Курс лекций по общей физике
Курс лекций по общей физике Оптика и квантовая физика
Оптика как раздел физики, изучающий свойства и физическую Оптика природу света, а также законы его распространения и взаимодействия с веществом Волновая оптика физическая оптика изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света – интерференция, дифракция, поляризация и др. Квантовая оптика изучает явления, в которых проявляются корпускулярные свойства света, а также взаимодействие света с веществом, в основе – понятие фотона, как кванта ЭМ излучения Фотометрия рассматривает энергетические характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом Геометрическая (лучевая) оптика в основе – представление о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии Оптика двужущихся сред Экспериментальные основы специальной теории относительности
Свет – электромагнитная волна ЭМ волна поперечная ! В любой точке векторы напряженности ЭП Е, магнитной индукции В и скорости распространения волны υ ┴ между собой, образуя ε 0 = 8, 85419· 10– 12 Ф/м правовинтовую систему μ 0 = 1, 25664· 10– 6 Гн/м Скорость ЭМ волн в среде показатель преломления среды Скорость ЭМ волн в вакууме n показывает, во сколько раз скорость света в среде вакуум: МЕНЬШЕ, чем в вакууме другие С =299 792 456, 2 1, 1 м/с среды: Ивенсон, США (1972)
Шкала электромагнитных волн Границы между ! различными диапазонами условны Видимый диапазон λф ≈ 380 нм λк ≈ 760 нм
Диапазоны электромагнитных волн Диапазон Длина волны λ, нм Еф, э. В - излучение <0, 0012 >106 Рентгеновское излучение 0, 0012… 12 100… 106 Ультрафиолетовое излучение 12… 380 3, 2… 100 Видимое излучение 380… 760 1, 6… 3, 2 Инфракрасное излучение 760… 106 1, 2∙ 10 -3… 1, 6 Радиоволны >106 <1, 2∙ 10 -3
Спектр видимого излучения распределение интенсивности ЭМ волн Спектр по длинам или частотам Монохроматическая волна, имеющая постоянную волна амплитуду и постоянную частоту Цвет Длина волны λ, нм Каждый Красный 620… 760 Охотник Оранжевый 590… 620 Желает Желтый 560… 590 Знать Зеленый 500… 590 Где Голубой 480… 500 Сидит Синий 450… 480 Фазан Фиолетовый 380… 450
Кривая видности
Источники света Светящиеся раскаленные твердые и жидкие тела излучение за счет тепловой энергии лампы накаливания, расплавленный металл Светящиеся разряженные газы излучение за счет возбуждения электронами ртутная лампа Светящиеся разряженные газы излучение за счет разного рода люминесценции – катодолюминесценция, химическая, механическая люминесцентные лампы Лазеры источники когерентного монохроматического излучения Основные спектральный состав излучения характеристики световая отдача ИСТОЧНИКОВ света яркость источника
Приемники света регистрируют энергию светового излучения приемники, использующие фотоэлектрические явления фотоумножитель, фотодиод, фоторезистор приемники, использующие фотохимические явления фотобумага, фотопленка приемники, использующие люминесценцию экраны, светящиеся под действием света приемники, использующие термоэлектрические явления термопары, термостолбики человеческий глаз Основные принимаемый спектр характеристики инерционность ПРИЕМНИКОВ света интегральная чувствительность
Геометрическая Определение Эффект Фотометрия оптика скорости света Доплера Волновые свойства Корпускулярные свойства Интерференция Давление света Дифракция Фотоэффект Поляризация Эффект Комптона Взаимодействие Рентгеновское Тепловое ЭМ волн с веществом излучение Элементы квантовой физики
Фотометрия Раздел оптики, рассматривающий характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом
Фотометрия характеризуют энергетические Энергетические параметры безотносительно величины к его действию на приемники излучения объективные не зависящие от частоты характеризуют физиологическое Световые действие света, оцениваемое величины по воздействию на глаз и другие селективные приемники света субъективные с учетом спектральной чувствительности
Энергетические величины энергия, проходящая Поток за единицу времени изучения через выбранную площадку Энергетическая поток излучения, сила света распространяющийся внутри единичного Сила излучения телесного угла dΩ Понятие силы излучения относится только к точечному источнику света если его размеры малы по Точечный сравнению с расстоянием ватт на стерадиан источник до наблюдателя
Энергетические величины Энергетическая величина, равная отношению яркость энергетической силы света элемента излучающей Лучистость поверхности к площади характеризует источник Энергетическая поток излучения, освещенность приходящийся на единицу площади Облученность характеризует приемник поток излучения, Энергетическая исходящий с единицы светимость площади характеризует источник
Эталон силы света В основе – эталон силы света – КАНДЕЛА cd, кд равна силе света, излучаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой Кандела 540∙ 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср выбранная частота соответствует зеленому цвету Кандела от лат. candela — свеча сила света, излучаемого абсолютно чёрным телом Свеча нормально ( ) к поверхности площадью 1/60 см² (до 1967 г. ) при температуре плавления платины (2042, 5 К) В современном определении коэффициент 1/683 выбран т. о. , чтобы новое определение соответствовало старому Сила света типовых источников Источник Мощность, Вт Примерная сила света, кд Свеча 1 Лампа накаливания 100 Обычный светодиод 0, 015… 0, 1 0, 005… 3 Сверхяркий светодиод 1 25… 500 Люминесцентная лампа 20 100 Солнце 3, 9∙ 1026 3∙ 1027
Световые величины величина равная отношению Сила светового потока света к телесному углу, в котором распределен этот поток кандела мощность оптического излучения Световой по вызываемому им световому ощущению поток (по его действию на селективный приемник света с заданной спектральной чувствительностью) люмен 1 лм=1 кд∙ср 1 лм – световой поток, излучаемый точечным источником света силой света 1 кд внутри телесного угла 1 ср
Световые величины величина, равная отношению светового потока, излучаемого Светимость поверхностью источника, к площади этой поверхности Яркость величина, равная отношению силы света в данном направлении к площади, данному направлению Освещенность величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности показывает, насколько сильно люкс освещена поверхность Освещенность равна 1 лк, если поверхностная плотность светового потока в 1 лм равномерно распределена по площади S=1 м 2
Сопоставление световых и энергетических величин Энергетические Световые Поток излучения, Ф Световой поток, Вт лм Энергетическая сила света I Сила света, (сила излучения), кд Вт/ср Энергетическая яркость В Яркость, (лучистость), кд/м 2 Вт/ср м 2 Энергетическая освещенность Е Освещенность, (облученность), лк Вт/м 2 R Светимость, Энергетическая светимость, лк Вт/м 2
Энергетические и световые величины Поток излучения в 0, 0016 Вт при λ=555 нм вызывает световое ощущение в 1 Лм Переход от энергетических фотометрических величин к световым и обратно: 1 Лм = 555 нм 0, 0016 Вт 1 Вт = 555 нм 683 Лм 1 Лм ≠ 555 нм 0, 0016/V Вт 1 Вт ≠ 555 нм 683·V Лм
Интерференция света
Интерференция света От лат. inter – взаимно, между собой и ferio – ударяю, поражаю — взаимоподавление одновременно осуществляющихся процессов Частный случай общего явления интерференции волн Явление пространственного перераспределения энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн Проявляется во взаимном усилении световых волн в одних точках пространства и ослаблении – в других Наблюдается устойчивая картина чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света
Условия наблюдения интерференции Необходимое Когерентность согласованное протекание условие волн во времени и пространстве нескольких волновых процессов 1. монохроматичность волн У двух разных источников света никогда НЕ сохраняется постоянная разность фаз волн 2. постоянство разности фаз 3. параллельность световых векторов их лучи НЕ интерферируют При суперпозиции (наложении) таких волн Интерференцию можно наблюдать также при разделении первоначального и наблюдается луча света на два луча интерференционная картина
Принцип суперпозиции В основе Принцип наложения Принцип интерференции электрических и магнитных суперпозиции лежит полей без их искажения S 1, S 2 – источники света S 1 I 1, I 2 – интенсивности n 1 r 1 I 1 световых волн A n 2 r 2 r 1, r 2 – геометрическая I 2 длина пути S 2 n 1, n 2 – показатели преломления сред экран n 1 r 1 – оптическая длина пути – оптическая разность = n 2 r 2 - n 1 r 1 хода
Способы получения когерентных волн 1816 г. Опыт Юнга Ширмы с отверстиями Экран 1 x d 2 L
