Волновая оптика

Начнем разговор с того, что цветов в природе нет, а что же есть? Есть электромагнитные волны разной частоты и длины волны, которые наш мозг воспринимает как цвет.

Так воспринимают цвета глаз человека и пчелы

И среди людей есть дальтоники, которые цвета видят по своему. Сегодня мы начнем изучать ту часть электромагнитных волн, которую называют светом. Так как свет это электромагнитная волна, следовательно законы (преломление, отражение, сложение и т.д. которые изучались для электромагнитных колебаний и волн применимы и для света. Под светом понимают видимый свет, а так же ультрафиолетовый и инфракрасный. В волновой оптике три основных явления: дисперсия света, интерференция света и дифракция света

Тема сегодняшнего урока:

Волновая оптика

1. Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длины волны.

Дисперсию открыл Ньютон. Опытным путем он доказал, что при прохождении луча света под некоторым углом через границу раздела двух сред может наблюдаться разложение белого света на цветные компоненты (в спектр).

Красный Оранжевый Желтый Зеленый спектр Голубой Синий Фиолетовый

Когда современники стали возражать Ньютону, что это стекло окрашивает белый свет, он проделал другой опыт: Если с помощью второй призмы, перевернутой на 180 градусов относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет.

Каждой цветности соответствует своя длина волны, такой одноцветный свет называется монохроматическим

Белый свет – длины волн диапазона видимого света.

Спектр - совокупность монохроматических компонент в излучении.

Белый свет имеет непрерывный спектр

Выводы:

1. Призма не изменяет свет, а лишь раскладывает его на составные части.

2. Белый свет состоит из волн разной частоты.

3. Фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.

4. Красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый – наименьшую, поэтому призма и раскладывает свет

Согласно волновой теории цвет луча света определяется его частотой колебаний.

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, частота же, определяющая цвет, остается постоянной

Примеры:

1. Радуга

Радуга – не что иное, как спектр солнечного света. Он образован разложением белого света в каплях дождя как призмах. Из дождевых капель под разными углами преломления выходят широкие разноцветные пучки света . Наблюдатель, находясь вне зоны дождя, видит радугу на фоне облаков, освещаемых солнцем, на расстоянии 1 – 2 км. В это время Солнце стоит невысоко над горизонтом за спиной наблюдателя, а центр радуги – над горизонтом.

2. Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу.

3. На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр.

4. Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении.

2. Интерференция – явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении двух или нескольких волн с одинаковыми частотами колебаний

Явление интерференции открыто в 1802 г. Т. Юнгом

Чтобы наблюдать это явление, необходимо чтобы волны были когерентными, т.е. имели одинаковую частоту и фазу

Интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний

Т. Юнг угадал, что для получения интерференции света нужно волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать на экране результат их сложения

В опыте Юнга свет от источника – узкой щели S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2. Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Светлые полосы – это максимум, а темные – минимум. Иначе говоря: Усиление света – максимум интерференции, Ослабление света – минимум интерференции

При интерференции амплитуда результирующих колебаний в разных точках пространства имеет различные значения, а расположение в пространстве максимумов и минимумов с течением времени не изменяется

Как узнать, в какой точке будет условие максимума, а в какой минимума? Было открыто правило, если имеются точечные источники, испускающие монохроматические волны (волны одной частоты), то они являются источниками когерентных волн с постоянной начальной фазой.

Разность хода лучей, разность оптических длин путей двух световых лучей, имеющих общие начальную и конечную точки. Понятие разности хода играет основную роль в описании интерференции света и дифракции света. Расчёты распределения световой энергии в оптических системах основаны на вычислении разности хода проходящих через них лучей (или пучков лучей).

Результирующая волна, полученная путем сложения волн с четным числом полуволн

При интерференции в максимумах энергия больше суммы энергий от обеих слагаемых волн, а в минимумах энергия равна нулю. При интерференции происходит перераспределение энергии между интерференционными максимумами и минимумами. Но среднее значение энергии во всех точках интерференционной картины равно сумме энергий, приносимых обеими волнами

Примеры:

1. Цвета тонких пленок.

Радужные пятна па асфальте или радужные мыльные пленки. Белый свет падает на тонкую пленку. Частично свет (волна 1) отражается от верхней поверхности пленки, частично (волна 2), пройдя через пленку, отражается от ее нижней поверхности. Обе отраженные волны (1' и 2') отличаются разностью хода. Естественно, что больший путь проходит волна, отраженная от нижней поверхности пленки, хотя разность хода невелика — немногим превышает удвоенную толщину пленки.

Различие в цвете объясняется неоднородной толщиной плёнки

Результат интерференции зависит от угла падения света на плёнку, её толщины и длины волны.

Цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол . Все эти примеры результат интерференции на тонких пленках

2. Просветление оптики

3. Кольца Ньютона

Если вторая волна отстанет от первой на нечётное число полуволн, то колебания происходят в противофазах – волны гасят друг друга – тёмные кольца. Если вторая волна отстанет от первой на целое число длин волн – волны усиливают друг друга, цветные кольца.

3. Дифракция света – отклонение направления распространения волн от прямолинейного у края преграды

Результат дифракции зависит от соотношения длины волны с размерами препятствия. Дифракция волн проявляется в тех случаях, когда размеры препятствий меньше или сравнимы с длиной волны

Практическим применением дифракции является создание дифракционной решетки. Дифракционные решетки используются для разложения света в спектр. Разложение излучения в спектр происходит из-за того, что положение максимумов (кроме центрального) зависит от длины волны

Дифракционная решетка состоит из прозрачных участков, разделенных непрозрачными промежутками

Принцип действия дифракционной решетки:

Δd

Темный промежуток а и светлый промежуток b в сумме составляют период решетки d. Так как нас интересует только условие максимума, то есть Δd=kλ, и из рисунка видно, что Δd/d=sinφ, а отсюда вытекает, что Δd= d∙sinφ. Объединим формулы и получим уравнение Δd=d·sinϕ=kλ

k = 0, ±1, ±2, …

d – период решетки,

k –порядок дифракционного максимума

Между максимумами расположены минимумы освещенности. Чем больше число щелей, тем более резко очерчены максимумы и тем более широкими минимумами они разделены. Световая энергия, падающая на решетку, перераспределяется ею так, что большая ее часть приходится на максимумы, а в минимумы попадает незначительная часть энергии

Примеры:

1. Наши ресницы с промежутками между ними представляют собой грубую дифракционную решетку. Поэтому если посмотреть, прищурившись, на яркий источник света, то можно обнаружить

радужные цвета. Белый свет разлагается в спектр при дифракции вокруг ресниц

2. Компакт диски, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков, перламутровые раковины. Их поверхности покрыты бороздками, которые и являются своеобразными дифракционными решетками.

4. Поляризацией называется преобразование света из естественного в плоскополяризованный

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором. Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации волны, называется анализатором

Пластинка турмалина может быть использована как для получения поляризованного света, так и для анализа характера поляризации света. В настоящее время применяются искусственные дихроичные пленки – поляроиды. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении

Первый поляроид играет роль поляризатора. Он превращает естественный свет в линейно-поляризованный. Второй поляроид служит для анализа падающего на него света

Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но преимущественно в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном. «Вертикальная» составляющая приносит глазу человека полезную информацию, позволяя распознавать цвета и контраст. А "горизонтальная" составляющая создает "оптический шум" или блеск.