Электромагнитные волны

21.электромагнитные волны. 

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных  работ Фарадея по электричеству  высказал гипотезу о существовании  в природе особых волн, способных  распространяться в вакууме. Эти  волны Максвелл назвал электромагнитными  волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное  поле и, наоборот, при любом изменении  магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все  новые и новые области в  окружающем пространстве (рис. 42). Процесс  взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. 
     
     Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме. 
     
     Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит 
     
      
     
     при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с. 
     Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания. 
     Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн. 
     Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой. 
     Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными. 
     
     При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой  
 

 

 

   

22. Природа света.

Луч света состоит из летящих с огромной скоростью  частиц, которые называются фотонами. Каждый фотон — это крошечный сгусток энергии. Скорость полета частиц света 300 000 километров в секунду. Ничто во Вселенной не может передвигаться с большей скоростью.Фотон не простая частица. Это маленький отрезок электромагнитной волны. Волны отличаются друг от друга энергией и длиной. Чем длиннее волна, тем меньше ее энергия. Фотоны (иначе их называют квантами) разных видов излучения — это отрезки волн различной длины. Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение в определенном диапазоне длин волн: это видимый свет (его источники — Солнце и электрические светильники). Гамма - лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение — это тоже свет, но энергия его частиц очень высока, а длина волны мала. Поэтому мы не можем видеть эти лучи. Есть длинноволновые излучения — инфракрасный свет, радиоволны, энергия фотонов которых мала, поэтому их мы тоже не видим.

Белый свет — это  смесь фотонов световых волн различной  длины.

Наши глаза различают  их по цвету. Если на пути светового  луча поставить стеклянную призму, то луч преломится, то есть отклонится от своего первоначального направления. Лучи различного цвета преломляется под разными углами, поэтому призма разложит белый свет на составляющие его цветные лучи — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Фотоны красного света обладают наименьшей энергией, они и отклоняются меньше других. У фотонов фиолетового света энергия наибольшая, поэтому и отклонение больше, чем у остальных. Прочие цвета располагаются в промежутке между красным и фиолетовым. Если на пути лучей получившейся радуги поставить другую призму, то можно снова собрать их в один белый луч.

23.Основные  законы оптических явлений.

 

Уже  в первые  периоды оптических исследований были на опыте установлены

следующие  четыре основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

     2. Закон  независимости световых пучков.

     3. Закон  отражения от зеркальной поверхности.

     4. Закон  преломления света на границе  двух прозрачных сред.

Дальнейшее изучение этих законов показало, во-первых, что  они имеют гораздо

более глубокий смысл, чем  может казаться  с первого взгляда, и  во-вторых,

что их применение  ограничено, и они являются лишь приближёнными  законами.

Установление условий  и границ применимости основных оптических законов

означало важный прогресс в исследовании природы света.

Сущность этих законов  сводится к следующему.

1. В однородной среде  свет распространяется по прямым  линиям.

2. Световой поток можно  разбить на отдельные световые  пучки, выделяя их,

например, при помощи диафрагм. Действие этих выделенных световых пучков

оказывается независимым, т.е. эффект, производимый  отдельным  пучком, не

зависит от того, действуют  ли одновременно другие пучки или  они устранены

3. Луч падающий, нормаль  к отражающей поверхности и  луч отраженный лежат в одной

плоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны  между собой:

угол падения i равен углу отражения i'. Этот закон также упоминается в

сочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированных

металлических поверхностей (зеркал), известных уже в очень  отдаленную эпоху. 

4.      Закон преломления света

Преломление света – изменение  направления распространения оптического  излучения

(света) при его прохождении  через границу раздела однородных изотропных

прозрачных (не поглощающих) сред с показателем преломления  n₁ и n

₂. Преломление света определяется следующими двумя закономерностями :

преломленный луч лежит  в плоскости , проходящей через падающий луч и нормаль

(перпендикуляр) к поверхности  раздела; углы падения φ и

преломления χ  (рис.3) связаны законом преломления Снелля :

sinφ sinχ

 

n₁sinφ = n₂sinχ или             = n,

где n – постоянная , не зависящая от углов φ и χ. Величина n –

показатель преломления, определяется свойствами обеих сред, через границу

раздела которых проходит свет, и зависит также от цвета лучей.

Преломление света сопровождается также отражением света.

На рис. 3 ход лучей света  при преломлении на плоской поверхности , разделяющей

две прозрачные среды. Пунктиром  обозначен отраженный луч. Угол преломления

χ больше угла падения φ; это  указывает, что в данном случае

происходит преломление  из оптически более плотной первой среды в оптически

менее плотную вторую (n₁ > n₂), n – нормаль к

поверхности раздела.

Явление преломления света  было известно уже Аристотелю. Попытка  установить

количественный закон  принадлежит знаменитому астроному  Птолемею (120 г.

н.э.), который предпринял измерение углов падения и преломления.

Закон отражения и закон  преломления также справедливы  лишь при соблюдении

известных условий. В том  случае, когда размер отражающего  зеркала или

поверхности, разделяющей  две среды, мал , мы наблюдаем заметные отступления

от указанных выше законов. Однако для обширной области явлений, наблюдаемые в

обычных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно

строго.

 

24.интерферация  света.

 

     Интерференция света в оптике - это явление пространственного перераспределения светового потока, происходящее при наложении двух когерентных волн (если частота одинаковая и постоянная разность фаз, то волны когерентные или монохромные волны с постоянной рвзностью фаз); проявляется возникновением максимумов и минимумов интенсивности.

Интерференция света - опыт Юнга. Допустим, что свет от лампочки со светофильтpом, котоpый создает пpактически монохpоматический свет, пpоходит чеpез две узкие, pядом pасположенные щели, за котоpыми установлен экpан (pис. 1.7).

На экpане будет наблюдаться система светлых и темных полос - полос интеpфеpенции. В данном случае единая световая волна pазбивается на две, идущие от pазличных щелей. Эти две волны когеpентны между собой и пpи наложении дpуг на дpуга дают систему максимумов и минимумов интенсивности света в виде темных и светлых полос соответствующего цвета.

Понравился материал? расскажи друзьям  о сайте физика.

Интерференция света - условия max и min.

Условие максимума:

Если в оптической разности хода волн укладывается четное число полуволн или целое число волн, то в данной точке экрана наблюдается усиление интенсивности света (max).

, где  - pазность фаз складываемых волн. 

 

Условие минимума:

Если в оптической разности хода волн укладывается нечетное число полуволн, то в точке минимум.

25. дифракция света.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Явление дифракции объясняется  с помощью принципа Гюйгенса (см. § 170), согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально  падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 256). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка  волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия. 

 

Рис. 256 

 

Явление дифракции характерно для волновых процессов. Поэтому  если свет является волновым процессом, то для него должна наблюдаться дифракция, т. е. световая волна, падающая на границу  какого-либо непрозрачного тела, должна огибать его (проникать в область  геометрической тени). Из опыта, однако, известно, что предметы, освещаемые светом, идущим от точечного источника, дают резкую тень и, следовательно, лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения. Почему же возникает  резкая тень, если свет имеет волновую природу? К сожалению, теория Гюйгенса ответить на этот вопрос не могла.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения  волнового фронта, но не затрагивает  вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса - Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии - такая же, как при отсутствии экрана.

Учет амплитуд и фаз  вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны  в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения  света. В общем случае расчет интерференции  вторичных волн довольно сложный  и громоздкий, однако, как будет  показано ниже, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием.