Хвильові властивості світла

Хвильові властивості світла. Дифракція. Інтерференція. дисперсія

світло — це електромагнітні хвилі в інтервалі частот 63 • 10 14 — 8 • 10 14 Гц, що сприймаються людським оком, т. Е. Довжин хвиль в інтервалі 380 — 770 нм.

Світла притаманні всі властивості електромагнітних хвиль: відображення, заломлення, інтерференція, дифракція, поляризація. Світло може чинити тиск на речовину, поглинатися середовищем, викликати явище фотоефекту. Має кінцеву швидкість поширення у вакуумі 300 000 км / с, а в середовищі швидкість убуває.

Найбільш наочно хвильові властивості світла виявляються в явищах інтерференції і дифракції. інтерференцією світла називають просторове перерозподіл світлового потоку при накладенні двох (або декількох) когерентних світлових хвиль, в результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності (інтерференційна картина). Інтерференцією світла пояснюється забарвлення мильних бульбашок і тонких масляних плівок на воді, хоча мильний розчин і масло безбарвні. Світлові хвилі частково відбиваються від поверхні тонкої плівки, частково проходять в неї. На другий кордоні плівки знову відбувається часткове відображення хвилі (рис. 34). Світлові хвилі, відбиті двома поверхнями тонкої плівки, поширюються в одному напрямку, але проходять різні шляхи. При різниці ходу I, кратній цілому числу довжин хвиль l = 2k #&55;/ 2.

Хвильові властивості світла

При різниці ходу, кратній непарному числу півхвиль l = (2k + 1) #&55;/ 2, спостерігається інтерференційний мінімум. Коли виконується умова максимуму для однієї довжини світлової хвилі, то воно не виконується для інших хвиль. Тому освітлена білим світлом тонка кольорова прозора плівка здається забарвленою. Явище інтерференції в тонких плівках застосовується для контролю якості обробки поверхонь просвітлення оптики. При проходженні світла через мале круглий отвір на екрані навколо центрального світлої плями спостерігаються чергуються темні і світлі кільця; якщо світло проходить через вузьку щілину, то виходить картина з чергуються світлих і темних смуг.

Явище відхилення світла від прямолінійного напрямку поширення при проходженні у краю перешкоди називаютьдифракцией світла. Дифракція пояснюється тим, що світлові хвилі, що приходять в результаті відхилення з різних точок отвору в одну точку на екрані, интерферируют між собою. Дифракція світла використовується в спектральних приладах, основним елементом в яких є дифракційна решітка.дифракційна решітка являє собою прозору пластинку з нанесеною на ній системою паралельних непрозорих смуг, розташованих на однаковій відстані одна від одної.

Хвильові властивості світла Нехай на решітку (рис. 35) падає монохроматичне (певної довжини хвилі) світло. В результаті дифракції на кожній щілині світло поширюється не тільки в первісному напрямку,

але і за всіма іншими напрямами. Якщо за гратами поставити збиральну лінзу, то на екрані в фокальній площині все промені будуть збиратися в одну смужку.

Паралельні промені, що йдуть від країв сусідніх щілин, мають різницю ходу l = d sin #&66;, де d — постійна решітки — відстань між відповідними краями сусідніх щілин, званеперіодом решітки, (#&66; — кут відхилення світлових променів від перпендикуляра до площини решітки. При різниці ходу, рівній цілому числу довжин хвиль d sin #&66; = K #&55;, спостерігається інтерференційний максимум для даної довжини хвилі. Умова интерференционного максимуму виконується для кожної довжини хвилі при своєму значенні дифракційного кута #&66;. В результаті при проходженні через дифракційну решітку пучок білого світла розкладається в спектр. Кут дифракції має найбільше значення для червоного світла, так як довжина хвилі червоного світла більше за всіх інших в області видимого світла. Найменше значення кута дифракції для фіолетового світла.

Досвід показує, що інтенсивність світлового пучка, що проходить через деякі кристали, наприклад, ісландського шпату, залежить від взаємної орієнтації двох кристалів. При однаковій орієнтації кристалів світло проходить через другий кристал без ослаблення.

Якщо ж другий кристал повернений на 90 °, то світло через нього не проходить. відбувається явищеполяризації, т. е. кристал пропускає тільки такі хвилі, в яких коливання вектора напруженості електричного поля відбуваються в одній площині, площині поляризації. Явище поляризації доводить хвильову природу світла і поперечності світлових хвиль.

Вузький паралельний пучок білого світла при проходженні через скляну призму розкладається на пучки світла різного кольору, при цьому найбільше відхилення до основи призми мають промені фіолетового кольору. Пояснюється розкладання білого світла тим, що біле світло складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі, а показник заломлення світла залежить від довжини його хвилі. Показник заломлення пов’язаний зі швидкістю світла в середовищі, отже, швидкість світла в середовищі залежить від довжини хвилі. Це явище і називаютьдисперсією світла.

На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості електромагнітних хвиль Максвелл висловив припущення, що світло це електромагнітна хвиля. Ця гіпотеза підтверджена властивостями, якими володіє світло.

Хвильові властивості світла. Електромагнітна природа світла

1. Закони заломлення і відбиття світла.

2. Інтерференція і її застосування.

Світло — це електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком, від 63 • 10 14 Гц до 8 • 10 14 Гц, т. Е. Довжин хвиль в інтервалі від 380 нм до 770 нм.

Світла притаманні всі властивості електромагнітних хвиль: відбиття, переломлення, інтерференція, дифракція, поляризація. Світло може чинити тиск на речовину, поглинатися середовищем, викликати явище фотоефекту. Має кінцеву швидкість розповсюдження убуває.

Найбільш наочно хвильові властивості світла виявляються в явищах інтерференції і дифракції. Інтерференцією світла називають просторове перерозподіл світлового потоку при накладенні двох (або декількох) когерентних світлових хвиль, в результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності (інтерференційна картина). Інтерференцією світла пояснюється забарвлення мильних бульбашок і тонких масляних плівок на воді, хоча мильний розчин і масло безбарвні. Світлові хвилі частково відбиваються від поверхні тонкої плівки, частково проходять в неї. На другий кордоні плівки знову відбувається часткове відображення хвилі (рис. 33). Світлові хвилі, відбиті двома поверхнями тонкої плівки, поширюються в одному напрямку, але проходять різні шляхи. При різниці ходу I, кратній цілому числу довжин хвиль, l = 2k A./2.

