П лоская электромагнитная волна
Теория Максвелла показала, что переменное электромагнитное поле порождает переменное магнитное поле и в свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.
,
где 
- направление электрического поля;
- индукция электрического поля, 
,
где 
- напряженность магнитного поля, а 
- индукция магнитного поля
.
Если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электрическое поле, то в окружении этих зарядов в пространстве возникнет последовательность взаимных превращений электрического и магнитных полей, распространяющихся от точки к точке. Это будет периодический во времени и пространстве процесс, т.е. получается электромагнитная волна.
В отличие от механических волн, для которых необходимо упругое механическое взаимодействие частиц среды друг с другом, электромагнитные волны распространяются в вакууме, причем:
1. Вдоль оси Х распространяются две волны с одинаковой фазовой скоростью 
.
Одна волна - это распространение в пространстве электромагнитного поля. 
- напряженность электрического поля 
; 
.
Вторая волна - распространение магнитного поля. 
.
2. Векторы 
и 
взаимно перпендикулярные и колеблющиеся в одной фазе. Они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимального значения.
3. Векторы 
и 
перпендикулярны направлению распространения волны. Поэтому электромагнитная волна является поперечной.
|
|
|
4. Скорость распространения волны 
.
Для вакуума 
; 
. 
.
Подставим эти значения в формулу скорости, и мы получим
- скорость света в вакууме.
Электромагнитная волна распространятся со скорость света в вакууме.
5. Для большинства оптических прозрачных сред 
, (13.6.1)
где n - абсолютный показатель преломления данной среды.
Так как 
. (13.6.2)
Сравним формулы (13.6.1) и (13.6.2), покажем что 
.
6. Энергия электромагнитных волн. Плотность потока энергии равна вектору Умова.
, 
.
Плотность энергии будет равна 
.
Так как 
, то 
- вектор Умова-Пойнтинга.
Интенсивность электромагнитных волн это среднее значения плотности потока энергии.
;
; 
.
Лекция 14
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
Природа света
Из истории физики известно свет представляет собой сложное явление. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет - это поток частиц (корпускул (латынь)), идущих от источника во все стороны. Согласно представлениям Гюйгенса, свет - это волны распространяющиеся в особой среде эфира, заполняющим все пространство и проникающим внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории.
|
|
|
Однако на основе корпускулярной теории трудно было объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга.
Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла. Такое неопределенное положение относительно природы света длилось до начала 19 века, когда были открыты явления дифракции света (отгибания светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых волн друг на друга). Эти явления присущи только волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя.
Во второй половине 19 века (1865 г.) Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных воль. Электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. В 1900 году Макс Планк выдвинул идею, что свет излучается порциями - квантами. Эйнштейн доказал, что и поглощаются квантами света (фотонами).
Но в начале 20 века представления о свете опять начало меняться. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Это доказывают явления: фотоэффект, эффект Комптона, тепловое излучения. То есть можно сказать что – свет обладает корпускулярно волновым дуализмом (двойственностью).
|
|
|
Волновая оптика – раздел физики, изучающий явления, в которых проявляется волновая природа света. В электромагнитной волне колеблются векторы 
и 
. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора , поэтому его называют световым вектором.
Обозначим модуль амплитуды светового вектора А. Изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, описывается уравнением
, (14.1.1)
где К - волновое число, 
; r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны; 
- начальная фаза.
Длина волны видимого света в вакууме 
.
В среде, в которой фазовая скорость световой волны 
, длина волны 
или 
, где 
. (14.1.2)
Длина волн видимого света заключена в пределах 
0,40÷0,76 мкм. (4000 - < 7600 
). 1 (один ангстрем) внесистемная единица длин, часто используемая в волновой оптике.
|
|
|
1 = 
.
Так как 
связана с частотой 
соотношением 
, то частоты видимых световых волн лежат в пределах 
.
Интерференция волн
Из повседневного опыта известно, что включение двух источников света, например двух лампочек в одной комнате, вызывает усиление света во всех точках пространства. Повсюду световая энергия складывается из энергий, приходящих от каждого источника света. Однако в определенных случаях можно наблюдать систематическое чередование светлых и теневых полос света, свидетельствующее о различных значениях интенсивности света в различных точках пространства. Перераспределение энергии световой волны, в результате которого в одних местах пространства возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности, называется интерференцией света. Интерференция света есть следствие волновой природы света. Интерференцию света можно объяснить, рассматривая интерференцию световых волн. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность.
Когерентными называются волны одинаковой частоты, у которых разность фаз с течением времени не изменяется. Источники, дающие когерентные волны называются когерентными источниками.
Пусть две когерентные монохроматические волны 
накладываются друг на друга. Напряженность электрического и магнитного полей подчиняется принципу суперпозиции, поэтому амплитуда результирующей волны 
. Так как волны когерентны, то 
имеет постоянное во времени (но свое для каждой точки пространства) значение, поэтому интенсивность результирующей волны
. (14.2.1)
В точках пространства, где 
, где 
. Следовательно, при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией света.
Для некогерентных волн разность 
непрерывно изменяется, ( 
≠ cosnt) поэтому среднее по времени значение 
равно нулю и интенсивность результирующей волны всюду одинакова и при 
равна 
, 
.
Для получения когерентных световых волн применяют метод разделения волны, излучаемой одним источником, на две части, которые после прохождения разных оптических путей накладываются друг на друга и наблюдается интерференционная картина (например, с помощью бизеркал и бипризм Френеля).
Метод Юнга. Иным способом осуществляется образование поля интерференции в опыте Юнга (рис. 14.2.1). Источником света служит ярко освещенная узкая щель S, от которой световая волна падает на две узкие щели 
и 
, расположенные симметрично щели S и поэтому освещаемые различными участками фронта одной и той же волны.
Свет, проходящий через узкие щели 
и 
, отклоняется от первоначального направления так, что обе части этой волны перекрываются, образуя поле интерференции.
На участке PQ экрана в поле интерференции наблюдается чередование максимальных и минимальных участков освещенности.
.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 156; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!