Способы получения когерентных волн 1816 г. Зеркала Френеля Экран Зеркало 1 S 1 S 1 x d O S 2 Зеркало 2 a b L
Способы получения когерентных волн Бипризма Френеля Экран θ – малый преломляющий угол Бипризма 1 S 1 d S x S 2 2 a b L
Условия интерференционных максимума и минимума m = 0, 1, 2, … Смена min на max происходит при изменении Δ на λ/2
Расчет интерференционной картины х Оптическая разность хода r 1 n 1 Положение max r 2 n 2 Положение min Ширина интерференционной полосы Расстояние между соседними max (или min)
Интерференция в тонких пленках Ход лучей в плоскопараллельной пластине h – толщина пластинки n – показатель преломления β – угол преломления λ/2 обусловлена потерей полуволны при отражении света от оптически более плотной среды (в т. А) Типы интерференции в тонких пленках полосы равного наклона (α = const) полосы равной толщины (h = const) кольца Ньютона
Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона Толщина пластины одинаковая Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами
Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины Угол падения лучей одинаковый Интерференционные полосы, возникающие в результате интерференции от мест одинаковой толщины
Интерференция в тонких пленках. Кольца Ньютона в отраженном свете: R – радиус кривизны линзы для m-го светлого кольца m = 0, 1, 2, … для m-го темного кольца max интерференции min интерференции в отраженном свете в проходящем свете Исследовательские задания
Исследовательское задание 1 Исследуйте изменение Направление интерференционной картины движения колец Ньютона в отраженном линзы и проходящем свете при медленном удалении линзы от пластинки h
Исследовательское задание 2 Исследуйте и объясните изменение ширины интерференционных колец Ньютона в отраженном и проходящем r свете при увеличении радиуса интерференционного кольца δx
Исследовательское задание 3 Исследуйте интерференционные R 1 полосы равной толщины, которые можно получить с помощью ДВУХ ВЫПУКЛЫХ ЛИНЗ R 2
Исследовательское задание 4 Исследуйте интерференционные R 1 R 2 полосы равной толщины, которые можно получить с помощью ВЫПУКЛОЙ и ВОГНУТОЙ ЛИНЗ
Исследовательское задание 5 Исследуйте интерференционные полосы равной толщины, R которые можно получить с помощью ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ и пластины цилиндрическая линза пластина
Многолучевая интерференция Возникает в тех случаях, когда поверхности, ограничивающие пленку или пластинку, обладают высоким коэффициентом отражения 1, 2, 3, …, N – когерентные лучи
Использование интерференции подтверждения Интерференционная Интерференция может волновой природы света быть использована для спектроскопия измерения длин волн измерения показателей Интерференционные преломления рефрактометры улучшения качества Просветление оптики оптических приборов получения высокоотражающих с точностью покрытий до 10 -8 м контроля качества интерференция обработки поверхностей в тонких пленках
Интерферометры измерительный прибор, использующий Интерферометр явление интерференции Пучок света пространственно разделяется на несколько когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути и при наложении создают интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков По числу Интерферометры интерферирующих пучков света двухлучевые многолучевые
Интерферометр Майкельсона • Для исследования поверхности создается тонкая клиновидная прослойка воздуха между поверхностью образца S 2 и изображением зеркала S’ 1 • Неровности поверхности размером до 10 -6 см вызывают заметные искривления интерференционных полос, образующихся при отражении света от проверяемой поверхности и поверхности зеркала сдвиг интерференционных L 1 и L 2 – полос ü Используется в длины «плеч» фурье-спектроскопии интерферометра ü Для измерения спектральных характеристик небесных тел
Интерферометр Жамена 1. Измерение длин волн 2. Измерение показателей преломления 3. Контроль качества обработки поверхностей 1. Пучок света S после отражения от передней и задней поверхностей пластины P 1 разделяется на два пучка S 1 и S 2 Пройдя через кюветы K 1 и K 2, пучки, отразившиеся от 2. поверхностей пластины P 2, попадают в зрительную трубу T, где интерферируют, образуя полосы равного наклона Если одна из кювет наполнена веществом с показателем преломления n 1, а другая с n 2, то по смещению 3. интерференционной картины на число полос m по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом, можно найти неизвестный n
