Schody. Vstupní skupina. Materiály. Dveře. Hrady a zámky Design

Z Maxwellovy práce o elektromagnetickém záření víme, že světlo je druh elektromagnetického (EM) vlnění. EM vlna je příčné vlnění, při kterém dochází ke kmitání vektorů síly elektrického a magnetického pole kolmo na vektor směru pohybu. Elektromagnetické vlny se šíří ve vakuu rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu. Vlnové vlastnosti světla se projevují jevy, jako je interference, difrakce a polarizace.

Rušení světla. Interference je výsledkem superpozice světelných vln. Superpozice nastává vždy, když jsou do média vyslány dvě nebo více vln. K interferenci však dochází pouze v případě, že světlo pochází z koherentních zdrojů. Vlny se nazývají koherentní, pokud je mezi nimi konstantní fázový rozdíl. Dva přirozené zdroje světla nemohou být koherentní, protože elektromagnetické vlny v nich jsou emitovány náhodně mnoha atomy a molekulami a vlnové fáze se často a náhodně mění.

Koherentní světelné paprsky se tvoří, pokud jsou generovány jediným zdrojem a odděleny pomocí speciálního hranolu. Světelné paprsky se také mohou stát koherentními, když se odrážejí od obou povrchů tenkého filmu. Zdrojem koherentního světla jsou lasery.

Když koherentní světelné paprsky dopadají na obrazovku, tvoří stabilní kombinaci světlých a nízkých hodnot (světlé a tmavé pásy). Světelná maxima se tvoří v místech, kde jsou koherentní paprsky z obou zdrojů ve stejné fázi, minima - kde jsou v antifázi (opačná fáze).

Difrakce světla. K difrakci vln dochází, když procházejí štěrbinou a kolem překážek. Experiment ukazuje, že vlny se mohou ohýbat kolem objektů poměrně malé velikosti. Pokud je tedy vlnová délka menší než šířka štěrbiny nebo překážky, dochází k odrazu a absorpci světla. A pokud je vlnová délka světla větší než velikost překážky nebo mezery, pak vlnová difrakce: při průchodu úzkou štěrbinou se světelný paprsek rozdělí, a když na cestě narazí na překážky, ohne se kolem nich.

Difrakční mřížka se skládá z mnoha štěrbin uspořádaných paralelně k sobě. Když světelné vlny procházejí štěrbinami difrakční mřížky, interferují a vytvářejí na obrazovce difrakční obrazec. Průchod světelných vln štěrbinami mřížky závisí na jejich délce. Záření různých atomů a molekul se zase vyznačuje určitým poměrem světelných vln různých vlnových délek. Emisní spektrum atomů a molekul, získané rozkladem bílého světla pomocí difrakční mřížky, se tedy používá pro spektrální analýzu chemického složení látky.

Polarizace světla . Světlo, jako každá jiná příčná vlna, může být polarizováno. Když se příčná vlna šíří prostředím, rovina kmitání vektoru síly elektrického pole může procházet libovolnou přímkou ​​kolmou ke směru šíření vlny.

Elektromagnetické vlny jsou oscilace v silách elektrického a magnetického pole ve vzájemně kolmých rovinách, rovněž kolmých na směr pohybu vlny. Pokud se oscilace vektoru síly elektrického pole vyskytují převážně v jedné rovině, pak říkají, že vlna lineárně polarizované tímto směrem. Záření z jednoho atomu nebo molekuly je polarizované. Ve vzorku hmoty atomy a molekuly emitují náhodně, takže světelný paprsek je nepolarizovaný.

Polarizované světlo lze vyrobit z nepolarizovaného světla několika způsoby. Nejběžnější je absorpce světla polaroidy, což jsou filmy potažené krystalickými látkami schopnými propouštět světlo převážně v jedné konkrétní rovině.