При різниці ходу, кратній непарному числу півхвиль, l = (2k + 1) "К / 2, спостерігається інтерференційний мінімум. Коли виконується умова максимуму для однієї довжини світлової хвилі, то воно не виконується для інших хвиль. Тому освітлена білим світлом тонка кольорова прозора плівка здається забарвленою. Явище інтерференції в тонких плівках застосовується для контролю якості обробки поверхонь просвітлення оптики.

Хвильові властивості світла

При проходженні світла через мале круглий отвір на екрані навколо центрального світлої плями спостерігаються чергуються темні і світлі кільця; якщо світло проходить через вузьку щілину, то виходить картина з чергуються світлих і темних смуг.

Явище відхилення світла від прямолінійного напрямку поширення при проходженні у краю перешкоди називають дифракцією світла. Дифракція пояснюється тим, що світлові хвилі, що приходять в результаті відхилення з різних точок отвору в одну точку на екрані, интерферируют між собою. Дифракція світла використовується в спектральних приладах, основним елементом яких є дифракційна решітка. Дифракційна решітка являє собою прозору пластинку з нанесеною на ній системою паралельних непрозорих смуг, розташованих на однаковій відстані одна від одної.

Нехай на решітку (рис. 34) падає монохроматичне (певної довжини хвилі) світло. В результаті дифракції на кожній щілині світло поширюється не тільки в первісному напрямку, але і по всіх інших напрямках. Якщо за гратами поставити збиральну лінзу, то на екрані в фокальній площині все промені будуть збиратися в одну смужку.

Хвильові властивості світла

Паралельні промені, що йдуть від країв сусідніх щілин, мають різницю ходу l = d sin ср, де d — постійна решітки — відстань між відповідними краями сусідніх щілин, зване періодом решітки, ф — кут відхилення світлових променів від перпендикуляра до площини решітки. При різниці ходу, рівній цілому числу довжин хвиль d sin ф = kX, спостерігається інтерференційний максимум для даної довжини хвилі. Умова интерференционного максимуму виконується для кожної довжини хвилі при своєму значенні дифракційного кута ф. В результаті при проходженні через дифракційну решітку пучок білого світла розкладається в спектр. Кут дифракції має найбільше значення для червоного світла, так як довжина хвилі червоного світла більше за всіх інших в області видимого світла. Найменше значення кута дифракції для фіолетового світла.

Досвід показує, що інтенсивність світлового пучка, що проходить через деякі кристали, наприклад ісландського шпату, залежить від взаємної орієнтації двох кристалів. При однаковій орієнтації кристалів світло проходить через другий кристал без ослаблення.

Якщо ж другий кристал повернений на 90 °, то світло через нього не проходить. Відбувається явище поляризації, т. Е. Кристал пропускає тільки такі хвилі, в яких коливання вектора напруженості електричного поля відбуваються в одній площині — площині поляризації. Явище поляризації доводить хвильову природу світла і поперечності світлових хвиль.

Вузький паралельний пучок білого світла при проходженні через скляну призму розкладається на пучки світла різного кольору, при цьому найбільше відхилення до основи призми мають промені фіолетового кольору. Пояснюється розкладання білого світла тим, що біле світло складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі, а показник заломлення світла залежить від довжини його хвилі. Показник заломлення пов’язаний зі швидкістю світла в середовищі, отже, швидкість світла в середовищі залежить від довжини хвилі. Це явище і називають дисперсією світла.

На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості електромагнітних хвиль Максвелл висловив припущення, що світло — це електромагнітна хвиля. Ця гіпотеза підтверджена властивостями, якими володіє світло.

infopedia.su не належать авторські права, розміщених матеріалів. Всі права належати їх авторам. У разі порушення авторського права напишіть сюди.

8.2.Волновие властивості світла

Основоположник хвильової теорії X. Гюйгенс відкидав існування корпускул, вважаючи, що вони не випромінюються світяться тілами, а заповнюють весь простір. Процес поширення світла він представляв не як поступальний рух, а як послідовний процес передачі взаємодії між корпускулами. Його прихильники вважали, що світло поширюється в особливому середовищі — «ефірі», що заповнює весь світовий простір і вільно проникаюче в усі тіла. Світлове збудження від джерела світла передається за допомогою ефіру на всі боки. Так виникли перші хвильові уявлення про природу світла. У розвитку хвильової теорії світла вельми важливу роль зіграв принцип, сформульований Гюйгенсом, а потім розвинений французьким фізиком О. Френеля (1788-1827). принципГюйгенсаФренеля полягає в тому щокожна точка, до якої дійшло світлове збудження, в свою чергу, стає джерелом вторинних хвиль і передає їх на всі боки сусіднім точкам .

Найбільш наочно хвильові властивості світла виявляються в явищах інтерференції і дифракції.

Інтерференція світла полягає в тому, що при взаємному накладенні двох хвиль відбувається посилення або ослаблення коливань.

Принцип інтерференції вперше сформулював в 1801 р англійський учений Томас Юнг (1773-1829), лікар за професією. Він поставив простий і наочний досвід з двома отворами. На екрані кінчиком шпильки проколювалися два близько розташованих отвори, які висвітлювалися сонячним світлом з невеликого отвору в зашторені вікні. За екраном спостерігалася замість двох яскравих точок серія чергуються темних і світлих кілець, що представляє собою интерференционную картину. Необхідною умовою інтерференції є когерентність хвиль — узгоджене перебіг коливальних або хвильових процесів. На інтерференції заснований принцип роботи багатьох приладів — интерферометров, за допомогою яких виробляють точні вимірювання, контроль чистоти обробки поверхні деталей і т.п.

У 1818 р О.Френель представив розгорнуту доповідь по дифракції світла на конкурс Паризької академії наук. Аналізуючи представлену доповідь, французький математик і фізик С. Пуассон (1781-1840) прийшов до несподіваного висновку: згідно з запропонованою Френелем теорії при певних умовах в центрі дифракційної картини від непрозорого круглого перешкоди на шляху світла повинно бути світла пляма, а не тінь. Інший французький вчений — Д. Араго (1786-1853) тут же поставив досвід, і висновок Пуассона підтвердився. Так, на перший погляд, суперечить теорії Френеля висновок, зроблений Пуассоном, перетворилося завдяки досвіду Араго в один з доказів її справедливості і сприяло визнанню хвильової природи світла.

Відхилення світла від прямолінійного поширення називається дифракцією.

На дифракції засновано багато оптичні прилади. Зокрема, дифракція рентгенівських променів використовується в багатьох апаратах різного призначення.

Хвильову природу світла доводить, крім того, і поляризація. Сутність поляризації наочно демонструє простий досвід: при пропущенні світла через два прозорих кристала його інтенсивність змінюється в залежності від взаємної орієнтації кристалів. При однаковій орієнтації світло проходить без ослаблення. При повороті одного з кристалів на 90 ° світло повністю гаситься, тобто не проходить через кристали. Явище поляризації можна пояснити, вважаючи світло поперечною хвилею. При проходженні через перший кристал відбувається поляризація світла, тобто кристал пропускає тільки хвилі з коливаннями вектора напруженості електричного поля в одній площині. Якщо площини, в якій пропускаються коливання першим і другим кристалом, збігаються, світло проходить без ослаблення. При повороті одного з кристалів на 90 ° він гаситься.

Хвильовий природою світла пояснюється і дисперсія світла, яка проявляється в тому, що вузький паралельний пучок білого світла при проходженні через скляну призму розкладається на пучки світла різного кольору, відповідні різній довжині хвилі. Дисперсію світла вперше експериментально спостерігав Ньютон.

Залежність показника заломлення речовини від довжини хвилі називається дисперсією світла.

Білий світ складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі, і показник заломлення залежить від довжини хвилі. Так, для прозорих речовин показник заломлення максимальний для світла з короткою довжиною хвилі — фіолетового і мінімальний для довгохвильового світла — червоного.

Пояснення явищ дифракції, інтерференції, поляризації і дисперсії світла призвело до остаточного затвердження хвильової теорії світла.

Хвильові властивості світла

Якщо запитати середньостатистичну людину про те, які він знає властивості світла, то без сумніву, кожен відразу назве «отраженіе9raquo ;. Дійсно, мабуть, немає такої дитини, яка б не любила в сонячний день грати з невеликим дзеркалом, відкидає промені — так званого сонячного зайчика. Напевно, багато хто ще згадають, як здорово було грати з тінями — це теж прояв одного з властивостей світла. Але для деяких буде одкровенням той факт, що хвилі, що дозволяють радіо і телевізору відтворювати передачі, є тим же самим світлом. Ніяких чудес немає — все легко пояснити. Причиною даної плутанини є хвильові властивості світла.

Будь-яка речовина, атоми якого знаходяться в збудженому стані, генерують випромінювання електромагнітної природи. Механізм простий: будь-які частинки прагнуть до стану енергетичної рівноваги, тому випромінюють зайву енергію. Це може бути тепло, видиме світло або будь-які інші види випромінювань. Що ж таке світло? Якщо розглядати весь спектр, то видиме оком випромінювання займає частоти в проміжку 790-390 ТГц. Особливість даного випромінювання полягає в тому, що йому притаманні як хвильові властивості світла, так і властивості частинок (корпускулярні). Хто цікавиться технічними новинками, напевно, чув вираз «фотонний двигун». З його сопел вириваються частки світла — фотони, забезпечуючи виникнення імпульсу. Як же тоді зрозуміти «хвильові властивості світла», якщо мова йде про частки? Справа в тому, що видимий нами світ двоїстий: він може бути представлений як у вигляді випромінювання, так і у вигляді потоку частинок. Ряд проведених експериментів дозволяє стверджувати, що вірні обидві точки зору.

Коли розглядають хвильові властивості світла, обов’язково згадують інтерференцію. Вона заснована на зміні яскравості (інтенсивності) ділянок поверхні, освітлених декількома світловими променями. Саме інтерференція дозволила Юнгу провести свій знаменитий експеримент з двома щілинами.

Наступне властивість — це дифракція. Для даного явища існує кілька пояснень, але для людини, малознайомого з оптикою, можна навести таке пояснення: дифракція є обхід хвилею перешкоди на шляху. Тобто, теоретично, потік випромінювання від точкового джерела ніколи не може «задеть9raquo; область тіні від предмета, що формується двома векторами, однак на практиці це припущення порушується. «Віновна9raquo; в цьому саме дифракція. Іноді вона розглядається в якості одного з прояви інтерференції, що не є помилкою.

Широко відоме явище заломлення. Його можна спостерігати і вдома: для цього достатньо налити води в склянку і помістити туди ложку. Якщо тепер подивитися на ложку, то в місці переходу повітря-вода помітно спотворення, що порушує геометричну правильність. Це відбувається через заломлення променів на межі двох різних середовищ.

Чи доводилося вам замислюватися, чому з сонячний зимовий день яскравість світла настільки висока, що доводиться одягати окуляри із затемненими стеклами? Причина цього в відображенні променів від білої поверхні, утвореної снігом. Частина хвиль змінює напрямок свого руху на протилежне через взаємодію з поверхнею.

Для вивчення поведінки частинок в квантових процесах використовується оптична решітка. Якщо кілька променів лазера паралельно направити в одну сторону, а їм зустрічно — інші промені, то в проміжках виникне енергетичний потенціал. Навколишні нейтральні атоми концентруються в його мінімумах, формуючи подобу кристалічної решітки. Змінюючи частоту променів, кут між ними або випромінюється потужність, вдається керувати поведінкою цих атомів.

Хвильові властивості світла

9 знаменитих жінок, які закохувалися в жінок Прояв інтересу не до протилежної статі не є чимось незвичайним. Ви навряд чи зможете здивувати або вразити кого-то, якщо визнаєте в тому.

Хвильові властивості світла

10 самих «фотогенічних» нарядів Ви прекрасно себе почуваєте в своєму улюбленому вільній сукні або величезному в’язаному светрі і насолоджуєтеся життям. Проте все міняється, як тільки ви.