Интерференционные рефрактометры Определение показателей преломления Интерферометр Рэлея
Интерферометр Рождественского
Звездный интерферометр Майкельсона Свет от звезды, отразившись от зеркал M 1, M 2, M 3, M 4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину Угловое расстояние между соседними максимумами q = l/D При наличии двух близких звезд, находящихся на угловом расстоянии j, в телескопе образуются две интерференционные ü Для измерения угловых размеров звезд картины, также и угловых расстояний между двойными смещенные на угол j звездами Изменяя D добиваются наилучшей видимости определение j картины, что будет при условии j = 1/2 q = l/2 D
Интерферометр Фабри-Перо разлагает сложное излучение в спектр интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы используется для исследования многолучевая интерференция спектров в видимой, ИК и сантиметровой областях длин волн Разновидность оптические резонаторы лазеров, интерферометра излучающая среда которых располагается Фабри-Перо между зеркалами интерферометра
Просветление оптики толщину пленки подбирают таким образом, чтобы для отраженного света выполнялось условие интерференционного минимума для длин волн средней части спектра (λз~555 нм) потери энергии доля энергии при отражении проходящего уменьшаются света возрастает
Применение интерференции ü Создание высокоотражающих поверхностей в основе – интерференция отраженных лучей на max ü Интерференционные светофильтры многолучевая интерференция
Дифракция света
Дифракция света совокупность явлений, Дифракция возникающих при прохождении света вблизи границ с резкими неоднородностями лат. diffractus – разломанный, переломанный Проявления волны заходят в область дифракции: геометрической тени огибание световыми волнами препятствий При Виды дифракции условии дифракция размеры препятствий сравнимы с длиной волны Френеля в расходящихся лучах дифракция выражена (сферических волн) наиболее сильно дифракция Фраунгофера в параллельных лучах (∞ удаленный источник)
Объяснение явления дифракции Дифракционные явления но объяснить их на основе были хорошо известны корпускулярной теории света еще во времена Ньютона оказалось невозможным Первое качественное на основе Томас Юнг объяснение явления волновых дифракции представлений Огюсте н Независимо Количественная теория Жан от Т. Юнга дифракционных явлений Исаак Френе ль 1818 г. Ньютон (1642 -1727 В основе теории принцип Гюйгенса, дополненный идеей Англия) Френеля об интерференции вторичных волн Томас Юнг (1773 -1829 Каждая точка волнового фронта является Англия) источником вторичных волн принцип Все вторичные источники на поверхности Огюсте н Жан Гюйгенса- фронта волны, когерентны между собой Френе ль Френеля Амплитуда и фаза волны в любой точке (1788 -1827 Франция) пространства – результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками Христиан 1629 -1695 Гю йгенс ван Нидерланды Зёйлихем
Волновой принцип Гюйгенса • Каждая точка пространства, до которой доходит фронт волны, становится точечным источником света, излучающим сферическую волну • Огибающая всех вторичных волн представляет собой фронт действительно распространяющейся волны Огибающая Вторичные волны (новый волновой фронт) Первичный волновой фронт явление дифракции объясняет лишь КАЧЕСТВЕННО
Дополнения Френеля к принципу Гюйгенса 1. Вторичные источники не точечные, а элементы фронта волны площадью d. S 2. Вторичные источники d. S – когерентные и результат их действия на точку Р есть результат их интерференции 3. Площадка фронта волны d. S создает в точке P напряженность ЭП: d. E ~ d. S d. E ~ A 0 d. E ~ α d. E ~ 1/r A 0 – амплитуда световой волны в месте, где находится площадка α – угол между нормалью к площадке d. S и направлением на точку P r – расстояние от площадки d. S до точки P Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет объяснить дифракцию КОЛИЧЕСТВЕННО и решить любую задачу на дифракцию света
Дифракция Френеля Дифракция в расходящихся световых пучках, когда дифракционная картина наблюдается на конечном расстоянии от препятствия 1. Дифракция от круглого отверстия Границы зон в плоскости отверстия Разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны Френеля
Результат действия зон Френеля Действие зоны ↓ при ↑ угла между к поверхности зоны и направлением к точке наблюдения A 1>A 2>A 3>…>Аm Расстояния колебания от точек от соседних зон до двух соседних зон точки наблюдения Р приходят в т. P отличаются на λ/2 в противофазе A=А 1 -A 2+A 3 -А 4+A 5 -A 6 … Если открыты все зоны Френеля действие всей половине действия волновой эквивалентно центральной зоны поверхности Объяснение оценка размера прямолинейности центральной зоны ~1 мм распространения света Френеля:
Результат действия зон Френеля Количество Амплитуда и интенсивность открытых зон Френеля в центре дифракционной картины свободный Действие всей волны – фронт А 0=½А 1 I 0=¼I 1 половина действия первой зоны Объяснение прямолинейности одна А=A 1=2 А 0 I=4 I 0 распространения света две А=A 1 -А 2=0 I=0 темное выполняется условие пятно min интерференции четное A=0 I=4 I 0=0 БОЛЬШЕ, чем при свободном выполняется условие нечетное распространении волны max интерференции Например, открыты три А=6 A 0 I=36 I 0 зоны: 1, 3, 5 Амплитуда результирующего колебания «+» m – нечетные «-» m – четные m – четное m – нечетное
Дифракция Френеля 2. Дифракция от диска пятно Пуассона (1818 г. ) D в центре всегда наблюдается D мал интерференционный max (светлое пятно) А=½А 1 первая открытая зона Френеля удаляется интенсивность D ↑ центрального max ↓ от центра и увеличивается угол т за центральным max наблюдается тень, вблизи границ D которой имеет место слабая дифракционная картина велик дифракцией света можно пренебречь и считать свет распространяющимся прямолинейно
Дифракция на одной щели собирающая линза экран Если в щели укладывается НЕЧЕТНОЕ число зон Френеля в щели укладывается ЧЕТНОЕ число зон Френеля k=1, 2, 3, … в точке Р будет наблюдаться МАКСИМУМ МИНИМУМ
Дифракционная решетка Совокупность большого числа одинаковых Дифракционная щелей, расположенных друг от друга решетка на одинаковом расстоянии d – постоянная (или период) дифракционной решетки Уравнение главных МАКСИМУМОВ k=1, 2, 3, … с ↑ числа щелей в дифракционной решетке: • амплитуды добавочных max ↓ • угловая ширина центрального max ↓
Дифракционный спектр Спектры, начиная со второго порядка, перекрываются спектр max спектр третьего второго первого нулевого первого второго третьего порядка порядка k=-3 k=-2 k=-1 k=0 k=1 k=2 k=3
Дифракционная решетка как спектральный прибор Основные характеристики спектрального прибора Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями Угловая дисперсия численно равна углу между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 метр порядок … max период угловое расстояние между решетки спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dλ Линейная дисперсия численно равна расстоянию на экране между двумя max одного порядка, отличающихся по λ на 1 м фокусное линейное расстояние между расстояние соседними max одного порядка, линзы отличающимися по длине волны на dλ
Разрешающая способность спектральных приборов Разрешающая способность Критерий Рэлея две спектральные линии определяет min разность считаются полностью длин волн, при которой разрешенными, если две линии воспринимаются вершина одного max на спектре раздельно совпадает с основанием другого Разрешающая сила главный спектрального прибора max линии λ 2 добавочный min линии λ 1 Разрешающая сила дифракционной решетки количество щелей
Дифракция рентгеновских лучей 1895 г. , В. Рентгеновское Большая излучение проникающая λ=0, 0012… 12 нм Х-лучи способность λ сравнима с d – периодом дифракция λ d кристаллической решетки рентгеновских лучей в кристалле падающие рентгеновские вторичные лучи волны период кристаллической решетки атомы крист. решетки – угол источники скольжения вторичных волн лучей формула m = 1, 2, 3, … Вульфа-Брегга
Применение дифракции рентгеновского излучения Рентгеноструктурный анализ Рентгеновская спектроскопия зная λ зная d + измеряя θ вычисляется d вычисляется λ рентгеновское кристалл излучение рентгеновское излучение экран метод Лауэ метод Дебая-Шерера – кристалл – поликристалл
Поляризация света
Естественный свет В любой точке поля векторы для описания ЭМ волна – напряженности ЭП и МП закономерностей волна перпендикулярны поляризации света ПОПЕРЕЧНАЯ и лежат в плоскости, достаточно знать поведение вектору скорости лишь одного из векторов при действии света на вещество основное значение Световой имеет ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ составляющая поля волны, вектор действующая на электроны в атомах вещества представляет суммарное электромагнитное Свет собой излучение множества атомов Атомы излучают световая волна, излучаемая источником, световые волны характеризуется равновероятными независимо колебаниями светового вектора друг от друга Естественный свет с равновероятными свет ориентациями вектора Е Плоскость плоскость, в которой направление колебаний колеблется световой вектор распространения волны рисунку
Поляризация света процесс ориентации вектора Поляризация напряженности Е световой волны света в определенном направлении свет, в котором направления Поляризованный колебаний светового вектора свет каким-либо образом упорядочены Плоско (линейно) световой вектор колеблется поляризованный в одной плоскости Плоскость плоскость колебания поляризации светового вектора Е результат наложения двух когерентных Эллиптически плоскополяризованных волн со взаимно поляризованный плоскостями поляризации, в случае, когда конец вектора Е описывает эллипс частный случай конец вектора Е Поляризованный описывает по кругу окружность
Степень поляризации света Imax и Imin — соответственно max Степень и min интенсивности частично поляризации поляризованного света, пропускаемого анализатором естественный частично плоско свет поляризованный Imax = Imin 0 < Р < 1 Imin = 0 Р=1 Р=0
1810 г. Закон Малюса ? Поляризатор устройство для получения поляризованного света, пропускает колебания Е только поляри- закон определенного направления заторы Малюса естественный поляризованный среды, анизотропные свет в отношении колебаний Е, напр. , кристаллы турмалин φ=0° I =I’ 0 I~ E 2 φ=90° I= 0 оси поляризатора и анализатора I 0 I’ 0 I Закон Малюса поляризатор анализатор
Способы получения поляризованного света Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Две фотографии одного места, сделанные фотоаппаратом с поляризующим фильтром, повёрнутым под разными углами Фильтр повёрнут так, Фильтр повёрнут на 90°: что полностью отражённый свет пропускает отражённый почти полностью от поверхности свет отфильтровывается и блики исчезают
1815 г. Закон Брюстера Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления падающий отраженный неполяризованный плоскополяризованный свет содержит только колебания, плоскости падения Степень поляризации преломленного света м. б. n 1 значительно повышена многократным преломлением n 2 при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера преломленный поляризован максимально, но не полностью стопа Столетова
1662 г. Двойное лучепреломление Все прозрачные обладают кристаллы способностью двойного лучепреломления ? оптическая анизотропия кроме кристаллов кубической системы эффект расщепления в анизотропных средах луча Впервые обнаружено на кристалле света на две составляющие исландского шпата Ca. CO 3 призма Николя е о е – extraordinary необыкновенный о – ordinary обыкновенный
Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей 1. Закон преломления: • для о-луча всегда выполняется • для е-луча в общем случае не выполняется О’ 2. В кристаллах существует направление, при распространении вдоль которого двойного лучепреломления не происходит – оптическая ось, направление кристалла О 3. Плоскость, проходящая через световой луч и оптическую ось кристалла – главная оптическая ось или плоскость главного сечения 4. • о-луч и е-луч поляризованы во взаимно плоскостях • плоскость поляризации о-луча плоскости главного сечения
Искусственная анизотропия при деформации. Фотоупругий эффект прозрачные О’ F А механическая П изотропные + деформация среды П и А скрещены напряжение (φ=90°) S х I = 0 d искусственная анизотропия А П О F двойное I 0 лучепреломление Мера оптическая ось ОО’ по оптической направлению действия F анизотропии Фотоупругий эффект возникновение оптической Фотоэластический анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах Пьезооптический (в том числе полимерах) под действием Т. И. Зеебек (1813) механических напряжений Д. Брюстер (1815)