WAVE OPTICS, obor fyzikální optiky, který studuje jevy související s vlnovou povahou světla. Vlnový charakter šíření světla zavedl H. Huygens ve 2. polovině 17. století. Významný rozvoj zaznamenala vlnová optika ve studiích T. Younga, O. Fresnela, D. Araga, kdy byly provedeny experimenty, které umožnily nejen pozorovat, ale také vysvětlit interferenci, difrakci a polarizaci světla, které geometrické optika nedokázala vysvětlit. Vlnová optika uvažuje šíření světelných vln v různých prostředích, odraz a lom světla na hranicích prostředí (viz Fresnelovy vzorce), rozptyl a rozptyl světla v hmotě atd. Světelné vlny, což jsou kmity elektromagnetického pole, jsou popsané obecnými rovnicemi klasické elektrodynamiky (viz Maxwellovy rovnice ). Tyto rovnice jsou doplněny rovnicemi kvantové mechaniky, které spojují hodnoty dielektrické a magnetické permeability s molekulární strukturou a vlastnostmi hmoty. Tento přístup umožňuje studovat vlnově optické jevy v různých prostředích (viz Krystalová optika, Magnetooptika, Molekulární optika). Vlastnosti šíření světelných vln v pohybujících se prostředích (viz Elektrodynamika pohybujících se prostředí), stejně jako v silných gravitačních polích, jsou vysvětleny ve speciálních a obecných teoriích relativity. Vlnová optika, využívající klasický popis světelného pole, není schopna podat důsledné vysvětlení procesů emise a absorpce světla, což vyžaduje zavedení představ o světelných kvantech - fotonech (viz Kvantová optika, Vlno-částicový dualismus ). Řadu problémů ve vlnové optice lze řešit i jednodušším popisem světelného pole pomocí vlnové rovnice.

Vlnová optika stanovuje meze použitelnosti geometrické optiky a poskytuje matematické zdůvodnění vztahů v ní používaných (rovnice eikonaly, Fermatův princip atd.). V mezioblasti, kdy je vlnová délka světla výrazně menší než geometrické rozměry optické soustavy, ale zároveň jsou výrazné difrakční zkreslení paprsků, se používají kvazioptické metody.

Vlnové jevy v nelineárních prostředích jsou uvažovány v nelineární optice. Šíření světelných vln v náhodně nehomogenních prostředích včetně atmosféry je studováno metodami statistické optiky. Moderní vlnová optika studuje tvorbu koherentních světelných paprsků v optických rezonátorech laserů a transformaci paprsků pomocí holografie, Fourierovy optiky a adaptivní optiky. Rychle se rozvíjející oblastí je také výzkum nelineárních optických jevů ve vláknové optice (viz Vláknová optika) a v planárních (filmových) optických systémech (viz Integrovaná optika).

Lit. podívejte se na Art. Optika.

Rušení světla– jev redistribuce světelného toku v prostoru, kdy jsou dvě (nebo několik) koherentních světelných vln superponovány, v důsledku čehož se někde objevují maxima a jinde minima intenzity.

Koherentní se nazývají vlny, jejichž fázový rozdíl se nemění ani v prostoru, ani v čase. Podmínka pro maximální intenzitu pro fázový rozdíl;

.

minimální stav

Pro získání koherentních světelných vln se používají metody pro rozdělení vlny emitované jedním zdrojem na dvě nebo více částí, které se po průchodu různými optickými dráhami na sebe navrství. Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna 1 n Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna 2 prošel cestou S 1, druhý - v médiu s indexem lomu

.

– cesta S2. Fázový rozdíl kmitů vybuzených vlnami v bodě M je roven Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna Součin geometrické délky S dráhy světelné vlny v daném prostředí a indexu lom tohoto prostředí se nazývá délka optické dráhy L  = (lom tohoto prostředí se nazývá délka optické dráhy 2 – lom tohoto prostředí se nazývá délka optické dráhy 1 , A

) – rozdíl v optických délkách drah, kterými vlny procházejí – se nazývá rozdíl optických drah. Vezměme v úvahu, že /c=2v/c=2/ 0, kde  0 je vlnová délka ve vakuu. Maximální stav rušení  = ± : rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi m : rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi = 0, 1, 2,...).

, kde ( Minimální podmínka rušení
: rozdíl v optické dráze je roven polovičnímu počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M vlnami bude probíhat v protifázi : rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi = 0, 1, 2,...).

, kde ( Poloha maxima osvětlení při pozorování interference z Youngových štěrbin X max= ±t (/ l)  d : rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi, Kde l- pořadí maxima, = ±t ( - vzdálenost mezi štěrbinami, – vzdálenost k obrazovce; minima x = ± (: rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi+1/2)(= ±t (/ l)  .

Vzdálenost mezi dvěma sousedními minimy, nazývaná šířka interferenčního proužku, je rovna  – vzdálenost k obrazovce; minima = (= ±t (/ l)  .

