Волновая природа света и дисперсия света
Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды. Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в этой среде меньше скорости света в вакууме:
Луч света, падающий на боковую грань треугольной призмы, отклоняется к основанию призмы.
Природа света
Несколько веков имели место два разных представления о природе света: корпускулярная и волновая природа света.
Основоположником представлений о корпускулярной природе света является И. Ньютон. Он считал, что свет является потоком частиц (корпускул). Прямолинейное распространение света и его отражение легко объяснялись согласно этому представлению.
Основоположником представлений о волновой природе света является голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629-1695). Основной причиной возникновения этих представлений является прохождение световых лучей сквозь друг друга при распространении подобно волнам. В XIX веке английский ученый Томас Юнг (1773-1829) провел эксперименты, в которых обнаружил многочисленные факты, подтверждающие волновую природу света. Основоположник теории электромагнитного поля Дж. Максвелл теоретически обосновал электромагнитную волновую природу света. Согласно современным представлениям свет и другие электромагнитные волны обладают двойной — корпускулярной и волновой природой.
Дисперсия света
Одним из явлений, доказывающих волновую природу света, является дисперсия света.
Дисперсия света — это зависимость показателя преломления среды от частоты (длины волны) падающего света.
Впервые это явление исследовал Исаак Ньютон. Он поместил прозрачную стеклянную треугольную призму на пути тонкого пучка солнечного света, попадающего в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставнях. Пройдя призму, солнечный луч разделился на спектр из семи составных цветных лучей. Последовательность цветов составных частей в дисперсионном спектре всегда одинакова: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Среди монохроматических (содержащих свет одного цвета) лучей наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, а меньше других — красные (см: а). Причина явления объясняется на основе волновых представлений о свете. Так, абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в этой среде меньше, чем в вакууме:
Здесь — длина световой волны в вакууме. — длина световой волны в среде. Значит, подвергающийся наименьшему преломлению красный свет имеет наименьший показатель преломления. А это означает, что красный свет обладает наибольшей длиной волны (или наименьшей частотой). Фиолетовый свет, наоборот, обладает наибольшим показателем преломления и наименьшей длиной волны (или наибольшей частотой). Из проведенных в дальнейшем экспериментов было определено, что дисперсионный спектр видимого света охватывает в шкале электромагнитных волн часть с длинами волн от (красный) до (фиолетовый).
Результат. Таким образом, явление дисперсии показало, что белый свет обладает сложным строением — состоит из монохроматических световых лучей разного цвета. Каждый монохроматический луч света обладает собственной частотой и длиной волны. Поэтому при прохождении монохроматического луча через стеклянную призму он, только преломляясь, изменяет своё направление (не разлагается на составные, не меняет окраски). Если разложенный призмой свет, состоящий из монохроматических составляющих, направить на вторую перевернутую призму, то на выходе из второй призмы опять получится белый свет.
Согласно физике цвета, ни один из трех основных цветов — красный, зеленый и синий, не могут получиться при смешивании двух других. Однако смешиванием основных цветов можно получить все остальные цвета и их оттенки.
Многоцветное восприятие нами окружающего мира объясняется явлениями поглощения, преломления и отражения света. Например, лист бумаги воспринимается нашим зрением белым потому, что он отражает падающий на него белый свет полностью. Если тело полностью поглощает падающий на него свет, то он воспринимается как черный, например, сажа.
Интерференция волн и интерференция света
• Самые часто встречаемые колебания в природе являются колебаниями в связанных системах. В связанных колебательных системах колебания передаются от одного звена системы другой. Например, бросив в воду камень, можно наблюдать распространение концентрических водных кругов из точки падения камня. Нам кажется, что происходит распространение воды в виде выпуклостей и впадин.
Какая связанная система создает волну в воде?
Какие явления происходят в среде при распространении волны?
Обратите внимание на картину, образованную на неподвижной поверхности воды поплавками удочек рыболовов (а). При встрече волн друг с другом происходит их сложение. В результате в определенных точках пространства они усиливают друг друга (а, 1), а в других ослабляют (а, 2).
