На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Волновая оптика

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 14.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 15. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Министерство  образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию 

Московский  государственный открытый университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Семенова  Виктория Олеговна
Реферат по физике
«Волновая оптика» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2007 г.
Содержание:
1.   Введение
2.   Оптика
     2.1   Волновая оптика
          2.1.1  История развития взглядов на природу света……………………………………5
          2.1.2   Измерение скорости света………………………………………………………...5
          2.1.3   Шкала электромагнитных волн…………………………………………………...8
          2.1.4   Интерференция света…………………………………………………………….10
          2.1.5   Кольца Ньютона…………………………………………………………………..12
          2.1.6   Просветление оптики…………………………………………………………….14
          2.1.7   Дифракция света………………………………………………………………….15
          2.1.8   Рентгеновские лучи……………………………………………………………....19
          2.1.9   Дисперсия света. Спектр. Инфракрасная и ультрафиолетовая
                  части спектра……………………………………………………………………...21
          2.1.10 Спектроскоп. Виды спектров…………………………………………………....23
          2.1.11 Поляризация света………………………………………………………………..25
3.   Выводы……………………………………………………………………………………...28
4.   Заключение………………………………………………………………………………….29
5.   Список литературы…………………………………………………………………………30 
 
 
 

 

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет нужды.
От источника света, например, лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику).
Я выбрала  именно эту тему из всех разделов так  как нахожу изучение световых явлений  очень интересными и увлекательными. 

Оптика  – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска ответа: что такое свет?  
Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид, исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.  
В те же годы были открыты следующие факты:

– прямолинейность  распространения света;
– явление  отражения света и закон отражения;
– явление  преломления света;
– фокусирующее действие вогнутого зеркала.
  
Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Наиболее  интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения  света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным  
шагом в понимании природы света. В эпоху Возрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познания окружающего мира.  
На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;  
– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней – это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых  были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.
 

Основные  положения корпускулярной теории Ньютона:
1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи,  

3
состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник.
2) Световые  корпускулы имеют разные размеры.  Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового.  
3) Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

 4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.
5) Явление  преломления света объясняется  тем, что корпускулы притягиваются  частицами среды. Чем среда  плотнее, тем угол преломления  меньше угла падения. 
6) Явление  дисперсии света, открытое Ньютоном  в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.  
7) Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная  теория Ньютона удовлетворительно  объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор  пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. 

Основные  положения волновой теории света Гюйгенса.
1) Свет  – это распространение упругих  периодичных импульсов в эфире.  Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе.  
2) Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.

3) Принцип  распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая  
поверхность – фронт волны.

Чем дальше волновой фронт от источника, тем  более плоским он становится.  
Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света. Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многие явления геометрической оптики:

– явление  отражения света и его законы;
– явление  преломления света и его законы;
– явление  полного внутреннего отражения;
– явление  двойного лучепреломления;
– принцип  независимости световых лучей.
Многие  сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире. 

4
Оптика  – раздел физики, изучающий световые явления, выясняющий природу света,
закономерности  его излучения, распространения  и взаимодействие с веществом. 

Волновая  оптика
История развития взглядов на природу света
О природе  света люди задумывались давно. Законы геометрической оптики были известны еще древним грекам. По их представлениям светящееся тело испускало особые частицы – флюиды – попадающие в глаз человека, благодаря чему он видит.
 В  17 веке практически одновременно возникли два противоположных воззрения на природу световых явлений: корпускулярная и волновая теории.
Основоположником  корпускулярной теории света был  Ньютон. Согласно корпускулярной  теории свет представляет собой поток частиц – корпускул, летящий в световом луче прямолинейно и так быстро, что глаз не успевает различить промежутки между ними. Ньютон объяснял отражение света, исходя из закона сохранения импульса корпускул, а преломление света прозрачной средой – притяжением световых корпускул в этой среде. Авторитет Ньютона был чрезвычайно велик, поэтому большинство ученых того времени считали корпускулярную теорию света единственно верной.
Современник Ньютона голландский ученый Христиан Гюйгенс в своем труде «Трактат о свете» разработал иную теорию, согласно которой распространение света представляет собой волновой процесс, возникающий в особой гипотетической сфере – эфире, заполняющем все  мировое пространство. Гюйгенс считал, что световые волны возникают вследствие продольных колебаний частиц эфира.
Острая  борьба между этими двумя теориями продолжались на протяжении столетия. В России Михаил Васильевич Ломоносов в своем труде «Слово о происхождении света» отстаивал и развивал волновую теорию света вопреки господствующим в то время взглядам на свет как на поток корпускул.
К концу 18 века огромное количество опытов, поставленных замечательными экспериментаторами  Томасом Юнгом и Огюстеном  Френелем, подтвердило правоту Гюйгенса. Свету оказались присуще многие явления, свойственные только волновым процессам. Изучение этих явлений показало, что световые волны поперечны. Однако  уже тогда было известно, что поперечные волны могут распространяться лишь в твердых телах. Пришлось приписывать гипотетическому эфиру свойства твердых тел, что однако вызвало еще большие затруднения при попытке связать световые явления с другими физическими явлениями, присущими упругой твердой среде. 
 

И3МЕРЕНИЕ  СКОРОСТИ СВЕТА 

Скорость  света - это фазовая скорость электромагнитных волн светового диапазона. Скорость света в вакууме является фундаментальной физической постоянной, входящей во все уравнения теории относительности и во множество уравнений физики атома и элементарных частиц. По современным представлениям скорость света является максимальной Скоростью передачи любых сигналов, распространения любых видов взаимодействий материальных объектов.
Точное  измерение скорости света является важной практической задачей. Зная точную величину скорости света, можно вычислить  время прохождения различных  сигналов или точное расстояние до далеких объектов. Подобные методы применяются в оптической локации, светодальнометрии, в системах слежения и т. д.
Впервые определил скорость света в вакууме  датский астроном Оле Ремер в 1676 г.  

5
До этого  многие ученые считали, что световые сигналы передаются бесконечно быстро, поскольку измерить время распространения света от одного объекта до другого с помощью имевшихся у них приборов было невозможно из-за чрезвычайно малой величины этого времени. Чтобы заметить время распространения света, необходимы очень большие расстояния, сравнимые с расстояниями между небесными телами.
Ремер наблюдал за движением планеты Ио, являющейся спутником Юпитера. Заметив  положение Ио в определенной точке небосвода в некоторый момент времени и зная период обращения Ио вокруг Юпитера, он вычислил с большой точностью, в какой момент времени Ио появится в той же точке через полгода. Однако спустя полгода Ремер не обнаружил Ио на месте в ожидаемый момент времени. Она появилась там на t = 22 мин позже, так как свету понадобилось дополнительное время для прохождения расстояния, равного диаметру земной орбиты D = 3•1011 м вокруг Солнца (рис. 1). Разделив это расстояние на время запаздывания планеты Ио, Ремер с достаточно большой точностью определил скорость света в вакууме по формуле  


Рис. 1 


Поскольку в те времена диаметр земной орбиты и время запаздывания t были определены неточно, то полученная величина скорости света была весьма приближенной, однако ее порядок 108 м/с был определен верно. А самое главное - была доказана конечность скорости света.
В земных условиях впервые измерил скорость света французский физик Арман  Физо в 1849 г. В опыте Физо свет от точечного источника S, помещенного в фокусе линзы Л1, параллельным пучком лучей падал на полупрозрачную пластинку П, одна грань которой была посеребрена (рис. 2). Отражаясь от этой грани, свет попадал на зеркала З, отразившись от которого, он проходил вновь сквозь пластинку П и попадал в объектив зрительной трубы Т. На своем пути между пластинкой П и зеркалом З свет проходил между зубцами колеса К.  


Рис. 2
Колесо  к вращалось с известной частотой, причем время прохождения светом двойного расстояния между колесом К и зеркалам З (туда и обратно) было равно времени поворота колеса на половину ширины зубца, поэтому В один момент наблюдатель видел свет, а в другой - нет. Измерив минимальное время между  

6
этими моментами и расстояние между  пластиной П и зеркалом З, Физо определил скорость света в воздухе следующим образом. Пусть колесо К содержит N зубцов и пусть ширина промежутка между зубцами равна ширине зубца. Тогда время поворота колеса на половину ширины зубца t = 0,5 to,
где - время поворота зубца, а Т - период вращения колеса.

Поскольку
                                      
                                   (1)    
 

За это  же время t свет пройдет расстояние L от колеса К до зеркала З туда и обратно, двигаясь равномерно и прямолинейно, поэтому
                                                      
                                          (2)

Приравняем (1) и (2) и определим скорость света c:  

   
 

Измеренная  Физо скорость света оказалась равной:
c = 3, 13 • 108 м/с,
что значительно  точнее предыдущих измерений.
Поскольку показатель преломления воздуха  очень мал, она оказалась практически  равной скорости света в вакууме.
Другой  опыт по измерению скорости света  в земных условиях проделал американский физик Майкельсон. Он расположил свои приборы на вершинах двух гор. На вершине ОДНОЙ горы Майкельсон поместил восьмигранный зеркальный барабан Б, на одну из граней которого падал тоненький луч от источника свет S, пропущенный сквозь узкую щель в диафрагме Д (рис. 3). Отразившись от этой грани, свет проходил расстояние L между горами и падал на вогнутое сферическое зеркало аb, установленное на вершине другой горы. Отразившись от этого зеркала, он падал на плоское зеркало mn, установленного там же, потом вновь на аb. Затем свет возвращался обратно и падал на другую грань барабана Б. Отразившись от этой грани, свет попадал в зрительную трубу Т.

Рис. 3
Барабан вращался с известной частотой n, причем эта частота была такова, что за время t, пока свет проходил двойное расстояние между горами (туда и обратно), барабан успевал  

7
повернуться на 1/8 оборота. Благодаря этому следующая «порция» света от источника S попадала в точно такую же точку соседней зеркальной грани. При этом наблюдатель Н видел изображение источника S непрерывным и четким.
Зная расстояние L между горами и частоту вращения барабана n, Майкельсон вычислил скорость света с по формуле 
 
 

В современных экспериментах по определению скорости света, проводимых в лабораторных условиях, зубчатое колесо заменяют на более модернизированный прерыватель света, например, фотореле, источником света в них служит лазер, а приемником - фотоэлемент или фотоумножитель. Это позволяет получать значения скорости  света с большой точностью.
По последним  данным скорость света 
с = (299 792 456 ± 0,2) м/с. 
 

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Радиоволны, световые волны, лучи Рентгена проявляют разные физические свойства и находят разное применение в практической деятельности людей. Радиоволны невидимы, а световые волны вызывают зрительные ощущения. Рентгеновские лучи могут проникать сквозь непрозрачные для видимого света предметы. Казалось бы, что все эти волны не имеют между собой ничего общего, однако электромагнитная теория Максвелла позволила установить, что все эти волны имеют одинаковую природу: все они представляют собой электромагнитные волны с разной частотой (или длиной волны).
Электромагнитные  волны разных частот, будучи расположены в определенном порядке по мере возрастания их частоты или убывания длины волны (ведь n= c/?) образуют шкалу электромагнитных волн (рис. 4)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 4
В начале шкалы располагаются волны низкой частоты, излучаемые цепями переменного тока, с частотой 50 Гц и, соответственно, с длиной волны  

8

Из-за малой  частоты энергия таких волн невелика, поэтому они не способны распространяться на большие расстояния. К волнам низкой частоты относят и электромагнитные волны звуковой частоты с диапазоном частот от 20 до 20 000 Гц.
С увеличением частоты (или с уменьшением длины волны) происходит переход к радиоволнам с диапазоном длин волн от 106 м до десятых долей миллиметра. Километровые радиоволны называют длинными. Они способны огибать земные рельефы, поэтому их применяют для радиосвязи на больших расстояниях. Радиоволны с длиной волны от 1 км до 100 м называют средними. С их помощью также осуществляют радиосвязь на больших расстояниях. Радиоволны с длиной волны от 100 до 10 м называют короткими. Они способны распространяться на большие расстояния благодаря многократному отражению от ионосферы и поверхности Земли, поэтому с их помощью можно осуществлять радиосвязь с любыми радиостанциями па Земле. Радиоволны с длиной волны от 10 до 1 м называют ультракороткими (УКВ). Они способны проникать сквозь верхние слои атмосферы и совсем не огибают земные рельефы. Такие радиоволны используют для связи с космическими объектами, а также для радиосвязи в пределах прямой видимости.
Все выше названные электромагнитные волны излучаются макроскопическими вибраторами, т. е. колебательными контурами больших размеров, состоящими из огромного количества атомов.
Электромагнитные  волны сантиметровой и миллиметровой длины называют сверхвысокочастотными (СВЧ) волнами. Они перекрываются на своем коротковолновом конце со световыми инфракрасными волнами, излучаемыми микрообъектами, т. е. возбужденными атомами. Волны с длиной волны 50 мк можно получить как с помощью колебательного контура и тогда они будут называться радиоволнами, так и посредством нагревания тел, т.е. с помощью микрообъектов - возбужденных атомов, и тогда они называются световыми волнами инфракрасного диапазона. Сравнительно недавно на этом месте шкалы еще имелся пробел. Большая заслуга в его ликвидации принадлежит нашему ученому Александре Андреевне Глагольевой - Аркадьевой, создавшей оригинальный излучатель, способный генерировать волны с длиной волны от сантиметровых до десятых долей миллиметра.
Инфракрасные  волны, принадлежащие длинноволновой границе световых волн, перекрываются с СВЧ - радиоволнами. 3а ними следуют световые волны видимого спектра с длиной волны от 7·10-7 м у волн красного цвета до 4·10-7 м у волн фиолетового света. Между ними располагаются все остальные волны видимого спектра по порядку возрастания их частоты или убывания длины волны: оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие. 3а видимой фиолетовой границей спектра располагаются невидимые ультрафиолетовые волны с длиной волны от 4·10-7 до 10-8 м.
С ультрафиолетовой областью шкалы смыкается участок, соответствующий рентгеновскому  излучению и охватывающий диапазон длин волн от 10-8 до 10-11 м. Сначала идут мягкие рентгеновские лучи, затем - жесткие.
Область жестких рентгеновских лучей  перекрывается с областью гамма -  лучей, возникающих при ядерном распаде. Гамма - лучам соответствуют волны с длиной волны менее 10-11 м. Поскольку области рентгеновских лучей и гамма - лучей перекрываются, их различают по способу получения: если они возникают в рентгеновской трубке, то это - рентгеновские лучи, а если при распаде ядра, то – гамма - лучи, хотя они представляют собой одни и те же электромагнитные волны с одинаковой длиной волны.
9
Шкала электромагнитных волн не имеет ни начала, ни конца. Она представляет собой спектр электромагнитных волн различных частот, которые были открыты и изучены человеком в процессе освоения им окружающего мира.
Электромагнитные  волны разных частот, имея одинаковую природу, обладают разными физическими свойствами и поэтому по-разному проявляют себя. С увеличением частоты у них появляются все новые и новые свойства. Так, радиоволны способны переносить информацию, а световые волны - нагревать предметы, вызывать зрительное ощущение. Ультрафиолетовые световые волны могут вызывать фотоэффект, т. е. выбивать свободные электроны у многих металлов и вызывать люминесценцию разных веществ. Рентгеновские лучи обладают проникающей способностью, не свойственной остальным  электромагнитным волнам с меньшей, чем у них, частотой. Еще более разнообразными свойствами обладают гамма - лучи.
Таким образом, с увеличением количества - частоты - у электромагнитных волн появляется новое качество - новые физические свойства. Поэтому шкала электромагнитных волн является ярким проявлением одного из основных законов материалистической диалектики - закона перехода количества в качество.  

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
Интерференцией  света называют явление  наложения световых волн друг на друга, приводящее к перераспределению энергии волн в пространстве, в результате чего происходит усиление или ослабление света.
Интерференция света подтверждает его волновые свойства. Для наблюдения интерференции волны от разных источников должны быть когерентными, т. е. у них должна быть одинаковая частота или фаза (или постоянная разность фаз). Тогда колебания вектора напряженности Е (или вектора магнитной индукции В) в таких световых волнах будут происходить согласованно. При этом условии, если разность хода ?r таких волн будет содержать целое число k (или т) волн (или четное число полуволн), то в месте их наложения будет наблюдаться максимум, т. е. усиление света. Наполним условие максимума при интерференции:
 
 

Здесь k= 0; 1; 2; 3 и т. д. - целое число,l - длина световой волны.
Если  же в разности хода волн ?r будет содержаться нечетное число полуволн:   - условие минимума,
то в  месте наложения двух световых волн будет наблюдаться ослабление света - минимум. Если амплитуды напряженностей электрических полей этих волн будут одинаковы, то волны полностью «погасят» друг друга, т. е. свет плюс свет даст темноту.
Однако  наблюдать интерференцию света  от двух разных. Источников невозможно. Если включить две лампочки и наложить их световые лучи, друг на друга, направив их, например, навстречу друг другу, то интенсивность суммарного света будет равна сумме интенсивностей каждого светового пучка по всему занятому ими пространству. При этом никакого перераспределения световой энергии в пространстве, никакого усиления и ослабления света наблюдаться не будет. Свет от двух независимых источников света не может быть когерентным. Дело в том, что свет испускают возбужденные атомы светящегося вещества в течение стомиллионной доли секунды (t= 10-8 с). За это время каждый атом испускает свой волновой цуг, длина которого l  

10
примерно равна:
L » ct » 3   108   10-8 М » 3 м.
На такой  длине укладывается
 
 

Но каждый источник света содержит огромное количество атомов, излучающих такие волновые цуги независимо друг от друга и в разные моменты времени. Поэтому световые волны от других независимых источников будут испускать волновые цуги с произвольно и хаотически меняющейся фазой, т. е. они будут некогерентными. А от некогерентных источников интерференцию наблюдать невозможно.
Поскольку практически невозможно подобрать два независимых когерентных источника света, Френель разделил лучи от одного источника на два пучка и заставил их пройти разные расстояния, т. е. Создал разность хода, а затем вновь их соединил.
Замечательными  опытами, демонстрирующими интерференцию света, явились опыты Френеля  с бизеркалом и бипризмой.
На рис. 5 изображено бизеркало Френеля, состоящее из двух плоских зеркал, расположенных под тупым углом друг к другу, благодаря чему лучи отражались от зеркал почти одновременно. Свет от точечного источника S падал расходящимся пучком на зеркала, отражался от них, и два отраженных под разными углами коге-                      .                     Рис. 5                         рентных расходящихся световых пучка интерферировали друг с другом. При этом мнимые продолжения расходящихся пучков, пересекаясь за зеркалами, образовывали два мнимых когерентных источника света S1 и S2 .На экране тn наблюдалась интерференционная картина - чередование темных и светлых полос. А чтобы прямые лучи от источника света не попадали на экран, его загораживала непрозрачная диафрагма D .
Бипризма  Френеля, изображенная на рис. 6 представляла собой две усеченные треугольные  призмы с  малыми преломляющими углами, сложенные своими основаниями.
Свет от точечного источника S падал на их боковые грани, преломлялся и двумя расходящимися когерентными пучками выходил из призмы. Мнимые продолжения расходившихся лучей образовывали мнимые изображения  S1 и S2 источника света S.
Когерентные световые лучи, вышедшие из бипризмы, перекрывали друг друга и интерферировали, благодаря чему на экране mn наблюдалась интерференционная картина ab - чередование темных и светлых полос.
                         
                         Рис. 6 
 
 
 

11
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ 

Интерференционную картину можно наблюдать в тонких пленках при падении на них световых лучей. Обратимся к рис. 7.
Луч 1, упав на поверхность пленки, разделяется  на два луча 2 и 3. Луч 2 отражается от пленки, а луч 3 проходит сквозь нее и на ее нижней поверхности вновь разделяется на лучи 4 и 5. Луч 4 отражается от нижней поверхности, вновь проходит сквозь пленку                                     
и на ее верхней поверхности разделяется на лучи 6 и 7.                   Рис. 7
Если  лучи 2 и 7 собрать с помощью линзы, то в отраженном свете мы увидим интерференционную картину в отраженном свете.
Луч 6 на нижней поверхности пленки разделяется  на два луча 8 и 9. Луч 8 отражается от нижней поверхности, а луч 9, преломившись, выходит из пленки.
Если  лучи 5 и 9 собрать линзой, то мы увидим интерференционную картину в проходящем свете.
Если  пленка идеально однородна и плоскопараллельна, то в зависимости от ее толщины  поверхность пленки оказывается  либо равномерно освещенной, либо равномерно затемненной, т. е. наблюдается или максимум, или минимум освещенности.
Если  толщина пленки неодинакова или  в ней встречаются различные неоднородности, изменяющие показатель преломления вещества пленки, то будет наблюдаться чередование темных и светлых полос. Следовательно, появление полос свидетельствует о неоднородности толщины или состава пленки. Благодаря этому явлению можно контролировать качество тонких пленок, изготавливаемых для различных целей.
При освещении  таких пленок белым светом одновременно с интерференцией наблюдается дисперсия света, вследствие чего интерференционные полосы оказываются радужно окрашенными. Такие радужные полосы можно на6людать на мыльных пузырях или бензиновых пятнах на поверхности луж.
 Свет  лазера обладает высокой степенью  монохроматичности, благодаря чему в лазерных лучах интерференционная картина выглядит особенно четко, даже если мы имеем два независимых лазера одинаковой конструкции.  
 

КОЛЬЦА  НЬЮТОНА 

Интересный  случай интерференции света можно  наблюдать в тонком воздушном, слое убывающей толщины. Такой слой можно получить, если плосковыпуклую стеклянную линзу с большим радиусом кривизны R положить выпуклой поверхностью на плоскую стеклянную поверхность (рис. 8).  
 
 
 
 
 
 
 
 

12

Рис. 8
Пусть луч 1 падает отвесно на плоскую поверхность линзы тп, тогда его углы падения и преломления равны нулю. Пройдя сквозь стекло линзы, луч падает на ее выпуклую поверхность в точке А и при этом разделяется на два луча 2 и 3. Луч 2 отражается от выпуклой поверхности и выходит из линзы в воздух, а луч 3, преломившись, выходит в воздушную прослойку толщиной h, отражается от плоской поверхности в точке В и снова возвращается в линзу, проходит сквозь нее и выходит в воздух. Вышедшие в воздух лучи 2 и 3 интерферируют на сетчатке глаза, будучи собранными хрусталиком, если смотреть на линзу сверху. При этом глаз видит чередующиеся темные и светлые кольца, получившие название - колец Ньютона, поскольку они были впервые им описаны.
Разность  хода ?r лучей 2 и 3 примерно равна удвоенной толщине воздушного зазора АВ плюс половина длины волны , которую потеряет луч 3 при отражении от оптически более плотной, чем воздух, стеклянной поверхности,
                                               
                                                      (3)

Выразим толщину воздушного зазора h через радиус кривизны линзы R и радиус кольца Ньютона r. Из прямоугольного треугольника ОАC согласно теореме Пифагора имеем:
r2= R2 - (R - h)2 = R2 - R2 + 2Rh - h2 = 2Rh - h2.
  Поскольку радиус кривизны линзы R велик по сравнению с остальными величинами в этом выражении, то толщина воздушного зазора, возведенная в квадрат, h2 близка к нулю и ею можно пренебречь (так как это вторая степень малости). Тогда r2 = 2Rh , откуда    

Разность  хода rr лучей 2 и 3 согласно (3) равна: 

 

  По условию максимума при интерференции  
 

13
                                    
                                
(4)

Формула (4) позволяет определить радиус светлого кольца в отраженном свете, т.е. если смотреть сверху.
Здесь k - целое число, соответствующее номеру кольца, считая от центра С.
Условие (4) соответствует максимуму интерференции, т. е. при выполнении этого условия мы наблюдаем светлое кольцо радиусом r.
При интерференционному минимуме разность хода ?r лучей 2 и 3 должна содержать нечетное число полуволн:
                                      
                                   (5)

Формула (5) определяет радиус темного кольца в отраженном свете. В проходящем свете эти условия обратны.
Условие (5) соответствует минимуму интерференции, т. е. темному кольцу. При       k = 0  в центре интерференционной картины наблюдается темное пятно, потому что вблизи центра линзы от столь тонкого воздушного промежутка (толщина которого меньше четверти длины световой волны) луч уже не отражается. При k = 1 наблюдается первое светлое кольцо, окружающее центральное темное пятно. При k = 2 - темное кольцо вокруг первого светлого. При k = 3 - второе светлое кольцо и т. д. (рис.9).
       рис. 9   Чем больше k, тем шире светлые кольца и уже темные. При                 освещении линзы белым светом кольца Ньютона имеют радужную окраску.
Измерив радиус r  k-гo светлого или темного кольца и зная радиус кривизны линзы R, можно по формулам (4) или (5) определить длину волны света, падающего на линзу.  

ПРОСВЕТЛЕНИЕ  ОПТИКИ
Разнообразные оптические приборы - фотоаппараты, микроскопы, телескопы - имеют объективы, состоящие  из зеркально отполированных линз, отражающих падающие на них лучи. Из-за этого отражения может теряться до 50 % энергии падающего света, т. е. эти 50 % уносят с собой обратно отраженные лучи и лишь 50 % световой энергии переносят внутрь прибора преломленные лучи. Потери световой энергии неизбежно сказываются на качестве полученного изображения, ухудшая его, делая его менее четким, более бледным и из-за рассеивания света при отражении от выпуклых поверхностей линз как бы покрытым вуалью.
Эти отрицательные  явления совсем недавно ученые научились  устранять при  

14
помощи  просветления оптики -  метода, в основе которого лежит интерференция света в тонких пленках. Суть этого метода состоит в покрытии отражающей поверхности объектива оптического прибора тонкой прозрачной пленкой, показатель преломления которой больше показателя преломления стекла, из которого изготовлен объектив. За счет этого энергия световых лучей, проникших в объектив, больше энергии лучей, отраженных от границы пленка - стекло.
Толщина пленки выбирается такой, чтобы  разность хода лучей, отраженных от поверхности  пленки ab, граничащей с воздухом, и лучей, отраженных от поверхности пленки cd, граничащей со стеклом объектива, была равна нечетному числу полуволн (рис. 10) При этом световые волны, отраженные от «передней» и «задней» поверхностей пленки, будут интерферировать, налагаясь друг на друга в противофазе. А поскольку эти волны когерентны и имеют одинаковую
амплитуду, так  как испущены одним и тем же                                     Рис. 10           
источником, то они погасят друг друга. В результате отражение света будет сильно ослаблено, особенно при нормальном (перпендикулярном) падении лучей на объектив.
Трехслойные просветляющие пленки позволяют  снизить отражение света до долей процента. При этом потерь энергии из-за интерференции не происходит, так как энергия почти полностью переносится лучами, проникшими сквозь объектив, внутрь оптического прибора. Благодаря этому качество изображения заметно улучшается. Особенно эффективно гасятся лучи, принадлежащие к длинноволновой и средней частям спектра видимого света, а короткие гасятся несколько хуже, поэтому объективы, покрытые просветляющими пленками, выглядят слегка сине-фиолетовыми, хотя их стекла не окрашены.  

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА 

Дифракцией  света называют отклонение направления световых волн от прямолинейного у края преграды, когда ее размер порядка нескольких длин световых волн.
Если  расстояния от источника света до препятствия и от препятствия  до наблюдателя дифракционной картины  достаточно велико, дифракция может  наблюдаться и при больших  размерах отверстия. Расчеты показывают, что отклонение лучей от прямолинейности становится заметным при условии d ? v?L, где d - размер препятствия; l - длина световой волны и L - расстояние от препятствия до наблюдателя.
Одним из первых наблюдал и описал дифракцию  света одновременно с интерференцией английский ученый Томас Юнг.
На рис. 11 изображена схема опыта Юнга. Свет от точечного источника S расходящимся пучком падал на диафрагму D1, с отверстием О, диаметр которого был сравним с длиной световой волны, загибал за его края и падал еще на одну диафрагму D2 с двумя такими же отверстиями, О1 и О2. Два расходящихся                                           
когерентных световых пучка перекрывали друг друга,                    Рис. 11     

15
и на экране тп возникала интерференционная картина ab (а если бы свет не дифрагировал, то он не попал бы на экран, поскольку ему мешала бы диафрагма D2). Когда Юнг закрыл одно из отверстий, интерференционные полосы исчезли.
Дифракцию света объяснил Френель, исходя из гипотезы Гюйгенса, согласно которой каждая точка среды, до которой дошел фронт волны, сама становится, источником вторичных волн. Линия тп, огибающая эти вторичные волны, образует новый фронт волны (рис.12).
Принцип Гюйгенса-Френеля: все точки среды, до которых доходит волна, сами становятся источником  элементарных волн, которые           Рис. 12
интерферируют между собой.
В результате этой интерференции волновой процесс  захватывает все новые и новые  области среды. Дифракция света, как и интерференция, подтверждает его волновые свойства.
Френель предложил  разделить фронт волны, дошедшей до отверстия О в диафрагме D (рис. 13), на области 1, 2, 3 и т. д. в виде колец с одинаковой площадью, от которых свет доходит до экрана в противофазе, поэтому волны гасят друг друга. А от областей, лежащих через одну, например, от областей 1 и 3 или 2 и 4 свет доходит до экрана в одинаковой фазе и такие волны усиливают друг друга. В результате этого на экране чередуются светлые и темные кольца (если отверстие О круглое). Эти области получили название зон Френеля.

Рис. 13
Если  отверстие велико, то зон Френеля  в нем укладывается очень много, и на экране образуется множество чередующихся светлых и темных очень узких колец, таких узких, что глаз уже не сможет их различить и поверхность экрана будет казаться равномерно освещенной. Если же размер отверстия порядка нескольких длин световых волн, то число зон Френеля в нем будет относительно невелико и дифракционные кольца на экране будут видны достаточно отчетливо.
Световая  волна, как и волна электромагнитная, представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Вектор напряженности электрического поля волны называют световым потому, что воздействие электрического поля электромагнитной волны на атомы вещества на два порядка (т. е. в сотни раз) больше действия ее магнитного поля.
Поскольку площади зон Френеля одинаковы, амплитуды  напряженностей светового  вектора Ё т тоже примерно одинаковы (они немного отличаются друг от друга из-за разных углов падения лучей на экран, но эта разница невелика).
Если  отверстие О в диафрагме D мало, то в нем укладывается небольшое число зон Френеля. При этом результат интерференции на экране зависит от количества зон в  

