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $\delta = m \lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $\sigma = 2m \pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе.

Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $\delta = (2m +1)\frac {\lambda_0 }{2}$, то $\sigma = (2m+1) \pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.

В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл.

Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света.

Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).

Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnitnaya_priroda_sveta/

Booksm
Добавить комментарий