Интерференция волн
В исследовании вы наблюдали результат сложения когерентных волн, созданных на поверхности воды гармоническими колебаниями шариков генератора с одинаковой частотой.
Когерентные волны — это волны, созданные различными источниками колебания, имеющими одинаковую частоту колебаний и постоянную разность фаз, не зависящую от времени.
Результирующие колебания, образованные сложением когерентных волн, в зависимости от разности между расстояниями от источника колебаний до точки их встречи или усиливаются, или ослабляются — происходит интерференция волн.
Интерференция волн -усиление или ослабление амплитуды колебаний результирующей волны в результате сложения когерентных волн (лат. «интер» взаимно, «ферио» — ударю).
Усиление или ослабление амплитуды результирующей волны определяется условиями максимума и минимума интерференции.
Условие максимума интерференции
Максимум интерференции наблюдается в точках пространства (поверхности), в которых максимумы слагаемых волн накладываются друг на друга. Это зависит от разницы пройденных волнами путей от источника колебаний до этой точки.
Интерференционный максимум результирующей волны образуется в точках, в которых разность хода складываемых волн равна нулю или четному числу полудлин волн (разность фаз равна нулю или четному количеству ) (d):
Здесь — разность путей, проходимых волнами до точки сложения (разность хода), k- порядок максимума, является целым числом: k= 0,1, 2,. Между разностью фаз и разностью хода когерентных волн существует такая связь:
Учитывая выражение (1) в формуле (2), для разницы фаз максимума интерференции получим:
В этом случае при равенстве амплитуд складываемых волн амплитуда результирующего колебания будет равна сумме амплитуд исходных волн (е):
Условие минимума интерференции
Минимумы интерференции наблюдаются в тех точках пространства, в которые волны доходят в противофазе. При этом максимум одной волны совпадает с минимумом другой. В результате волны ослабляют друг друга.
Минимум интерференции наблюдается в точках, в которых разность хода слагаемых волн равна нечетному числу полудлин волн (разность фаз равна нечетному количеству ) (f):
Если при этом амплитуды складываемых волн равны, то в точке минимума интерференции амплитуда результирующей волны уменьшается до нуля (g):
Интерференция света
Интерференция — характерное свойство всех видов волн, в том числе и световых. Так, две световые волны при сложении в пространстве могут усиливать или ослаблять друг друга, даже может случиться и такой вариант: свет + свет = темнота.
Интерференция света — явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующих световых колебаний в разных точках пространства вследствие сложения двух когерентных световых волн.
Долгие годы не могли найти способ получения когерентных световых волн, поэтому невозможно было доказать способность световых волн интерферировать.
Только в начале XIX века с помощью несложного устройства Томас Юнг смог наблюдать интерференцию света (h).
Классический опыт по наблюдению интерференции света состоит в следующем: солнечный свет освещает непрозрачный экран 1 и, пройдя через малое отверстие S в этом экране (проделанное булавкой), попадает на экран 2. Световые лучи, вышедшие из малых отверстий S1 и S2 на втором экране, являются когерентными. В результате интерференции этих волн на экране 3 появляются интерференционные полосы. В центральной части экрана наблюдаются чередующиеся цветные и темные полосы. По мере удаления от центра интерференционная картина ослабевает. Используя условие максимумов в этих опытах, Юнг смог на основе формулы (1) измерить длины световых волн для разных цветов. Как ни странно, первый опыт по интерференции света был проведен отрицающим его волновую природу Исааком Ньютоном. Поместив на стеклянной пластине плоско-выпуклую стеклянную линзу выпуклой стороной вниз, он осветил её сверху (i, 1). Посмотрев на линзу сверху, Ньютон увидел чередующиеся светлые и темные концентрические круги (i, 2), которые впоследствии стали называть кольцами Ньютона. Но ни Ньютон, ни повторявшие этот интересный опыт в течение более чем 100 лет ученые не смогли объяснить причину возникновения этих колец. И только в 1802 году Юнгу удалось объяснить происхождение колец Ньютона. Он объяснил кольца Ньютона таким образом: когда пучок света падает на плоскую поверхность линзы, то он, проходя сквозь нее, частично отражается от нижней сферической поверхности линзы (см. i-З, луч 1), а частично — от поверхности стеклянной пластинки, на которой лежит линза (см. i-З, луч 2). Вследствие такого многократного отражения образуются два когерентных луча. Эти лучи, складываясь, в соответствии с максимумами и минимумами интерференции создают интерференционную картину чередующихся темных и светлых концентрических кольца.
Определение длины световой волны
Представим, что расстояние между источниками когерентных волн S1 и S2 намного меньше расстояния от источников до экрана (j): В таком случае световые волны, исходящие из этих источников и дошедшие до точки экрана m с координатой , можно считать параллельными. Разность хода между этими лучами:
Вследствие малости угла
Условие интерференционного максимума в этом случае будет:
Отсюда можно найти длину волны:
Природа света
Первые научные взгляды на природу света были высказаны в XVII в. В одной из них предполагалось, что свет – это вещество, которое представляет собой поток корпускул; в другой, что свет – это волна.
Ньютон, основываясь на свойствах механических волн огибать препятствия и распространяться в упругой среде, остановился на вещественной теории света. Согласно его теории, созданной в 1672 г. , свет состоит из малых частичек, испускаемых светящимся телом. Подобно макроскопическим телам частицы света движутся прямолинейно и не огибают препятствий, за ними образуются тени. Частицы света не нуждаются в упругой среде.
Гюйгенс разработал волновую теорию света. Он считал, что световые волны не способны огибать препятствия аналогично тому, как короткие волны, ударяясь о борт корабля, не могут обогнуть его. Он предположил, что существует упругая среда − эфир, заполняющая все пространство и проникающая внутрь всех тел. Впервые процессы распространения, отражения и преломления света с точки зрения волновой теории Х. Гюйгенс изложил в сочинении «Трактат о свете», опубликованном в 1690 г.
Христиан Гюйгенс (1629–1695) – голландский математик, физик и астроном. В «Трактате о свете» изложил волновую теорию света. Известны его работы прикладного характера: он усовершенствовал линзовый телескоп, изобрел микрометр для измерения малых углов. С помощью сконструированного им телескопа в 1655 г. обнаружил кольцо у Сатурна и его спутник Титан, определил период обращения Титана вокруг планеты.
Корпускулярная и волновая теории существовали параллельно длительное время. На основе корпускулярной теории сложно было объяснить, почему частицы света, пересекаясь в пространстве, не рассеиваются, тогда как волновая теория это легко объясняла. На основе волновой теории в начале XIX в. были объяснены такие явления, как: интерференция, дифракции, дисперсия и поляризация света.
Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитных волн. Совпадение скорости световой волны со скоростью электромагнитных подтвердило, что световые волны являются частным случаем электромагнитных волн. Казалось бы, волновая теория одержала победу над корпускулярной, но в начале XX в. ученые обнаружили, что свет при излучении и поглощении ведет себя подобно потоку частиц. В современной физике приняты обе теории.
Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть проявляет как корпускулярные, так и волновые свойства.
Астрономический метод определения скорости света
В XVII веке в связи с бурным развитием мореплавания появилась идея использовать периодичность восхода и захода открытых Г. Галилеем спутников Юпитера: Ио, Европы, Ганимеда, Каллисто в качестве точного хронометра. В 1672 г. астроном Джованни Кассини обнаружил нарушения в периодичности выхода из тени Юпитера его спутника Ио. Причем с удалением Земли от Юпитера промежутки времени между восходами увеличивались, а с приближением – уменьшались.
В 1676 г. , исследуя это явление, Олаф Ремер предположил, что скорость распространения света конечна. Когда Земля в своем движении вокруг Солнца удаляется от Юпитера от точки 1 к точке 2 (рис. 122), то промежутки времени между моментами выхода Ио из тени Юпитера увеличиваются, поскольку свету нужно дополнительное время, чтобы догнать отдаляющуюся Землю. При сближении Земли с Юпитером промежутки времени между восходами Ио уменьшаются. Разница во времени между моментами восхода Ио в самой дальней и самой ближней к Юпитеру точках орбиты Земли по измерениям О. Ремера составила около 22 минут. По известному расстоянию от Солнца до Земли О. Ремер смог вычислить скорость света:
Из измерений О. Ремера следовало, что скорость света имеет гигантское значение по сравнению со скоростью всех остальных процессов, наблюдавшихся на Земле.
Лабораторные методы определения скорости света И. Физо и А. Майкельсона
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г. Свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачное зеркало (рис. 123). После отражения от зеркала сфокусированный узкий пучок направлялся на зубцы быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал плоского отражающего зеркала, находившегося на расстоянии 8,633 км от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами вращающегося колеса.
Когда диск вращался медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, диск успевал повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым. При дальнейшем увеличении скорости вращения свет вновь становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно диск проворачивался так, что на место прежней прорези встала следующая. При известном значении этого промежутка времени и расстояния между диском и зеркалом можно определить скорость света:
где L – расстояние от зеркала до вращающегося диска, t – промежуток времени, за которое свет проходит расстояние – угол поворота вращающегося диска, угловая скорость диска, n – число зубцов на диске, частота вращения диска.
В своем опыте Физо получил следующий результат:
В 1924–1927 г. американский физик А. Майкельсон разработал схему опыта, в котором луч света был направлен с вершины горы Вильсон на вершину горы Сан-Антонио на расстояние порядка 35 км (рис. 124). Вместо диска было использовано восьмигранное вращающееся зеркало, приводимое в движение высокоскоростным ротором. Изменяя частоту вращения ротора, наблюдатель добивался возникновения в окуляре устойчивого изображения источника света. Знание расстояния между установками и частоты вращения зеркала позволяли вычислить скорость света. Значение скорости света, полученное Майкельсоном, было самым точным для того времени По современным данным, скорость света в вакууме равна 299792458 м/с с точностью
Дисперсия света
Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света были проведены в 1672 г. Ньютоном. Через маленькое отверстие в ставне окна затемненной комнаты он направил луч солнечного света на стеклянную призму. Луч света, дважды преломившись в трехгранной призме, отклонился от своего первоначального направления и разложился на семь основных цветов спектра: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (рис. 125). Ньютон назвал изображение с радужным чередованием цветов спектром, а само явление дисперсией (от лат. «dispergo» − разброс). Наблюдая радужный дисперсионный спектр, он пришел к выводу, что от цвета луча зависит показатель преломления стекла. Меньше всего отклоняется свет красного цвета, больше – фиолетового, следовательно, стекло имеет для света более высокой частоты наибольший показатель преломления, а для более низкой − наименьший.
Зависимость показателя преломления вещества от частоты света называют дисперсией.
Дисперсия является следствием различной скорости распространения волн разной частоты в одной и той же среде. Чем больше частота световой волны, тем меньше ее длина и скорость в среде, тем больше для нее показатель преломления.
Вспомните! Показатель преломления определяет во сколько раз уменьшается скорость распространения электромагнитной волны в данной среде:
Сложный и первичный свет. Дополнительный цвет
В наблюдаемом спектре различают семь цветов. В действительности белый свет состоит из трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Эти цвета называют первичными, потому что они не могут быть получены комбинациями света других цветов.
Свет, состоящий из света первичных цветов, называют сложным.
Другие цвета радужного спектра являются соединением первичных цветов. Зеленый и красный образуют желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный – фиолетовый рис. 126). В телевидении используют три основных цвета для получения всевозможных оттенков цветного изображения.
Цвета излучений, которые при смешении дают белый цвет, называются дополнительными цветами.
Дополнительными цветами являются желтый и синий, голубой и красный, фиолетовый и зеленый.
Цвета тел
Цвета окружающих тел определяются отраженным светом. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторый диапазон частот света отражателя. В данном случае отражаться будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают только зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее только красные лучи, то она будет казаться почти черной.
Цвет непрозрачных предметов определяют отраженные лучи, прозрачных – отраженные и проходящие лучи.
Возьмите на заметку:
Используемые для освещения источники излучают не когерентные волны, в них присутствуют волны различной частоты и разности фаз. Источник света излучает видимые волны в диапазоне от 400 нм до 750 нм с частотами от Излучение атома представляет собой «обрывок» волны, который называют цугом. Переход атома из возбужденного в невозбужденное состояние происходит за малый промежуток времени, порядка 10 нс спонтанно, следовательно, длина цуга достигает около а разность фаз между цугами может иметь произвольное значение.
Опыт Т. Юнга по наблюдению интерференции световых волн
Английский физик Т. Юнг в 1802 г. наблюдал интерференцию света от одного монохроматического источника методом деления фронта волны, он использовал две преграды с одним и двумя небольшими отверстиями (рис. 127). На экране Т. Юнг увидел чередование светлых и темных полос, они определялись разностью хода лучей. Усиление света происходило в том случае, если к данной точке экрана обе волны достигали с синфазными колебаниями. В этом случае гребень одной волны накладывается на гребень другой.
Томас Юнг (1773–1829) – английский физик, механик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света. Он описал первые опыты по определению длин волн света. Высказал гипотезу о поперечности световых волн, разработал теорию цветного зрения.
Условия максимума и минимума освещенности
Запишем уравнение бегущей волны от двух отверстий:
Разность фаз колебаний в точке падения луча равна:
Колебания синфазны, если разность фаз кратна − цикличности синусоиды:
где − разность хода лучей, − длина волны,
Максимум освещенности наблюдается в том случае, если разность хода когерентных лучей в однородной среде кратна целому числу длин волн.
Если колебания происходят в противофазе, то гребень одной волны накладывается на впадину другой, происходит ослабление волны. Разность фаз таких колебаний составляет Учитывая периодичность синусоиды, запишем: для разности хода лучей получим
Минимум освещенности наблюдается, если разность хода когерентных лучей в однородной среде кратна нечетному числу полудлин волн.
Условия максимума интерференции на тонких пленках
Различные цвета тонких пленок – это результат наложения отраженных или преломленных лучей от двух поверхностей пленки (рис. 128, 129). Цвет пленки определяется условием максимума. Если в разность хода лучей 1 и 2 монохроматического источника света помещается целое число длин волн, то пленка окрашивается в цвет источника. Если разность хода равна нечетному числу длин полуволн, пленка становится темной. Разность хода лучей OB + BC (рис. 128, 129) зависит от толщины пленки и угла преломления луча:
Оптическая разность хода превышает разность хода лучей в n раз:
Исследования показали, что при отражении от оптически более плотной среды фаза волны меняется на Поэтому оптическая разность хода лучей 1 и 2 в отраженном свете (рис. 128) уменьшается на следовательно, условие максимума (1) в отраженных лучах примет вид:
Подставив (4) в (5), получим условие максимума в отраженном свете:
В проходящем свете отражение луча 2 происходит от менее плотной среды (рис. 129), следовательно, условие максимума останется таким же, как для волн, распространяющихся в однородной среде:
Дифракция света
Согласно геометрической оптике на экране в результате прохождения световых лучей через отверстие диаметром d появляется изображение в виде яркого круглого пятна большего диаметра D (рис. 131).
При уменьшении диаметра отверстия d и увеличении расстояния до экрана l изображение меняется. Оно представляет собой чередующиеся темные и светлые кольца, в центре которых может быть как светлое, так и темное пятно. При освещении малых по размеру тел наблюдается такая же картина (рис. 132 а, б).
Дифракция света – это явление огибания светом препятствий малых размеров и попадание его в область геометрической тени.
Различают два случая дифракции света: дифракцию Френеля в сходящихся лучах и дифракцию Фраунгофера в параллельных лучах.
Объяснение дифракционной картины на основе зон Френеля
Рассмотрим прохождение света через круглое отверстие и выясним условия максимума и минимума освещенности центральной части пятна на экране. Волновая поверхность в малом отверстии согласно принципу Гюйгенса – Френеля представляет собой часть сферы. Разобьем ее на зоны таким образом, чтобы расстояния от края каждой последующей зоны BO, CO, DO (рис. 133) отличались от предыдущей на
Поскольку разность хода волн от выделенных зон отличается на то при четном их количестве в точке O на экране произойдет ослабление света. Волны от двух соседних зон создадут в точке O колебания противоположной фазы, в результате в центре изображения на экране будет темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами. Если на волновой поверхности размещается нечетное число зон, то центральная часть изображения на экране будет светлой.
Интересно знать! Впервые изображение чередующихся колец в тени круглого диска наблюдал итальянский физик Франческо Гримальди и описал его в своем сочинении «Физическое учение о свете, цветах и радуге». Гримальди объяснил наблюдаемое явление огибанием световыми волнами препятствий подобно волнам на воде и назвал его дифракцией (от лат. diffractus − огибание, разбиение).
Дифракция Фраунгофера на одной щели
Немецкий физик И. Фраунгофер рассмотрел дифракцию света в параллельных лучах. Для осуществления такого вида дифракции необходимо точечный источник света S поместить в фокусе собирающей линзы, а дифракционную картину исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, установленной за препятствием (рис. 134).
Пусть монохроматическая волна падает перпендикулярно плоскости бесконечно длинной узкой щели шириной b. Разность хода между крайними лучами, которые отклонились от прямолинейного направления на угол равна:
Разобьем волновую поверхность на участке щели МN на зоны Френеля. Они будут иметь вид полос, параллельных краю щели МN, так как фронт волны для параллельных лучей является плоскостью. Ширина каждой полосы выбирается так, чтобы разность хода лучей на границе этих зон была равна тогда на ширине щели поместится всего зон.
Если число зон Френеля четное то в точке будет наблюдаться дифракционный минимум. Запишем условие минимума:
Если число зон Френеля нечетное:
то в точке F´ будет наблюдаться дифракционный максимум. Условие максимума для дифракции на одной щели:
При в щели укладывается одна зона Френеля, следовательно, в точке F наблюдается главный или центральный максимум нулевого порядка. Основная часть световой энергии сосредоточена в главном максимуме.
Дифракционная решетка
Дифракция Фраунгофера лежит в основе принципа действия дифракционной решетки. Одномерная дифракционная решетка представляет собой систему из большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей в экране, разделенных также одинаковыми по ширине непрозрачными промежутками (рис. 135).
Специальная делительная машина наносит на стеклянную пластину равноудаленные параллельные непрозрачные штрихи, число которых в современных решетках достигает порядка 3600 на 1 мм. Качество прибора характеризуется постоянной решетки d, которая равна сумме ширины прозрачной щели a и ширины нанесенного штриха b:
Постоянную или период дифракционной решетки d при известном значении ширины стеклянной пластины L и нанесенном количестве полос N определяют по формуле:
В отражательных дифракционных решетках полосы наносятся резцом на отшлифованной металлической пластине.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Условие максимума для дифракционной решетки
В дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция параллельных когерентных пучков света, идущих от всех щелей.
Рассмотрим ход лучей через дифракционную решетку ДР в проходящем свете. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна (рис. 136 а). Согласно принципу Гюйгенса вторичные источники в щелях решетки создают сферические волновые поверхности, огибающие препятствия и распространяющиеся по всем направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу Л, то параллельные лучи от всех щелей соберутся в фокальной плоскости линзы в одну полосу. Определим разность хода лучей от двух соседних щелей из (рис. 136 б):
где угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. Если разность хода лучей кратна целому числу длин волн, то на экране наблюдается максимум освещенности, выполняется соотношение:
где k − порядок дифракционного максимума.
