Оптика раздел физики который изучает природу света

Оптика — раздел физики, который изучает природу света, световые явления и взаимодействие света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика является частью общего учения об электромагнитном поле. В зависимости от круга рассматриваемых явлений оптику делят на геометрическую (лучевую), волновую (физическую), квантовую (корпускулярную). Интерференция света 1. Принцип Гюйгенса. Волновая теория света основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Законы отражения и преломления света При отражении: ΔАВС = ΔADC, следовательно i'1 = i 1

При преломлении: за время t фронт падающей волны проходит расстояние BC = v 1 t, а фронт преломленной — AD=v 2 t. Из соотношения АС = ВС/sin i 1 = AD/sin i 2 следует 2. Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Монохроматические волны — неограниченные в пространстве волны одной определенной и постоянной частоты — являются когерентными. Так как реальные источники не дают строго монохроматического света, то волны излучаемые любыми независимыми источниками света всегда некогерентны.

3. Интерференция света — сложение в пространстве двух или нескольких когерентных световых волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Пусть в точке М две монохроматические волны с циклической частотой возбуждают два колебания, причем до точки М одна волна прошла в среде с показателем преломления n 1 путь s 1 с фазовой скоростью v 1, а вторая — в среде n 2 путь s 2 с фазовой скоростью v 2: Амплитуда результирующего колебания: А 2 = А 12 + А 22 + 2 А 1 А 2 cos. Интенсивность результирующей волны (/ ~ А 2): Разность фаз колебаний, возбуждаемых в точке М, равна

(Использовали: v = c/n; = 2 ; c/v = λ 0 —длина волны в вакууме). Произведение геометрической длины пути s световой волны в данной среде на показатель преломления этой среды n называется оптической длиной пути L=s n. Разность Δ = L 2 – L 1 =s 2 n 2 –s 1 n 1 оптических длин проходимых волнами путей называется оптической разностью хода. Условие интерференционного максимума: Если оптическая разность хода Δ равна целому числу длин волн в вакууме (четному числу полуволн) Δ = ±т λ 0 = ± 2 т (λ 0/2) (т = 0, 1, 2, . . . ), то = ± 2 т и колебания, возбуждаемые в точке М, будут происходить в одинаковой фазе. Условие интерференционного минимума. Если оптическая разность хода Δ равна нечетному числу полуволн Δ = ±(2 т + 1) (λ 0/2) (т = 0, 1, 2, . . . ), то = ±(2 т + 1) и колебания, возбуждаемые в точке М, будут происходить в противофазе.

4. Методы наблюдения интерференции. 1. Метод Юнга. 3. Бипризма Френеля. 2. Зеркала Френеля. . 4. Зеркало Ллойда.

5. Расчет интерференционной картины от двух щелей. Две щели S 1 и S 2 находятся на расстоянии d друг от друга и являются когерентными источниками. Интенсивность в произвольной точке А определяется разностью хода Δ = s 2 - s 1, где s 22 = l 2+(x + d/2)2, s 12 = l 2+(x-d/2)2, откуда s 22 - s 12 = 2 xd или Δ = s 2 - s 1 = 2 xd/(s 1 + s 2). Из / » d следует s 1 + s 2~ 2/, поэтому Положение максимумов: Положение минимумов: Расстояние Δх между двумя соседними максимумами (минимумами) называется шириной интерференционной полосы

6. Полосы равного наклона Особенность отражения электромагнитных волн: при отражении света от более плотной среды (n 0< n) фаза изменяется на . Изменение фазы на равносильно потере полуволны при отражении. С учетом этого, оптическая разность хода Δ = n(OC + CB) – (OA – λ 0/2). Используя sini = n sinr (закон преломления), имеем ОС = СВ = d / cosr и ОА = OB sin i = 2 d tg r sin i, запишем

В точке Р будет интерференционный максимум, если В точке Р будет интерференционный минимум, если Интерференционные полосы, возникающие в результате наложения лучей, падающих на плоскопараллельную пластинку под одинаковыми углами, называются полосами равного наклона.

7. Полосы равной толщины. Пусть на прозрачную пластинку переменной толщины - клин с малым углом между боковыми гранями – падает плоская волна в направлении параллельных лучей 1 и 2. Когерентные пары лучей (1' и 1", 2' и 2") пересекаются вблизи поверхности клина (точки В и В') и собираются линзой на экране (в точках А и А'). Таким образом, на экране возникает система интерференционных полос — полос равной толщины — каждая из которых возникает при отражении от мест пластинки, имеющих одинаковую толщину. Полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности клина (в плоскости, отмеченной пунктиром В'-В).

8. Кольца Ньютона. Полосы равной толщины имеют вид концентрических окружностей. С учетом d 2 → 0 R 2 =(R - d)2 + r 2 = R 2 -2 Rd + d 2 - r 2 => d = r 2 l 2 R. В отраженном свете оптическая разность хода: Радиусы светлых колец: Радиусы темных колец:

9. Просветление оптики. Объективы оптических приборов содержат большое количество линз. Даже незначительное отражение света каждой из поверхностей линз приводит к тому, что интенсивность прошедшего пучка света значительно уменьшается. Кроме того, в объективах возникают блики и фон рассеянного света, что снижает эффективность оптических систем. Но, если на границах сред создать условия, при которых интерференция отраженных лучей 1' и 2" дает минимум интенсивности отраженного света, то при этом интенсивность света, прошедшего через оптическую систему будет максимальна. Этого можно добиться, например, нанесением на поверхность линз тонких пленок с показателем преломления nо < nс, причем. В этом случае амплитуды когерентных лучей 1' и 2" будут одинаковы, а условие минимума для отраженных лучей (i = 0) будет 2 nd = (2 т+ 1) λ 0/2. При m = 0 оптическая толщина пленки nd удовлетворяет условию nd = λ 0 / 4 и происходит гашение отраженных лучей. Для каждой длины волны λ 0 должна быть своя толщина пленки d. Поскольку этого добиться невозможно, обычно оптику просветляют для длины волны λ 0 = 550 нм, к которой наиболее чувствителен глаз человека.

10. Интерферометры При плавном изменении разности хода интерферирующих пучков на λ 0/2 интерференционная картина сместится настолько, что на месте максимумов окажутся минимумы. Поэтому явление интерференции используют в интерферометрах для измерения длины тел, длины световой волны, изменения длины тела при изменении температуры, сравнимых с λ 0. В интерферометре Майкельсона монохроматический луч от источника S разделяется на полупрозрачной пластинке Р 1 на два луча 1' и 2", которые, отразившись от зеркал М 1 и М 2, снова с помощью Р 1, сводятся в один пучок, в котором лучи 1' и 2" формируют интерференционную картину. Компенсационная пластинка Р 2 размещается на пути луча 2, чтобы он так же, как и луч 1, дважды прошел через пластинку. Возникающая интерференционная картина чрезвычайно чувствительна к любому изменению разности хода лучей, (например, к смещению одного из зеркал).