Лекция 6 Электромагнитные волны ЭМВ их свойства Шкала

Лекция 6 Электромагнитные волны (ЭМВ), их свойства. Шкала электромагнитных волн. Природа света. Волновые свойства света. Интерференция, дифракция, поляризация. Поглощение света и рассеяние света. Основные понятия и законы геометрической оптики. 1

Связь с последующей деятельностью Изучение курса «Биофизика» : 1. Биоэлектродинамика 2. Электрофизиология 3. Биофизика зрения Практическое применение: 1. Физиотерапия. 2. Фотометрические методы анализа 2

Система уравнений Максвелла: 3

Решение системы уравнений: Уравнения, описывающие периодические процессы: 1. во времени для отдельной точки пространства; 2. в пространстве для совокупности точек 3. в данный момент времени Е 0, В 0 – амплитуды колебаний электрического и магнитного полей – циклическая частота колебаний – волновое число 4

5

Следствия: 1. ЭМВ – волна, характеризуется колебаниями 2. не частиц среды, а взаимосвязанных полей: 3. изменяющихся во времени и пространстве 4. электрического и магнитного полей 2. ЭМВ – поперечная волна: вектор напряженности электрического поля колеблется перпендикулярно направлению распространения волны (именно составляющая электрического поля определяет ощущение зрения), вектор индукции магнитного поля колеблется в перпендикулярной плоскости. 6

3. Источниками ЭМВ являются движущиеся с переменной скоростью (ускорением) заряженные частицы (электроны в атоме при переходе из одного стационарного состояния в другое) 4. Скорость распространения ЭМВ в вакууме: 5. Скорость распространения ЭМВ в среде: 7

Показатель преломления среды относительно вакуума Скорость распространения света в среде: 6. Интенсивность световой волны (энергия, переносимая световой волной за единицу времени через единичную поверхность): 8

Спектр ЭМВ Радиоволны λ > 5·10 -5 м (12 диапазонов) Оптическое излучение 1 мм > λ > 10 нм (ИК, видимое 780 нм > λ > 380 нм, УФ) Рентгеновское (Х – излучение) 10 нм > λ > 0, 01 пм γ – излучение 0, 1 нм > λ 9

Свойства световых волн, как следствия : 1. Интерференция – наложение световых колебаний, 2. приводящее к эффекту перераспределения энергии 3. световых колебаний. 4. 2. Дифракция света – огибание волнами препятствий 5. и прохождение их в область геометрической тени. 6. Рассматривается, как результат интерференции 7. вторичных волн. 8. 3. Поляризация света – выделение колебания, 9. происходящего в единственной плоскости 10. (только для поперечных волн) 10

Пункт 1. Интерференция волн Наложение когерентных волн Перераспределение энергии колебаний в пространстве Области взаимного усиления Области взаимного ослабления 11

Когерентные источники: одинаковая частота (период) колебаний ω (Т); неизменная во времени разность фаз колебаний φ0 12

Когерентные волны 13

Колебания электрического поля в точке С: 14

Лучи 15

Суммарное колебание электрического поля в точке С: Уравнение колебания в точке С: 16

Амплитуда результирующего колебания в точке С: 17

Условие максимума амплитуды колебаний в точке С (условие максимума интерференции): Условие минимума амплитуды колебаний в точке С (условие минимума интерференции): 18

Выводы к пункту 1: 1. При распространении и наложении в пространстве 2. когерентных волн от когерентных источников 3. наблюдается явление интерференции 2. Результат – перераспределение энергии, определяется взаимным расположением рассматриваемой точки и источников волн: 19

3. Задача расчета результата интерференции в данной точке пространства сводится к геометрической: 3. 1 Определение разности хода интерферирующих волн (лучей) Δх 3. 2 Проверка Δх на условия максимума или минимума 20

Пункт 2. Дифракция волн Принцип Гюйгенса – Френеля Волновой фронт в момент времени t Точка волнового фронта – источник вторичных сферических волн Результат дифракции = = результат интерференции вторичных сферических волн 21

Историческое отступление: Формальный подход к теории: 1818 год – Пуассон (научный оппонент Френеля): в центре геометрической тени от круглого диска должно быть яркое пятно – абсурд! Араго поставил эксперимент и обнаружил пятно. 22

Дифракционная решетка – спектральный прибор a b d=a + b 23

Условие максимума для ДР: Удаленный экран ДР 24

Выводы к пункту 2: 1. Явление дифракции объясняется принципом 2. Гюйгенса – Френеля 2. Условие наблюдения: 3. Дифракционная решетка – спектральный прибор, «расщепляющий» падающее излучение на составляющие 25

Пункт 3. Поляризация волн Плоско-поляризованная ЭМВ А 26

Вид А Источник естественного света: Плоско-поляризованный свет 27

Естественный свет 28

Частично-поляризованный свет Естественный свет = + Плоско-поляризованный свет 29

Естественный свет Плоскость пропускания поляризатора Плоско-поляризованный свет Поляризатор 30

Плоско-поляризованный свет Частично-поляризованный свет 31

Частично-поляризованный свет Imax Imin 32

Плоско-поляризованный свет Imin=0 Естественный свет Imin= Imax 33

i 1 Диэлектрик n 1 n 2 i 2 34

Закон Брюстера: 35

Поляризатор Анализатор α E 0 E=E 0 cosα 36

Закон Малюса: 37

Оптически активные вещества (ОАВ) ОАВ [α 0] = град / % · м Поляриметры (сахариметры) [α 0] = град / м 38

Выводы к пункту 3: 1. Свет – поперечная волна 2. Свет, излучаемый нагретыми телами – естественный 3. Естественный свет плоско поляризуется после прохождения через поляроид 4. Естественный свет частично поляризуется при отражении от диэлектрика 5. При прохождении плоско-поляризованного света через ОАВ поворачивается плоскость поляризации 39

Поглощение и рассеяние света Оптическая среда Падающий свет Поглощение Проходящий свет 40

Поглощение – превращение энергии света в другие виды энергии Молекула вещества Закон Бугера – Ламберта: kλ – натуральный показатель поглощения 41

Рассеяние происходит на пространственных неоднородностях среды Инородные малые частицы Флуктуации плотности (молекулярное рассеяние) 42

Неоднородность Инородные малые частицы (мутные среды) закон Рэлея 43

Выводы: 1. Интенсивность света при распространении его 2. в среде уменьшается из-за 3. поглощения и рассеяния 2. Рассеиваются преимущественно световые волны с малой длиной волны 44

Геометрическая оптика Не учитываются волновые свойства света В однородной среде свет распространяется прямолинейно по лучам Основа: принцип наименьшего времени Однородная изотропная среда – одинакова во всех направлениях 45

Граница двух сред Луч отраженный Луч падающий Точка падения Луч преломленный Нормаль к границе раздела 46

Законы геометрической оптики. 47

О 1 – О 2 – главная оптическая ось линзы О 1 О 2 48

Оптический центр тонкой линзы О 1 О О 2 49

Фокальная плоскость F F 50

F 1 F 2 51

F F 52

F F [D] = м-1 = дптр 53

F 2 F 1 54

Выводы: 1. Геометрическая оптика не рассматривает свойства 2. света, а лишь описывает его поведение 3. при распространении 2. Основой описания является принцип наименьшего времени 55