Из полученного уравнения следует, что для различных длин волн условие максимума выполняется при определенном значении угла дифракции. Чем больше длина волны, тем больше угол отклонения (рис. 137). При освещении дифракционной решетки белым светом максимумы освещения на экране окрашиваются в радужные цвета от фиолетового до красного, центральный максимум остается белым. Интенсивность света с увеличением порядка спектра ослабевает.
Поперечность электромагнитных волн. Поляризация волн
Колебания зарядов в передающей антенне происходит вдоль антенны, поэтому в электромагнитной волне вектор напряженности расположен в той же плоскости, что и антенна. Вынужденные электрические колебания в приемной антенне совершаются свободными электронами под действием электрического поля волны. Это свидетельствует как о поперечности электромагнитной волны, так и о ее поляризации. Плоскость, проходящую через вектор напряженности электромагнитной волны, и направление ее распространения, называют плоскостью поляризации (рис. 138).
Электромагнитную волну, вектор напряженности в которой колеблется только в одной плоскости, называют плоско-поляризованной.
Вспомните! Для приема электромагнитной волны антенну необходимо установить параллельно передающей. При повороте приемной антенны вокруг горизонтальной оси на 90° прием сигнала прекращается.
Поляризация света
Явление поляризации впервые было обнаружено при прохождении пучка световых лучей сквозь пластины турмалина. Турмалин – это прозрачный кристалл красного, синего или зеленого цвета с сильно выраженной одноосной оптической анизотропией. Грани пластин в проведенном опыте параллельны этой оси. Вращение одной пластины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, не влияет на его интенсивность (рис. 140). При вращении двух пластин турмалина в той же плоскости относительно друг друга интенсивность световых лучей уменьшается, в момент перпендикулярного расположения осей пластин свет полностью гасится. Обыкновенный луч света полностью поглощается пластиной турмалина толщиной около 1 мм.
Возьмите на заметку:
Юнг и О. Френель долгое время считали световые волны продольными, которые подобно звуковым волнам распространяются в упругом эфире, пронизывающем окружающие нас пространство и тела.
Явление поляризации можно объяснить, предположив, что свет является поперечной волной.
При прохождении естественного света через кристалл из всех направлений колебаний выделяется только одно, параллельное оси кристалла, происходит поляризация света. Кристалл турмалина в этом случае называют поляризатором. Если при прохождении второй пластины колебания происходят вдоль оси кристалла, то амплитуда и интенсивность колебаний поляризованного света не меняются. При повороте второй пластины относительно первой на угол амплитуда колебаний напряженности уменьшится до значения:
При повороте на угол напряженность световой волны станет равной нулю E = 0, такие поляризатор и анализатор называются скрещенными. Вторая пластина турмалина позволяет отличить поляризованный свет от естественного, поэтому она названа анализатором.
Опыт с турмалином показал, что световая волна является поперечной и симметричной относительно направления распространения, поскольку ее интенсивность не зависит от вращения пластины турмалина.
Поляризаторы и поляроиды
Поляризатор – это устройство для получения полностью или частично поляризованного света. Свойством поляризации обладают полимерные пленки с длинными молекулами, ориентированными в одном направлении, призмы и пластинки, обладающие оптической анизотропией из кристаллов турмалина, исландского шпата, кварца. Тонкую поляризационную пленку, вклеенную между двумя прозрачными пленками для защиты от влаги и механических повреждений, называют поляроидом. Явление поляризации света имеет большое практическое применение. Поляроид широко используется для разнообразных целей, например: для устранения бликов при фотографировании, для создания 3D-изображения, для изготовления жидкокристаллических экранов, для устранения ослепляющего действия света на водителей автомобилей от фар встречных машин. Используя явление поляризации, можно плавно регулировать интенсивность светового излучения. Два поляризатора позволяют плавно изменять интенсивность освещения в 100 000 раз. кварца. Тонкую поляризационную пленку, вклеенную между двумя прозрачными пленками для защиты от влаги и механических повреждений, называют поляроидом.
Явление поляризации света имеет большое практическое применение. Поляроид широко используется для разнообразных целей, например: для устранения бликов при фотографировании, для создания 3D-изображения, для изготовления жидкокристаллических экранов, для устранения ослепляющего действия света на водителей автомобилей от фар встречных машин. Используя явление поляризации, можно плавно регулировать интенсивность светового излучения. Два поляризатора позволяют плавно изменять интенсивность освещения в 100 000 раз.
Применение поляризаторов
Поляризованный свет используют для гашения света, зеркально отраженного от гладких поверхностей. На этом принципе устроены, например, поляроидные солнечные очки. Когда естественный неполяризованный свет падает на поверхность водоема, часть его зеркально отражается и при этом поляризуется. Отраженный свет мешает видеть предметы, расположенные под водой. Если смотреть на воду через ориентированный соответствующим образом поляризатор, то большая часть зеркально отраженного света будет поглощаться, и видимость подводных объектов значительно улучшится. Этот принцип используется при фотосъемке. Поляризационные фильтры для фото- и видеосъемки (рис. 141) удаляют блики и отражения с отражающих поверхностей за исключением металлических. В солнечный день он также может «притемнить» небо, делая его более фактурным (рис. 142)
Поляризационные очки используют в стереокино 3D, дающем иллюзию объемности. В основе иллюзии лежит создание стереопары: двух изображений, снятых под разными углами, соответствующими углам зрения правого и левого глаза. Их рассматривают так, чтобы каждый глаз видел только предназначенный для него снимок. Изображение для левого глаза проецируют на экран через поляроид с вертикальной осью пропускания, а для правого − с горизонтальной осью и точно совмещают их на экране (рис. 143). Для стереоскопического телевидения применяется способ быстрого попеременного затемнения стекол очков, синхронизированного со сменой изображений на экране. За счет инерции зрения возникает объемное изображение, предметы выстраиваются в перспективе от зрителя в глубину экрана в зависимости от их взаимного расположения. Без очков такое изображение выглядит двоящимся и размытым.
В жидкокристаллическом экране два поляризатора располагают взаимно перпендикулярно, так, чтобы свет через них не проходил. Между поляризаторами размещают жидкий кристалл (рис. 144). Молекулы в жидких кристаллах не закреплены кристаллической решеткой и могут вращаться под действием электрического поля. При этом молекулы кристалла организованы в четкую структуру, они располагаются слоями, каждый слой закручивается по отношению к предыдущему. Закрученные слои молекул меняют направление поляризации проходящего света. В ЖК-дисплеях используют структуру, закрученную на 90°. Молекулы меняют направление поляризации света на 90°, и он полностью проходит через второй поляризационный фильтр. На электроды, расположенных с двух сторон от поляризаторов, подается напряжение, под действием которого меняется расположение молекул жидкого кристалла. Поляризованный свет падает на световой фильтр, состоящий из трехцветных ячеек – пикселей (рис. 145). В зависимости от напряжения, каждый цвет в отдельности может менять свою прозрачность, от сочетания яркости синего, красного и зеленого цвета, на экране получают цветное изображение.
Физика в нашей жизни
Принцип действия интерферометра заключается в том, что луч света разделяется на два или большее количество когерентных лучей, каждый из которых проходит различные оптические пути и направляется на экран. По интерференционной картине устанавливается разность фаз и хода интерферирующих лучей.
Законы и принципы
Принцип Х. Гюйгенса:
Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Огибающая фронты вторичных волн является фронтом результирующей волны.
Принцип О. Френеля:
При наложении вторичных когерентных волн происходит интерференция, в результате которой амплитуда колебаний в различных точках пространства становится разной: по направлению распространения волны усиливается, в обратном направлении – уменьшается.
Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от частоты света.
Дифракция – явление огибания светом препятствий малых размеров и попадание его в область геометрической тени.
Интерференция света – усиление или ослабление света при наложении световых волн.
Когерентные волны – волны одной частоты с постоянным сдвигом фаз.
Цвета первичные – цвета света, которые не могут быть получены комбинациями из других цветов.
Цвета дополнительные − цвета света, которые при смешении дают белый цвет.