Хвильові властивості світла

Час бити на сполох: 11 ознак, що ваш партнер вам змінює Зрада — це найстрашніше, що може трапитися у відносинах двох людей. Причому, як правило, все відбувається не як у фільмах або серіалах, а набагато.

Хвильові властивості світла

Що форма носа може сказати про вашої особистості? Багато експертів вважають, що, подивившись на ніс, можна багато чого сказати про особу людини. Тому при першій зустрічі зверніть увагу на ніс незнайомий.

Хвильові властивості світла

Як виглядати молодше: кращі стрижки для тих, кому за 30, 40, 50, 60 Дівчата в 20 років не хвилюються про форму і довжині зачіски. Здається, молодість створена для експериментів над зовнішністю і зухвалих локонів. Однак уже остан.

Хвильові властивості світла

7 речей, які слід мити і прати кожен день Це може здатися ще одним пунктом в нескінченному списку щоденних справ, але за цим криється ефективний метод, який дозволяє створити позитивними.

Хвильові властивості світла

Список використаної літератури


Світло відіграє надзвичайно важливу роль в нашому житті. Переважна кількість інформації про навколишній світ людина отримує за допомогою світла.


Розділ фізики, що вивчає властивості, фізичну природу світла, а також його взаємодія з речовиною, називається проптіка. її розділ хвильоваоптика. вивчає явища, в яких проявляються хвильові властивості світла. Однак в оптиці, як розділі фізики, під світлом розуміють не тільки видимийсвітло. але і примикають до нього широкі діапазони спектра електромагнітного випромінювання — інфрачервоний (ІК) і ультрафіолетовий (УФ).


За своїми фізичними властивістю світло принципово не відрізняється від електромагнітного випромінювання інших діапазонів — різні ділянки спектру відрізняються один від одного тільки довжиноюхвилі і частотою .


Таким чином, світлова хвиля — це електромагнітна хвиля видимого діапазону довжин хвиль.


Мета даної роботи: вивчення та характеристика основних хвильових властивостей світла.


Робота складається з вступу, основної частини, висновків та списку літератури. Загальний обсяг роботи 18 сторінок.


1.розвитокуявленьпроприродісвітла


Перші уявлення про природу світла виникли у стародавніх греків і єгиптян, але уявлення давніх учених про те, що таке світло, були досить наївні. Існувало кілька точок зору. Одні вважали, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і ​​зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Інші, навпаки, вважали, що промені випускаються світиться тілом і, досягаючи людського ока, несуть на собі відбиток світиться предмета. У міру винаходи і вдосконалення різних оптичних приладів (параболічного дзеркала, мікроскопа, зорової труби) ці уявлення розвивалися і трансформувалися. В кінці XVII століття виникли дві теорії світла: корпускулярна (І. Ньютон) і хвильова (Р.Гук і Х. Гюйгенс).


згідно корпускулярноїтеорії. світло являє собою потік часток (корпускул), що випускаються світяться тілами. Ньютон вважав, що рух світлових корпускул підкоряється законам механіки. Так, відбиття світла розумілося аналогічно відображенню пружного кульки від площини. Заломлення світла пояснювалося зміною швидкості корпускул при переході з одного середовища в іншу. Ньютон намагався також пояснити появу інтерференційних смуг, допускаючи певну періодичністьсвітловихпроцесів. Таким чином, корпускулярна теорія Ньютона містила в собі елементи хвильових уявлень.


хвильоватеорія. на відміну від корпускулярної, розглядала світло як хвильовий процес, подібний механічним хвилях. В основу хвильової теорії був покладений принципГюйгенса. згідно з яким кожна точка, до якої доходить хвиля, стає центром вторинних хвиль, а огинає цих хвиль (площину A1A2 на рис.1) дає положення хвильовогофронту в наступний момент часу. Під хвильовим фронтом Гюйгенс розумів геометричне місце точок, до яких одночасно доходить хвильовий обурення. За допомогою принципу Гюйгенса були пояснені закони відображення і заломлення. Мал. 1 дає уявлення про побудовах Гюйгенса для визначення напрямку поширення хвилі, преломленной на кордоні двох прозорих середовищ.


Таким чином, до початку XVIII століття існувало два протилежні підходи до пояснення природи світла: корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія Гюйгенса.


Малюнок 1 — Побудови Гюйгенса для визначення напрямку


преломленной хвилі


Обидві теорії пояснювали прямолінійне поширення світла, закони відображення і заломлення. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет Ньютона змушував більшість вчених віддавати перевагу нової теорії. Відомі на той час з досвіду закони поширення світла більш або менш успішно пояснювались обома теоріями.


Весь XVIII століття стало століттям боротьби цих теорій. Однак на початку XIX століття ситуація докорінно змінилася. Корпускулярна теорія була відкинута і восторжествувала хвильова теорія. Велика заслуга в цьому належить англійському фізику Т.Юнгом і французькому фізику О.Френель, що досліджували явища інтерференції і дифракції. Вичерпне пояснення цих явищ могло бути дано тільки на основі хвильової теорії. Важливе експериментальне підтвердження справедливості хвильової теорії було отримано в 1851 році, коли Ж.Фуко (і незалежно від нього А. Фізо) виміряв швидкість поширення світла у воді.

І, хоча до середини XIX століття хвильова теорія була загальновизнана, питання про природу світлових хвиль залишався відкритим. Несподівано з’ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все ж має відношення до дійсності. У 60-ті роки XIX століття Максвеллом були встановлені загальні закони електромагнітного поля, які привели його до висновку, що світло — це електромагнітні хвилі. Електромагнітна природа світла одержала визнання після дослідів Г. Герца з дослідження електромагнітних хвиль (1887-1888 рр.). На початку XX століття після дослідів П. Н. Лебедєва по вимірюванню світлового тиску (1901 г.) електромагнітна теорія світла перетворилася в твердо встановлений факт. Найважливішу роль в з’ясуванні природи світла зіграло дослідне визначення його швидкості.