16
отверстии. Например, если в отверстии укладывается три зоны, то результирующая амплитуда светового вектора
Еmрез = Еm - Еm + Еm = Еm ? 0
т. е. на экране в точке М будет наблюдаться светлое пятно.
Если  же в отверстии укладывается четное число зон Френеля, например, четыре зоны, то
Еmрез = Еm - Еm + Еm - Еm = 0
и на экране будет наблюдаться темное пятно, как если бы свет совсем не проходил сквозь отверстие в диафрагме.
Но в  самом деле темное пятно возникает  вследствие интерференции световых волн в точке М - их гашения. При этом вокруг темного пятна возникнет светлое кольцо, а вокруг этого светлого кольца - темное.
Количество  зон Френеля N, укладывающихся в отверстии, можно найти, разделив площадь отверстия S на площадь одного кольца S1 

Радиус  k-гo кольца Rk  найдем по теореме Пифагора (рис. 14)

Рис. 14
 
Поскольку длина световой волны l во много раз меньше расстояния r0 от отверстия до точки О на экране, слагаемым можно пренебречь. Тогда

Площадь одной зоны Френеля равна разности площадей двух кругов, номера которых отличаются на единицу:
                                                                 (6)
Мы видим, что площадь зоны Френеля не зависит от номера кольца k, т. е. площади всех зон одинаковы.
17
Если  радиус отверстия в диафрагме  равен Ro, то площадь этого отверстия S =?R02 и тогда число зон Френеля N в нем
                                           
                                           (7)
 

Таким образом, число зон Френеля в  отверстии зависит от его радиуса Ro, расстояния от отверстия до экрана ro и длины световой волны l.
При прохождении  света через узкую щель на экране вместо темных и светлых колец  будет наблюдаться чередование темных и светлых, параллельных щели, полос.  

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
 Дифракционная  картина от одного отверстия  или щели обычно нечеткая, поэтому в практических целях, например, для определения длины световой волны используют специальное устройство - дифракционную решетку – позволяющую получить отчетливую дифракционную картину.
дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесено очень много непрозрачных штрихов, чередующихся с узкими прозрачными полосками, размеры которых порядка нескольких длин световых волн (до 6000 штрихов на 1 мм).
Пусть на дифракционную решетку падает нормально (перпендикулярно к ней) пучок параллельных лучей (рис. 15). Попав на прозрачные участки полосок, световая волна дифрагирует. При этом волна от прозрачной полосы 2 отстает от волны, исходящей от полосы 1, поскольку ей предстоит пройти дополнительное расстояние ?r, представляющее собой разность хода этих волн.

Рис. 15
Световые  волны когерентны, так как испущены одним источником. Если их сфокусировать  при помощи собирающей линзы на экран, то можно наблюдать интерференционную картину. При этом максимум будет наблюдаться тогда, когда в разности хода волн  ?r будет содержаться целое число k длин волн (или четное число полуволн). Из рис. 15 следует, что разность хода ?r равна:
?r = d sin ?
поэтому условие максимума на дифракционной  решетке 
      будет:
                                                         d sin ? = k?                                                    (8)
Здесь d- период решетки (или постоянная решетки), равный сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос, ?  - угол дифракции, т. е. угол между первоначальным направлением световой волны и ее новым направлением,  

18
k = 1, 2, 3, … - порядок максимума, т. е. порядковый номер, считая от центрального максимума, расположенного напротив центра решетки с k = 0, куда все волны приходят в одинаковой фазе и потому усиливают друг друга, т. е. там всегда наблюдается светлая полоса.
Если  на решетку падает белый свет, то волны разной длины согласно условию максимума, отклоняются на разные углы, поэтому на экране образуются дифракционные спектры. Здесь имеют место все три явления, присущие световым волнам: дифракция, дисперсия и интерференция. При этом волны красного света будут сильнее отклоняться от первоначального направления, чем волны, соответствующие другим цветам спектра, поскольку их длина волны наибольшая, поэтому согласно формуле (8) им будет соответствовать и наибольший угол дифракции ?. В результате на экране ближе к центральной белой полосе будут располагаться фиолетовые линии, а красные будут расположены дальше от центра.
Чем больше штрихов наложено на решетку, тем больше возможность раздельного наблюдения на экране двух спектральных линий (двух полос) с близкими по величине длинами волн ?1 и ?2
Пусть разность их длин
?? =  ?2 -  ?1
для характеристики способности данной дифракционной решетки дать раздельное восприятие глазом на экране двух линий с длинами волн ?1  = ?   и ?1 = ? + ? L  введено понятие разрешающей способности (разрешающей силы) решетки R.
Разрешающей способностью дифракционной  решетки называется безразмерная величина, равная отношению длины волны ? к разности ?? между этой длиной волны и длиной волны ? + ??, воспринимаемых глазом раздельно:

Расчеты показывают, что разрешающая  способность дифракционной  решетки равна  произведению порядка  спектра k, считая от центральной полосы, и числа щелей N:
R = kN
Разрешающая способность современных дифракционных решеток порядка 105.
Стеклянные  дифракционные решетки дают дифракционную  картину в проходящем свете, т. е. когда свет пропускают сквозь них. Изготавливают также металлические дифракционные решетки, представляющие собой гладко отполированную металлическую поверхность, на которую алмазным резцом наносятся штрихи. Свет на такую пластину падает наклонно, отражаясь только от гладких участков, а канавки от резца играют роль непрозрачных штрихов.
Благодаря свойству разлагать лучи в спектр дифракционные решетки широко используются в спектральных приборах. С их помощью можно производить очень точные измерения длин световых волн как в видимом, так и в невидимом диапазоне.  

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
В исследованиях строения и свойств электронных оболочек атомов огромную роль сыграли электромагнитные лучи с очень короткой длиной волны, от 10-8 до 10-10 м, открытые в 1895 г.  Рентгеном и названные в честь него рентгеновскими лучами.
Рентгеновские лучи испускаются при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней.
Рассмотрим  схематическое изображение рентгеновской трубки - устройства, служащего для получения рентгеновских лучей (рис. 16). Накаляемый переменным током катод К испускает электроны, которые фокусируются цилиндрическим  

19
электродом  Ф в узкий электронный луч и разгоняются сильным электрическим полем между катодом К и анодом А до околосветовых скоростей.

Рис. 16
Анод (его  еще называют антикатодом) изготавливают  из тугоплавкого металла, поскольку почти вся энергия налетающих  на него электронов превращается в тепловую. Вследствие этого анод сильно раскаляется, поэтому его приходится интенсивно охлаждать. В трубке создан высокий вакуум.
Разогнанные сильным электрическим полем до околосветовых скоростей электроны, попадая на анод, резко тормозят, т. е. двигаются с огромным отрицательным ускорением. При этом возникает интенсивное электромагнитное излучение, причиной которого является торможение электронов на аноде, поэтому это излучение было названо тормозным. Таким образом, тормозное рентгеновское излучение вызвано самими тормозящими электронами. Тормозное рентгеновское излучение дает сплошной спектр.
При очень  большом напряжении между катодом  и анодом, когда энергия электронов становится чрезвычайно велика, ударяющиеся об анод электроны начинают возбуждать атомы анода. Эти атомы, переходя из. возбужденного в нормальное состояние, испускают электромагнитные волны с длиной волны, еще меньшей, чем при тормозном рентгеновском излучении. Это излучение было названо характеристическим, поскольку с его помощью можно охарактеризовать вещество антикатода.
В отличие от сплошного спектра тормозного рентгеновского излучения характеристическое рентгеновское излучение дает линейчатый спектр, причем каждое вещество, из которого изготавливают антикатод, дает только ему присущий спектр характеристического излучения, поэтому по такому спектру можно судить о веществе антикатода.
Рентгеновские лучи обладают свойствами, при сущими волнам: интерференцией и дифракцией, что свидетельствует об их электромагнитной волновой природе. Для наблюдения интерференции рентгеновских лучей понадобилась такая дифракционная решетка, период которой был сравним с длиной волны рентгеновских лучей, т. е. был бы порядка 10-10 м. Человек не в силах изготовить дифракционную решетку со столь малым периодом, и здесь ему па помощь пришла природа. В 1912 г. немецкий физик JIауэ предложил использовать в качестве дифракционной решетки для наблюдения дифракций рентгеновских лучей естественные решетки кристаллов, где атомы в узлах решетки могут играть роль непрозрачных штрихов, а межатомные, промежутки - прозрачных полос. В результате облучения кристаллов рентгеновскими лучами и вследствие их дифракции на экране была по лучена интерференционная картина, изображенная на рис. 17. Так была подтверждена волновая природа рентгеновских лучей.                                                     Рис. 17
20
Лучи  Рентгена нашли широкое применение в практической деятельности людей. Мягкие рентгеновские лучи с длиной волны порядка 10-7- 10-8 м применяются в медицине, благодаря их способности проникать сквозь мышечные и костные ткани. Жесткие рентгеновские лучи с длиной волны 10-9 - 10-10 м используются В рентгеновском структурном анализе - методе исследования структуры веществ, основанном на дифракции рентгеновских лучей. Широкое применение нашли рентгеновский микроскоп; предназначенный для исследования различных микрообъектов, и рентгеновский телескоп для изучения свойств космических источников волн рентгеновского диапазона. С помощью рентгенографии материалов можно исследовать различные непрозрачные предметы для обнаружения в них дефектов и напряжений, не разрушая их.  

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. СПЕКТР. ИНФРАКРАСНАЯ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЧАСТИ СПЕКТРА
Дисперсией  света называют зависимость  показателя преломления  вещества от частоты  световой волны, проходящей сквозь это вещество.
Световые  волны разной частоты по разному  преломляются прозрачными веществами, поэтому дисперсия волн приводит к разложению сложного света, например, белого на волны отдельных частот, которым соответствуют разные цвета. Поэтому белый свет, попадая на прозрачную стеклянную призму, разлагается на цветные (монохроматические) лучи (монохроматический - одноцветный).
Первые экспериментальные исследования дисперсии белого света были осуществлены Ньютоном в 1672 г.

Рис. 18
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.