1875 Воздействие электрического поля Эффект возникновение двойного лучепреломления Керра в жидкостях под действием электрического поля + Мера оптической анизотропии E S П - А Использование эффекта Керра в качестве время срабатывания быстродействующего счетчика Керра τ ≈ 10 -9 c светового затвора для измерения скорости света
Воздействие магнитного поля Эффект возникновение двойного лучепреломления Фарадея в твердых телах под действием МП Эффект Коттона возникновение двойного лучепреломления -Мутона в жидкостях под действием магнитного поля Постоянная Верде N H Мера оптической S анизотропии П А S
Воздействие магнитного поля Итак, k 1, k 2, k 3 – постоянные, характеризующие вещество Искусственная оптическая анизотропия возникает мера оптической название эффекта под действием анизотропии одностороннего фотоупругий, сжатия (растяжения) фотопластический электрического поля Керра Фарадея магнитного поля Коттона-Мутона
Вращение плоскости поляризации. Применение При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации Оптические Вещества, при прохождении через которые активные плоскополяризованного света наблюдается вещества поворот его плоскости поляризации (ОАВ) кварц, скипидар, водный раствор сахара и др. l φ Используется, например, для измерения концентрации вещества S в растворе Сахариметр α – коэффициент пропорциональности, для твердых для растворов постоянная вращения веществ С – концентрация вещества
Применение • Создание различных оптических эффектов • В 3 D-кинематографе – технология IMAX: линейная поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу – в технологии Real. D и Master. Image: подобна IMAX, но круговая поляризация позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы • В антеннах космических линий связи (круговая поляризация): – для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн, т. е. вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним • В наземных линиях: антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн
Геометрическая оптика в основе – представление о световых лучах, как направлениях переноса световой энергии
Геометрическая оптика Раздел физики, в котором распространение Геометрическая света рассматривается на основе (лучевая) представления о световых лучах, как оптика направлениях переноса световой энергии Основное понятие геометрической оптики геометрическая линия, вдоль которой переносится Луч энергия электромагнитными волнами ü Световой пучок, исходящий из отверстия бесконечно малого размера ü Направления, вдоль которых переносится световая энергия ü Нормаль к фронту волны Область использования распространение света в однородных средах и предметах, состоящих из однородных сред Границы применимости законов геометрической оптики << х, где х – размеры оптических приборов
Законы геометрической оптики Прямолинейного распространения света в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно S 1 Независимости световых пучков эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от действия остальных S 2 падающий, отраженный Отражения и преломленный лучи α β и перпендикуляр n 1 к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости n 2 Преломления Закон Снелиуса γ Исследовательские задания
Исследовательское задание 1 1. Исследуйте зависимость угла преломления от угла падения в явлении преломления света на границе раздела двух сред Рассмотрите случаи с разными a) соотношениями показателей преломления двух оптических сред α β n 1 Обоснуйте возникновение явления b) полного внутреннего отражения Рассмотрите случай падения на границу n 2 c) раздела двух сред широкого пучка γ параллельных световых лучей Рассмотрите случай падения на границу d) раздела двух сред пучка световых лучей от точечного источника света e) Постройте ход лучей в поворотных и оборотных призмах и перископе f) Рассмотрите и объясните принцип действия рефрактометра
Исследовательское задание 2 2. Исследуйте явление прохождения светового луча через плоскопараллельную пластинку a) Найдите зависимость бокового смещения падающего луча от угла падения α β n 1 b) Рассмотрите случаи различного соотношения показателей преломления плоскопараллельной n 2 пластинки и среды, в которой γ находится пластинка с) Рассмотрите случай падения n 3 d на пластинку широкого пучка α параллельных лучей d) Рассмотрите случай освещения пластинки рассеянным светом При изучении e) Рассмотрите случай падения пучка интерференции световых лучей от точечного в тонких пленках источника света
