Дифракция – общее свойство всех видов волн.

Лекция 7

ОПТИКА

 

Оптика – раздел физики, в котором изучаются свойства света, его физическая природа и законы распространения и взаимодействия света с веществом.

 

Свет – оптическое излучение – электромагнитные волны с частотой

 

В состав оптического излучения входят видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

Оптику принято делить на волновую и геометрическую.

Волновая оптика – раздел оптики, изучающей оптические явления в которых проявляется волновая природа света (и т.д.)

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия световых волн.

Законы геометрической оптики используются для описания наблюдаемых явлений, если эффекты, связанные с волновой природой света, не существенны. Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, отражения и преломления света.

Явления интерференции, дифракции и поляризации свидетельствуют о волновой природе света. Однако наблюдаются и другие процессы, например фотоэлектрический эффект, которые объясняются на основе квантовых представлений о свете. А на основе квантовых представлений о свете оказывается невозможным дать объяснение интерференции и дифракции.

Ньютон считал, что свет есть поток частиц – корпускул, скорость движения которых различна в различных средах. Гюйгенс полагал, что свет – волновой процесс. Исследования Юнга, Френеля, Максвелла, Герца позволили развить волновую трактовку природы света и показать, что свет представляет собой электромагнитные волны.

В начале 20 века начинают развиваться квантовые представления о свете. Планк показал, что только при поглощении световой энергии в виде отдельных частиц – квантов, возможно объяснить поглощение света абсолютно черным телом. Исследования Комптона, Вавилова, Боте. Иоффе и многих других физиков позволили расширить преставления о квантовых свойствах светового излучения.

Свет представляет собой сложное явление, сочетающее свойства волнового и корпускулярного движения.

Свет – это физический объект, который обладает двойственными свойствами, в одних взаимодействиях он выступает как электромагнитная волна, а в других как поток особых частиц – фотонов. Свет обладает свойством корпускулярно – волнового дуализма.

Волновая оптика

Интерференция

Интерференция – явление, возникающее при наложении двух (или более) электромагнитных волн, имеющих одинаковый период колебаний, и выражающееся в перераспределении энергии электромагнитных волн в пространстве.

Волны

Колебания

 

а)

б)

Для наблюдения явления интерференции необходимо, чтобы волны были когерентными, постоянная разность фаз

 

Дифракция

 

Дифракция - отклонение волн от прямолинейного пути, при прохождении вблизи краев экранов, отверстий и других неоднородностей.

 

Дифракция как и интерференция характерны не только для электромагнитных волн. Например, звук слышен за углом здания из-за огибания звуковой волной препятствия. Наш повседневный опыт показывает и другое: свет от источника, падая на предмет, не огибает его, наблюдается резкая тень. Тем не мене дифракция света существует, а для ее наблюдения необходимо создать специальные условия.

 

Принцип Гюйгенса – Френеля. Каждая точка среды, до которой дошла волна, становится самостоятельным источником вторичных волн, новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.

Как показал Френель дифракция света – огибание препятствий световой волной – наблюдается в случае препятствий незначительных размеров. Например для световой волны зеленого цвета дифракция будет наблюдаться, если размеры неоднородностей ~1 мм². Для звуковых волн размеры препятствий могут достигать десятков метров.

Дифракция на пространственных неоднородностях объясняет многие явления атмосферной оптики: радугу, гало и венцы вокруг Солнца и Луны и др.

Дифракция – общее свойство всех видов волн.

 

Поляризация

Поляризация электромагнитных волн – совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности электромагнитных волн.

Электромагнитная волна называется поляризованной, если в волне существует выделенное направление колебаний векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения.

 

 

Геометрическая оптика

В оптически однородной среде лучи прямолинейны, на границе раздела двух сред они подчиняются законам отражения и преломления. Пучки световых лучей могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь независимо друг от друга.

Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями. Тонкая линза – линза, для которой ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей. В противном случае линза называется толстой.

Главная оптическая ось – прямая проходящая через центры кривизны ее поверхностей. В тонкой линзе точки пересечения главной оптической оси с обеими поверхностями линзы сливаются в одну точку, называемую оптическим центром линзы.

Оптическая сила линзы

,

f – фокусное расстояние линзы

Формула линзы

и - расстояния от предмета и его изображения отсчитываемые от оптического центра линзы вдоль ее главной оптической оси.

, абсолютные показатели преломления для материала линзы и окружающей среды.