A rušenív tenkémfilmy:

rozdíl optické dráhy

,

G
de Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna– relativní index lomu filmu, φ – úhel dopadu světla. Termín ±/2 je způsoben ztrátou půlvlny při odrazu světla od rozhraní. Li Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna> Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna 0 (Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna 0 je index lomu prostředí, ve kterém se film nachází), pak při odrazu od horního povrchu filmu dojde ke ztrátě půlvlny a výše uvedený člen bude mít znaménko mínus, pokud Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna< Nechť v určitém bodě O dojde k oddělení na dvě koherentní vlny. Až do bodu M, ve kterém je pozorován interferenční obrazec, je v prostředí s indexem lomu jedna vlna 0 , pak na spodním povrchu filmu dojde ke ztrátě půlvlny a /2 bude mít znaménko plus.

Poloměry tmavých prstenců v odraženém a světlých Newtonových prstenců v procházejícím světle
, kde m = 1, 2,.. – číslo kroužku, R– poloměr zakřivení čočky.

Vlnová difrakce: ohyb světelné vlny kolem hranic neprůhledných těles za vzniku interferenční redistribuce energie v různých směrech.

P
Huygens-Fresnelův princip: každý bod čela vlny je zdrojem vln šířících se rychlostí charakteristickou pro dané prostředí. Obálka těchto vln udává polohu čela vlny v příštím časovém okamžiku. Všechny body na vlnové frontě oscilují na stejné frekvenci a ve stejné fázi, a proto představují soubor koherentních zdrojů. Zohlednění amplitud a fází sekundárních vln nám umožňuje najít amplitudu výsledné vlny v libovolném bodě prostoru.

Fresnelova difrakce(z kulového čela vlny).

Poloměry Fresnelovy zóny:
, Kde A– vzdálenost od zdroje k obrazovce, b– vzdálenost od clony s otvorem k difrakční pozorovací cloně, : rozdíl optické dráhy se rovná celému počtu vln a kmitání vybuzené v bodě M oběma vlnami bude probíhat ve stejné fázi = 1,2,3...

Pokud otvorem prochází sudý počet Fresnelových zón, pak je ve středu difrakčního obrazce pozorován tmavý bod, pokud lichý počet, pak světlý bod;

Fraunhoferova difrakce(z ploché vlny).

Podmínka pro pozorování difrakčních minim z jedné štěrbiny
(T = 1, 2, 3…).

Difrakční mřížka– systém periodicky se opakujících nehomogenit.

Mřížové obdobíl – vzdálenost mezi osami dvou sousedních štěrbin.

Podmínka hlavních difrakčních maxim z difrakční mřížky
, (T= 1, 2, 3…).

Rozptyl úhlové mřížky
je to rovné

Rozlišení difrakční mřížky určuje interval δλ, ve kterém jsou dvě blízko umístěné vlnové délky spektra λ 1 a λ 2 vnímány jako samostatné čáry:
, Kde N– celkový počet štěrbin mřížky, do kterých dopadá světlo při difrakci.

Polarizované světlo je světlo, ve kterém jsou směry oscilací světelného vektoru nějak uspořádány. Rovina procházející směrem oscilace světelného vektoru rovinně polarizovaná vlna a směr šíření této vlny se nazývá rovina kmitání a rovina kmitání vektoru N nazývaná rovina polarizace. Rovinně polarizované světlo je limitujícím případem elipticky polarizovaného světla – světla, pro které je vektor Rovina procházející směrem oscilace světelného vektoru (vektor N ) se mění s časem tak, že její konec popisuje elipsu ležící v rovině kolmé k paprsku. Pokud polarizační elipsa degeneruje do přímky (s fázovým rozdílem  rovným nule nebo ), pak máme co do činění s rovinně polarizovaným světlem uvažovaným výše, pokud do kruhu (s  = ±/2 a stejnými amplitudami přidaných vln), pak máme co do činění s polarizovanými v kruhu se světlem.

Stupeň polarizace je veličina
,Kde já max a já min - maximální a minimální intenzita světla odpovídající dvěma vzájemně kolmým složkám vektoru E. Pro přirozené světlo já max = já min a R= 0, pro rovinnou polarizaci já min = 0 a R = 1.

ZákonMalus: já = já 0 cos 2 , kde já 0 – intenzita polarizovaného světla dopadajícího na analyzátor; α je úhel mezi rovinami přenosu polarizátoru a analyzátoru, já– intenzita polarizovaného světla opouštějícího analyzátor.

Při dopadu světla na povrch dielektrika pod úhlem vyhovujícím vztahu tgi B = n 21, kde n 21 je index lomu druhého prostředí vzhledem k prvnímu, je odražený paprsek rovinně polarizován (obsahuje pouze kmity kolmé do roviny dopadu). Lomený paprsek pod úhlem dopadu i B (Brewsterův úhel) je polarizován na maximum, ale ne úplně.

Brewsterův zákon: i B + β = π/2, kde β je úhel lomu.

Optika je obor fyziky, který studuje šíření světla a jeho interakci s hmotou. Světlo je elektromagnetické záření a má dvojí povahu. V některých jevech se světlo chová jako elektromagnetická vlna, v jiných - jako proud speciálních částic fotonů nebo světelných kvant. Vlnová optika se zabývá vlnovými vlastnostmi světla a kvantová optika kvantovými vlastnostmi.

Světlo– tok fotonů. Světelná vlna je z hlediska vlnové optiky proces kmitání elektrických a magnetických polí šířících se prostorem.

Optika se zabývá světelnými vlnami, zejména v infračervené, viditelné a ultrafialové oblasti. Jako elektromagnetická vlna má světlo následující vlastnosti (vyplývají z Maxwellovy rovnice):

Vektory intenzity elektrického pole E, magnetického pole H a rychlosti šíření vlny V jsou vzájemně kolmé a tvoří pravotočivý systém.

Vektory E a H oscilují ve stejné fázi.

Podmínka pro vlnu je:

Rovnice světelné vlny má , kde je vlnové číslo, je vektor poloměru a je počáteční fáze.

Při interakci světelné vlny s hmotou hraje největší roli elektrická složka vlny (magnetická složka mimo magnetické prostředí má slabší účinek), proto se E nazývá světlo vektor a jeho amplituda je označena A.

Rovnice (1) je řešením vlnové rovnice, která má tvar:

(2), kde je Laplacián V je fázová rychlost V = c/n (3).

Pro nemagnetická média =1 =>. Z (3) je zřejmé, že n=c/v. Podle typu vlnové plochy se dělí na ploché, kulové, eliptické atd. vlny.

Pro rovinnou vlnu je amplituda světelného vektoru rovnice (1) konstantní. U kulového se se vzdáleností od zdroje podle zákona zmenšuje.

Přenos energie světelných vln je charakterizován Pointigovým vektorem.

Představuje hustotu toku energie a je směrován v rychlosti - ve směru jejího přenosu. Vektor S se mění velmi rychle s časem, takže jakýkoli přijímač záření, včetně oka, během doby pozorování mnohem delší, než je vlnová perioda, zaznamenává časově zprůměrovanou hodnotu Pointigova vektoru, tzv. intenzita světelných vln., Kde. Vezmeme-li v úvahu (1) a skutečnost, že Hono má stejný tvar, můžeme napsat, že (4)

Pokud zprůměrujeme rovnici (4) v průběhu času, druhý člen zmizí (5). Z (5) vyplývá, že I-(6).

Intenzitajá je množství energie přenesené za jednotku času světelnou vlnou přes jednotku plochy. Čára, po které se pohybuje energie vln, se nazývá paprsek. Další charakteristikou světelné vlny je polarizace. Skutečný zdroj se skládá z velkého množství atomů, které emitují, jsouce excitované, po dobu t=10 -8 s, přičemž vyzařují fragment vlny λ=3m.

Tyto vlny mají v prostoru různé směry vektoru E, proto se ve výsledném záření během doby pozorování setkáváme s různými směry vektoru E, tzn. směr E se u skutečného zdroje mění v čase chaoticky a světlo z takového zdroje se nazývá přírodní (nepolarizovaný). Pokud je směr kmitů vektoru E uspořádaný, pak takové světlo je polarizované. Rozlišuje se rovinně polarizované světlo, kruhově polarizované světlo a eliptické světlo.

Z hlediska vlnové optiky je světlo elektromagnetické vlnění s určitým frekvenčním rozsahem.

JEVY CHARAKTERIZUJÍCÍ SVĚTLO JAKO VLNA.

1) Rozptyl– závislost indexu lomu látky na frekvenci (vlnové délce) procházejícího světla Nemonochromatické světlo při lomu, interferenci a difrakci lze rozložit na spektrum (na monochromatické složky).

Jednobarevné světlo je světelná vlna o určité frekvenci (světlo jedné konkrétní barvy). Nemonochromatický světlo je komplexní světlo skládající se z několika monochromatických složek.

> , > , < (для среды, в вакууме скорость света ).

< ().Frekvence kmitání světelné vlny se při přechodu z jednoho prostředí do druhého nemění.

V přírodě neexistuje žádná barva; existují elektromagnetické vlny různých frekvencí, které působí na sítnici oka a způsobují pocit světla. Člověk vnímá list papíru jako bílý, protože... odráží všechny vlny viditelné části spektra elektromagnetických vln, které na něj dopadají. Saze jsou černé, protože absorbuje všechny vlny viditelného spektra, které na něj dopadají. List rostliny je zelený, protože odráží elektromagnetické vlnění o takové frekvenci, že při dopadu na sítnici způsobí vjem zelené barvy list pohltí všechny ostatní vlny viditelné části spektra;

2) Rušení světla pozorováno např. v tenkých vrstvách: mýdlová bublina, benzinový film na vodě, křídla hmyzu atd. Dva nezávislé světelné zdroje produkují nesoudržné vlny pro získání koherentních světelných vln, buď je použit laser, nebo světelná vlna vycházející z jednoho zdroj je rozdělen na dvě části s rozdílem zdvihu. V tenkých filmech tak může být vytvořen interferenční obrazec vlnami odraženými od vnějšího a vnitřního povrchu filmu. V tomto případě je rozdíl dráhy, kde je index lomu látky filmu, tloušťka filmu. Pokrytím čoček přístrojů fóliemi s indexem lomu nižším než má materiál čoček a volbou požadované tloušťky fólie dosáhneme čištění optiky, těch. minimalizovat světelnou energii odraženou od filmu.

Interferenční obrazec pro monochromatické světlo je střídání tmavých pásů (prstenců) a pásů (prstenců) osvětlených daným monochromatickým světlem.

Interferenční obrazec pro bílé světlo je střídáním duhových pruhů (prstenců).

PŘÍKLAD ŘEŠENÍ PROBLÉMU S RUŠENÍM SVĚTLA

Dva koherentní zdroje vyzařují monochromatické světlo o vlnové délce 600. Určete, v jaké vzdálenosti od bodu na obrazovce dojde k prvnímu maximálnímu osvětlení, pokud

4) Difrakce světla lze pozorovat, pokud je překážka, kterou světelná vlna ohýbá, velmi malá (srovnatelná s délkou světelné vlny) nebo je vzdálenost od překážky k obrazovce mnohonásobně větší než velikost samotné překážky. V těchto případech neplatí zákony geometrické optiky, protože světlo se odchyluje od přímočarého šíření. Difrakce je vždy doprovázena interferencí.

Při difrakci je tmavá skvrna umístěna ve středu stínítka u otvoru s difrakcí na překážce se tvoří světlá skvrna ve středu stínítka.

DIFRAKČNÍ MŘÍŽKA – soubor velkého počtu rovnoběžných štěrbin o šířce , pro světlo průhledných, oddělených neprůhlednými intervaly šířky . Doba mřížky (konstanta), kde je šířka určitého úseku mřížky, počet čar v tomto úseku. Pokud normálně monochromatické světlo dopadá na difrakční mřížku, pak jsou světelné vlny v důsledku difrakce vychylovány pod různými úhly.

Pokud jsou tyto vlny sbírány na stínítku pomocí čočky, vzniká interferenční obrazec, v jehož středu je centrální (nulové) maximum a na jeho obou stranách se vytvářejí maxima prvního, druhého atd. řádu .

Pokud na mřížku dopadá bílé světlo, pak je centrálním maximem bílý pruh, na jehož obou stranách jsou pozorována barevná spektra různého řádu.

Maxima se tvoří za podmínky . Při řešení problémů lze pro pohodlí pro malé úhly () nahradit .

Ve spektrální analýze se využívá rozklad světla do spektra pomocí difrakční mřížky nebo hranolu. Pomocí spektrální analýzy se zjišťuje chemické složení látky (každá chemická látka má své spektrum, které se neshoduje se spektrem žádného jiného chemického prvku), teplota látky a rychlost pohybu těles.

5) Polarizace světla možné díky skutečnosti, že světlo je příčná vlna. Přirozené světlo je vlna, ve které dochází k oscilacím vektoru v různých rovinách, pokud se oscilace vektoru vyskytují v jedné konkrétní rovině, pak je světlo polarizováno. Světlo lze polarizovat např. pomocí turmalínového krystalu, který díky své anizotropii propouští světelné vlny s vibracemi ležícími ve stejné rovině.