Исследовательское задание 3 3. Исследуйте явление прохождения светового луча через клинообразную пластинку (тонкую призму) a) Выведите формулу и найдите зависимость угла смещения A светового луча от угла падения n 1 n 2 n 3 и соотношения показателей преломления среды и пластинки 1 b) Рассмотрите случаи падения 1 2 на клин широкого пучка A параллельных световых лучей и освещение клинообразной пластинки рассеянным светом с) Какие эффекты будут наблюдаться при прохождении кварцевой клинообразной пластинки линейно поляризованного света? При изучении дисперсии
Полное внутреннее отражение • При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 – может наблюдаться исчезновение преломленного луча • Наблюдается при углах падения α > α пр – угол полного внутреннего отражения Полное Использование внутреннее световода отражение волоконный световод
Зеркала Ход лучей при отражении от плоского зеркала т. S' - мнимое изображение т. S
Сферические зеркала O – оптический центр P – полюс F – главный (мнимый) фокус зеркала OP – главная оптическая ось R – радиус кривизны зеркала f – расстояние до изображения Исследовательские d – расстояние до предмета задания
Исследовательские задания Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого (1) и выпуклого (2) сферического зеркала 1. Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от вершины ВОГНУТОГО сферического зеркала в бесконечность? 2. Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от вершины ВЫПУКЛОГО сферического зеркала в бесконечность?
Тонкие линзы Собирающие (a) Преломление параллельного пучка лучей в и рассеивающие (b) собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах линзы и их условные обозначения O 1 и O 2 – центры сферических поверхностей O 1 O 2 – главная оптическая ось O – оптический центр F – главный фокус F‘ – побочный фокус OF‘ – побочная оптическая ось Ф – фокальная плоскость
Тонкие линзы Построение изображения в СОБИРАЮЩЕЙ линзе Исследовательское задание: Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от СОБИРАЮЩЕЙ линзы в бесконечность?
Ход произвольного луча в собирающей линзе
Тонкие линзы Построение изображения в РАССЕИВАЮЩЕЙ линзе Исследовательское задание: Исследуйте, как будут меняться параметры изображения, если предмет удалять от РАССЕИВАЮЩЕЙ линзы в бесконечность?
Ход произвольного луча в рассеивающей линзе
Глаз, как оптическая система 1 – склерой 2 – роговица 3 – радужная оболочка со зрачком (от 2 до 8 мм, т. е. действует подобно диафрагме фотоаппарата) 4 – хрусталик 5 – мышца, изменяющая в некоторых пределах форму хрусталика, изменяя тем самым его оптическую силу Остальная часть глаза заполнена стекловидным телом 6 – глазное дно 7 – палочки и колбочки, являющиеся светочувствительными элементами Дефекты зрения и их коррекция близорукость дальнозоркость
Оптические приборы Лупа предмет – между фокусом и линзой коэффициент увеличения Микроскоп Телескоп
Оптические приборы Фотоаппарат Проектор
Аберрации оптических систем Аберрация – от лат. aberratio «уклонение, удаление, отвлечение» – отклонение от нормы, ошибка, погрешность Сферическая аберрация Лучи, проходящие через края линзы, преломляются сильнее лучей, проходящих вблизи оптической оси Проявляется при отображении точек, лежащих на оптической оси системы Перераспределение освещенности в изображении светящейся точки Снижение резкости изображения Исправление 1. Применение оптических стёкол с высокими n позволяют ↓ сферическую аберрацию, посредством ↑ радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы 2. Диафрагмирование 3. Дефокусировка 4. Применение нескольких линз Может быть исправлена только для узких зон
Аберрации оптических систем Хроматическая аберрация обусловлена дисперсией оптических сред: свет разной λ преломляется по-разному Для разных λ возникают различные изображения на разном расстоянии от линзы • постороннее окрашивание изображения • снижение чёткости изображения Исправление Ахроматические линзы точка сведения синего и красного лучей зеленый луч крон флинт
Скачать презентацию Курс лекций по общей физике
Оптика и квантовая физика.ppt
- Количество слайдов: 100