2.хвильовівластивостісвітла


2.1світлоелектромагнітнахвиля.швидкістьпоширеннясвітла

Отже, завдяки роботам Х. Гюйгенса, О.Френель, Т. Юнга усталилася думка, що світлоцепроцеспоширенняколивань,тобтохвиля. Згідно з уявленнями Гюйгенса і Френеля при поширенні світла відбуваються коливання щільності невидимою середовища — ефіру, що заповнює весь простір.


Подібність властивостей електромагнітних хвиль, відкритих Герцем в 1887 р і властивостей світла дозволило утвердитися уявленням про те, що світлоцеелектромагнітнахвиля. тобто при поширенні світла в середовищі, в тому числі і в вакуумі, відбувається поширення коливань напруженості електричного поля і індукції магнітного поля з частотою приблизно (4ё7) х 10 14 Гц. На користь цього свідчать такі експериментальні факти:


— поширення світла у вакуумі зі швидкістю 300 000 км / c, що збігається зі швидкістю поширення електромагнітних хвиль, невидимих ​​оку;


— пояснення закону заломлення світла на межі вода-повітря зменшенням швидкості поширення хвилі в воді;


— спостереження явищ інтерференції, дифракції і поляризації світла.


Нижче наведені схеми класичних дослідів з визначення швидкості поширення світла (рис.2).


Малюнок 2 — Класичні досліди з визначення швидкості поширення світла


Найбільш наочно хвильові властивості світла виявляються в явищах дифракції та інтерференції.


2.2інтерференціясвітловиххвиль


інтерференція (Від лат. inter-вдаряю і ferioвзаємно ) — одне з яскравих проявів хвильової природи світла. Це цікаве і красиве явище спостерігається при накладенні двох або декількох світлових пучків. Інтенсивність світла в області перекривання пучків має характер чергуються світлих і темних смуг, причому в максимумах інтенсивність більше, а в мінімумах менше суми інтенсивностей пучків (інтерференційна картина). З інтерференційними явищами ми стикаємося досить часто: кольору масляних плям на асфальті, забарвлення замерзаючих шибок, химерні кольорові малюнки на крилах деяких метеликів і жуків — все це прояв інтерференції світла.

Перший експеримент зі спостереження інтерференції світла в лабораторних умовах належить І.Ньютону. Він спостерігав інтерференційну картину, що виникає при відображенні світла в тонкій повітряному прошарку між плоскою скляною пластиною і плосковипуклой лінзою великого радіуса кривизни (рис. 3.7.1). Інтерференційна картина мала вигляд концентричних кілець, які отримали назву кілецьНьютона (Рис. 3, 4).


Малюнок 3 — Спостереження кілець Ньютона.


Інтерференція виникає при складанні хвиль, що відбилися від двох сторін повітряного прошарку. «Промені» 1 і 2 — напрямку поширення хвиль; h — товщина повітряного зазору


Малюнок 4 — Кільця Ньютона в зеленому і червоному світлі


Ньютон не зміг з точки зору нової теорії пояснити, чому виникають кільця, однак він розумів, що це пов’язано з якоюсь періодичністю світлових процесів. Першими дослідами, що дозволили реалізувати кількісні вимірювання довжин хвиль видимого світла на основі інтерференції, є досліди Юнга. Для спостереження інтерференції електромагнітних хвиль необхідна когерентність (Узгодженість) джерел. На початку XIX ст. він використовував для отримання двох когерентних джерел наступний прийом. Між двома щілинами, які повинні були стати когерентними джерелами світла, і природним джерелом світла він поставив ще один екран з щілиною (рис.5). Юнгу вдалося виявити, що кожна світла інтерференційна смуга являє собою райдужну смужку, в якій є кольори від фіолетового до червоного. Фактично Юнг, погоджуючись з думкою Ньютона в тому, що сонячний біле світло є сумішшю випромінювань різного кольору, поставив у відповідність поняттю «колір» кількісну характеристику — довжину (а значить, і частоту) світлової хвилі. Відтоді монохроматичної пучком (грец. хромосом — колір) називається хвиля із заданою частотою коливань, а значить, і довжиною.


Малюнок 5 — Кількісні вимірювання довжин хвиль видимого світла на основі інтерференції Юнга


Інтерференцією світла пояснюється забарвленнямильнихбульбашок і тонких масляних плівок на воді, хоча мильний розчин і масло безбарвні. Коли світло проходить крізь тонку плівку міхура, частина його відбивається від зовнішньої поверхні, в той час як інша частина проникає всередину плівки і відбивається від внутрішньої поверхні. Тому освітлена білим світлом тонка кольорова прозора плівка здається забарвленою.


Явище інтерференції в тонких плівках застосовується для контролю якості обробки поверхонь просвітлення оптики. При проходженні світла через мале круглий отвір на екрані навколо центрального світлої плями спостерігаються чергуються темні і світлі кільця; якщо світло проходить через вузьку щілину, то виходить картина з чергуються світлих і темних смуг.


Сучасні джерела світла — лазери випромінюють світло, який можна описати у вигляді плоскої синусоїдальної хвилі довжиною синусоидального цуга в сотні і тисячі метрів. Тому якщо висвітлити два отвори світлом лазера, то на екрані за отворами можна спостерігати картину чергування інтерференційної-них максимумів і мінімумів (рис. 6).


Малюнок 6 — Чергування інтерференційних максимумів і мінімумів


На малюнку 7 наведено оптичні схеми, за допомогою яких можна спостерігати інтерференцію, роздвоюючись світлову хвилю від одного джерела світла.


Малюнок 7 — Оптичні схеми спостереження інтерференції


проблемакогерентностіхвиль. Теорія Юнга дозволила пояснити інтерференційні явища, що виникають при складанні двох монохроматичниххвиль однієї і тієї ж частоти. Однак повсякденний досвід вчить, що інтерференцію світла в дійсності спостерігати не просто. Так, якщо в кімнаті горять дві однакові лампочки, то в будь-якій точці складаються інтенсивності світла і ніякої інтерференції не спостерігається. Інтерференція може виникнути тільки при додаванні когерентних коливань, т. Е. Коливань, які стосуються одного і того ж Цугу. Хвилі, що створюють в точці спостереження когерентні коливання, також називаються когерентними. Хвилі від двох незалежних джерел некогерентного і не можуть дати інтерференції і Юнг інтуїтивно вгадав, що для отримання інтерференції світла потрібно хвилю від джерела розділити на дві когерентні хвилі і потім спостерігати на екрані результат їх складання.


Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичні явища, такі як інтерференція, дифракція, поляризація і т. Д. Однак, ця теорія не завершила розуміння природи світла. Вже на початку XX століття з’ясувалося, що ця теорія є недостатньою для тлумачення явищ атомногомасштабу. що виникають при взаємодії світла з речовиною. Для пояснення таких явищ, як випромінювання чорного тіла, фотоефект, ефектКомптона та ін. треба було введення http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter5/section/paragraph1/theory.htmlквантовихуявлень. Наука знову повернулася до ідеї корпускул — світлових квантів. Той факт, що світло в одних дослідах виявляє хвильові властивості, а в інших — корпускулярні, означає, що він має складну подвійну природу, яку прийнято характеризувати терміном корпускулярно-хвильовий дуалізм.


2.3 Діфракціясвітла


дифракцієюсвітла називається явище відхилення світла від прямолінійного напрямку поширення при проходженні поблизу перешкод. Як показує досвід, світло при певних умовах може заходити в область геометричної тіні. Якщо на шляху паралельного світлового пучка розташоване кругле перешкоду (круглий диск, кулька або круглий отвір в непрозорому екрані), то на екрані, розташованому на досить великій відстані від перешкоди, з’являється дифракційнакартина — система чергуються світлих і темних кілець. Якщо перешкода має лінійний характер (щілину, нитка, край екрана), то на екрані виникає система паралельних дифракційних смуг. Дифракція світла використовується в спектральних приладах, основним елементом яких є дифракційна решітка. Дифракційна решітка являє собою прозору пластинку з нанесеною на ній системою паралельних непрозорих смуг, розташованих на однаковій відстані одна від одної.


Дифракційні явища були добре відомі ще за часів Ньютона, але пояснити їх на основі нової теорії світла виявилося неможливим. Перше якісне пояснення явища дифракції на основі хвильових уявлень було дано англійським вченим Т.Юнгом, коли в досвіді по інтерференції світла від двох отворів проявляється і друге хвильовий властивість світла — дифракція — явище переносу енергії хвилею в область геометричної тіні. Дійсно, плоский фронт лазерного світла, падаючи на екран з двома отворами, мав би відповідно до уявлень геометричній оптики давати на екрані Е (Див. Рис.6) два освітлених плями розміром трохи більше розміру отворів. Однак він дає розходяться конуси, а при перетині конусів саме на перпендикуляре, проведеному через центр відрізка між отворами S1 і S1. де повинна була б бути тінь, виходить найяскравіша смуга світла.


Незалежно від Юнга в 1818 р французький вчений О.Френель розвинув кількісну теорію дифракційних явищ. В основу теорії Френель поклав принцип Гюйгенса, доповнивши його ідеєю про інтерференції вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса в його первісному вигляді дозволяв знаходити тільки положення хвильових фронтів в наступні моменти часу, т. Е. Визначати напрямокпоширенняхвилі. По суті, це був принцип геометричної оптики. Гіпотезу Гюйгенса про обвідної вторинних хвиль Френель замінив фізично ясним становищем, згідно з яким вторинні хвилі, приходячи в точку спостереження, интерферируют один з одним. принципГюйгенса-Френеля також представляв собою певну гіпотезу, але наступний досвід підтвердив її справедливість. У ряді практично важливих випадків рішення дифракційних задач на основі цього принципу дає досить хороший результат. Мал. 8 ілюструє принцип Гюйгенса-Френеля.


Малюнок 8 — Принцип Гюйгенса-Френеля.


ДS1 і ДS2 — елементи хвильового фронту, і — нормалі


Іншим яскравим експериментом, який ілюструє дифракцию світла, є експеримент, коли в лазерний пучок поміщається непрозорий шар, диск або стрижень і в центрі його тіні спостерігається світла пляма або смуга.


Слід зазначити, що теорія дифракції (і інтерференції) світлових хвиль може бути застосована до хвиль будь-якої фізичної природи. В цьому проявляється спільність хвильових закономірностей.


2.4поляризаціїсвітла


На початку XIX століття, коли Т. Юнг і О.Френель розвивали хвильову теорію світла, природа світлових хвиль була невідома. На першому етапі передбачалося, що світло являє собою поздовжні хвилі, що поширюються в деякій гіпотетичному середовищі — ефірі. При вивченні явищ інтерференції і дифракції питання про те, чи є світлові хвилі поздовжніми або поперечними, мав другорядне значення. Однак поступово накопичувалися експериментальні факти, що свідчать про поперечности світлових хвиль.


В кінці XVII ст. Х. Гюйгенс було відкрито явище поляризації світла, яке полягає в тому, що у світлового пучка від природного джерела (Сонце, свічка), пропущеного через кристали деяких мінералів (польовий шпат, турмалін), з’являється анізотропія в площині, перпендикулярній напряму розповсюдження (рис. 9,а ,б ). Іншими словами, в поперечному перерізі такого пучка можна виділити особливий напрямок, яке проявляється в тому, що якщо другий кристал того ж мінералу направити так само, як і перший, то світло крізь нього проходить (рис.9,в ), А якщо другий кристал повернути на 90 °, то світло крізь нього не проходить (рис.9,г ).


Малюнок 9 — Явище поляризації світла


Пізніше було виявлено: світло, відбите іпереломлені від будь-якої межі розділу двох середовищ, частково поляризується, що пов’язано з особливостями взаємодії світла і речовини. У поляризованому світлі вектор напруженості електричного поля коливається в одній площині, тому така хвиля називається плоскополяризованої .


В середині 60-х років XIX століття на підставі збігу відомого значення швидкості світла зі швидкістю поширення електромагнітних хвиль Максвелл дійшов висновку про те, що світло — це електромагнітні хвилі. На той час поперечності світлових хвиль вже була доведено експериментально. Тому Максвелл справедливо вважав, що поперечності електромагнітних хвиль є ще одним дуже важливим доказом електромагнітної природи світла. Електромагнітна теорія світла придбала належну стрункість, оскільки зникла необхідність введення особливого середовища поширення хвиль — ефіру, який доводилося розглядати як тверде тіло.


2.5спектральніприлади.дифракційнарешітка


До складу видимого світла входять монохроматические хвилі з різними значеннями довжин. У випромінюванні нагрітих тіл (нитка лампи розжарювання) довжини хвиль безперервно заповнюють весь діапазон видимого світла. Таке випромінювання називається білимсвітлом. Світло, яке випромінюється, наприклад, газорозрядними лампами і багатьма іншими джерелами, містить в своєму складі окремі монохроматичні складові з деякими виділеними значеннями довжин хвиль. Сукупність монохроматичних компонент у випромінюванні називається спектром. Білий світ має безперервнийспектр. випромінювання джерел, в яких світло випускається атомами речовини, має дискретнийспектр. Прилади, за допомогою яких досліджуються спектри випромінювання джерел, називаються спектральнимиприладами .


Для розкладання випромінювання в спектр в найпростішому спектральному приладі використовується призма (рис.10). Дія призми засноване на явищі дисперсії тобто залежності показника заломлення n речовини від довжини хвилі світла л.


Малюнок 10 — Розкладання випромінювання в спектр за допомогою призми


щілина S. на яку падає досліджуване випромінювання, знаходиться в фокальній площині лінзи Л1. Ця частина приладу називається коллиматором. Виходить з лінзи паралельний пучок світла падає на призму P. Внаслідок дисперсії світло різних довжин хвиль виходить з призми під різними кутами. У фокальній площині лінзи Л2 розташовується екран або фотопластинка, на якій фокусується випромінювання. В результаті в різних місцях екрану виникає зображення вхідної щілини S в світлі різних довжин хвиль. У всіх прозорих твердих речовин (скло, кварц), з яких виготовляються призми, показник заломлення n в діапазоні видимого світла убуває зі збільшенням довжини хвилі л, тому призма найбільш сильно відхиляє від первісного напрямку сині і фіолетові промені і найменш — червоні.


Можливість повного внутрішнього відображення на гранях призми дозволяє використовувати призму для відображення променів замість дзеркала. Таке використання призми показано на малюнку 11 в призматичному біноклі.


Малюнок 11 — призматичний бінокль


Дисперсією світла пояснюється і таке природне явища, як веселка. Ще з часів Ньютона призма використовується і як пристрій для розкладання білого світла на складові.


У спектральних приладах високого класу замість призм застосовуються дифракційнірешітки. Грати представляють собою періодичні структури, вигравірувані спеціальної делительной машиною на поверхні скляної або металевої пластинки (рис.12). У хороших решіток паралельні один одному штрихи мають довжину близько 10 см, а на кожен міліметр припадає до 2000 штрихів. При цьому загальна довжина решітки досягає 10-15 см.


Малюнок 12 — Дифракційна решітка


Найпростіша дифракційна решітка складається з прозорих ділянок (щілин), розділених непрозорими проміжками. На решітку за допомогою коліматора направляється паралельний пучок досліджуваного світла. Спостереження ведеться в фокальній площині лінзи, встановленої за гратами (рис.13).


Малюнок 13 — Дифракція світла на решітці


У кожній точці P на екрані в фокальній площині лінзи зберуться промені, які до лінзи були паралельні між собою і поширювалися під певним кутом і до напрямку падаючої хвилі. Коливання в точці P є результатом інтерференції вторинних хвиль, що приходять в цю точку від різних щілин.


При дифракції світла на решітці головні максимуми надзвичайно вузькі. Як випливає з формули дифракційної решітки (де d — період решітки, б — кут максимуму даного кольору, k — порядок максимуму, л — довжина хвилі) положення головних максимумів (крім нульового) залежить від довжини хвилі л. Тому решітка здатна розкладати випромінювання в спектр, тобто вона є спектральнимприладом .


За допомогою дифракційної решітки можна робити дуже точні вимірювання довжини хвилі. Однією з найважливіших характеристик дифракційних грат є її роздільназдатність .


Дифракційну решітку застосовують в спектральних приладах, також як оптичних датчиків лінійних і кутових переміщень (вимірювальні дифракційні грати), поляризаторів і фільтрів інфрачервоного випромінювання, подільників пучків в інтерферометрах і так званих «антивідблисків» окулярах. Роздільна здатність спектральних приладів, і, зокрема, дифракційної решітки, також як і граничне дозвіл оптичних інструментів, що створюють зображення об’єктів визначається хвильової природою світла.


Таким чином, хвильові властивості світла експериментально неспростовно доведено.


висновок


Отже, завдяки роботам Х.Гюйгенса, О. Френеля, Т. Юнга усталилася думка, що світло — це процес поширення коливань, тобто хвиля.


Те, що світло має хвильовими властивостями, було відомо давно. Роберт Гук у своїй роботі «Мікрографія» порівнює світло з поширенням хвиль. Християн Гюйгенс в 1690 р опублікував «Трактат про світло», в якому розвиває хвильову теорію світла.


На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості електромагнітних хвиль було виявлено, що світло — це електромагнітна хвиля. Світла притаманні всі властивості електромагнітних хвиль: відбиття, переломлення, інтерференція, дифракція, поляризація.


Цікаво, що Ньютон у своєму трактаті про оптика переконує себе і інших в тому, що світло складається з частинок — корпускул. Авторитет Ньютона якийсь час навіть перешкоджав визнання хвильової теорії світла, хоча Ньютон сам сконструював і виготовив прилад, на якому спостерігав явище інтерференції, відоме сьогодні кожному школяреві під назвою «Кільця Ньютона».


Інтерференція світла — це складання світлових хвиль, при якому зазвичай спостерігається характерне просторове розподіл інтенсивності світла (інтерференційна картина) у вигляді чергуються світлих і темних смуг внаслідок порушення принципу складання інтенсивностей. Інтерференція світла спостерігається, за умови: хвилі мають однакову частоту, постійну в часі різниця фаз.


Має найширше застосування для вимірювання довжини хвилі випромінювання, дослідження тонкої структури спектральної лінії, визначення щільності, показників заломлення і дисперсійних властивостей речовин, для вимірювання кутів, лінійних розмірів деталей в довжині світової хвилі, для контролю якості оптичних систем і багато чого іншого.


Дифракція — це явище огинання світлом перешкоди внаслідок інтерференції вторинних хвиль від джерел на краях перешкоди. Як показує досвід, світло при певних умовах може заходити в область геометричної тіні. Якщо на шляху паралельного світлового пучка розташоване кругле перешкоду (круглий диск, кулька або круглий отвір в непрозорому екрані), то на екрані, розташованому на досить великій відстані від перешкоди, з’являється дифракційна картина — система чергуються світлих і темних кілець. Якщо перешкода має лінійний характер (щілину, нитка, край екрана), то на екрані виникає система паралельних дифракційних смуг. Умова дифракції: розміри перешкод повинні бути менше або дорівнюють розміру хвиль.


Відіграє істотну роль при розсіюванні світла в каламутних середовищах, наприклад на порошинки, крапельках туману і т.п. На дифракції світла заснована дія спектральних приладів з дифракційними гратами (дифракційних спектрометрів). Дифракція світла визначає межа роздільної здатності оптичних приладів (телескопів, мікроскопів). Завдяки дифракції світла зображення точкового джерела (зірки в телескопі) має вигляд гуртка.


Дисперсія — це залежність показника заломлення світла від частоти коливань (або довжини хвилі). При проходженні світла через речовину, що має заломлює кут, відбувається розкладання світла на кольори.


Поляризація — одне з фундаментальних властивостей оптичного випромінювання (світла), що складається в нерівноправність різних напрямів в площині, перпендикулярній світловому променю (напрямку поширення світлової хвилі). Виникає, коли світло під певним кутом падає на поверхню, відбивається і стає поляризованим.


Таким чином, явища інтерференції, дифракції, дисперсії, поляризації світла від звичайних джерел світла незаперечно свідчить про хвильових властивості світла.


Отже, ми вивчили всі хвильові властивості світла і з’ясували, де і коли в житті ми використовуємо ці властивості. У багатьох галузях природознавства колір служить важливою діагностичною ознакою. Маючи точну його характеристику, легше визначати види рослин, тварин, мінералів. Величезне значення світло і колір мають в образотворчому мистецтві.


переліклітератури


1. Громов С.В. Фізика. Оптика. Теплові явища. Будова речовини. 11 кл. / С.В. Громов; під ред. Н.В. Шаронова. — М. Просвітництво, 2005. — 287 с.


2. Демонстраційний експеримент з фізики «Хвильова оптика». Керівництво до виконання експеріментов.- М. МГИУ, 2006.- 35 с.


3. Кабардин О.Ф. Фізика. Довідкові матеріали / О.Ф. Кабардин. — М. Дрофа, 2008. — 367 с.


4. Мякішев Г.Я. Фізика: Учеб. для 11 кл. загальноосвіт. установ / Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев. — М. Просвітництво, 2009. — 399 с.


5. Яворський Б.М. Довідник з фізики / Б.М. Яворський, А.А. Детлаф. — М. Наука 2002. — 624 с.

подібні документи

Хвильові та квантові аспекти теорії світла. Теоретичні питання інтерференції і дифракції. Оцінка технічних можливостей спектральних приладів, дифракційної решітки. Методика визначення довжини хвилі світла по спектру від дифракційної решітки.

методичка [211,1 K], добавлена ​​30.04.2014

Значення світла для життя на Землі. Теорії про розвиток світу. Характеристика хвильових властивостей світла. Застосування інтерференції і дифракції світла, уявлення про його природу. Фотонна молекула як нова форма матерії, пристрій середовища її існування.

реферат [327,1 K], добавлена ​​07.05.2015

Розгляд дифракції — відхилення світлових променів від прямолінійного поширення при проходженні крізь вузькі щілини, малі отвори або при обгинанні малих перешкод. Хвильові властивості світла. Принцип Гюйгенса-Френеля. Будова дифракційної решітки.

реферат [1,4 M], добавлена ​​04.08.2014

Аналіз теорій поширення електромагнітних хвиль. Характеристика дисперсії, інтерференції і поляризації світла. Методика постановки дослідження дифракції Фраунгофера на двох щілинах. Вплив дифракції на роздільну здатність оптичних інструментів.

реферат [2,0 M], добавлена ​​19.01.2015

Основи теорії дифракції світла. Експерименти по дифракції світла, умови її виникнення. Особливості дифракції плоских хвиль. Опис поширення електромагнітних хвиль за допомогою принципу Гюйгенса-Френеля. Дифракція Фраунгофера на отворі.

реферат [1,5 M], добавлена ​​23.08.2013

Перетворення світла при його падінні на межу двох середовищ: відображення (розсіювання), пропускання (переломлення), поглинання. Фактори зміни швидкості світла в речовинах. Прояви поляризації і інтерференції світла. Інтенсивність відбитого світла.

реферат [759,5 K], добавлена ​​26.10.2013

Пояснення явища інтерференції. Розвиток хвильової теорії світла. Дослідження Френеля з інтерференції і дифракції світла. Перерозподіл світлової енергії в просторі. Інтерференційний досвід Юнга з двома щілинами. Довжина світлової хвилі.

реферат [31,1 K], добавлена ​​09.10.2006

Хвильова теорія світла і принцип Гюйгенса. Явище інтерференції світла як просторового перерозподілу енергії світла при накладенні світлових хвиль. Когерентність і монохроматичності світлових потоків. Хвильові властивості світла і поняття цуга хвиль.

реферат [9,4 M], добавлена ​​25.07.2015

Хвильові властивості світла: дисперсія, інтерференція, дифракція, поляризація. Досвід Юнга. Квантові властивості світла: фотоефект, ефект Комптона. Закономірності теплового випромінювання тіл, фотоефекту.

реферат [132,9 K], добавлена ​​30.10.2006

Вивчення явищ інтерференції і дифракції. Експериментальні факти, які свідчать про поперечности світлових хвиль. Висновок про існування електромагнітних хвиль, електромагнітна теорія світла. Просторова структура еліптично-поляризованої хвилі.

реферат [485,0 K], добавлена ​​11.12.2009




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *