Lecture_1

ЛЕКЦИЯ 1

Свет – это электромагнитное (э/м) излучение, включающее видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый диапазон частот и длин волн.

Участки спектра различаются длиной волны и частотой .

u , где u – скорость света. Для вакуума u = c = 3 108 м/c.

Э/м спектр:

радиоволны ( 0.1 мм),

инфракрасное ИК ( = 760 нм 2 мм),

видимое ( = 400 760 нм),

УФ ( = 10 400 нм),

рентгеновское и гамма-излучения.

Оптический спектр – от условной границы ИК излучения ( = 2 мм, = 1.5 1011 Гц) до условной коротковолновой границы УФ ( = 10 нм, = 3 1016 Гц).

Участки спектра различаются не по своей физической природе, а по способу генерации и приема излучения. Между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, границы между ними условны.

В зависимости от длины волны доминирующими являются либо волновые, либо квантовые свойства излучения. В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства. В оптической области наряду с волновыми проявляются и квантовые свойства излучения. Явления распространения света правильно описываются в рамках волновых теорий, а для описания взаимодействия света и вещества необходимы корпускулярные представления.

С квантовой точки зрения э/м излучение существует в виде порций энергии – квантов. Энергия кванта излучения E = h , h = 6.62 10-34 Дж с – постоянная Планка. Кванты излучения видимого диапазона называются фотонами. Они имеют энергию в интервале

E = (2.6 5.2) 10-19 Дж = 1.6 3.2 эВ.

Наиболее интенсивным источником э/м излучения на Земле является Солнце (T 6000К).

Максимум интенсивности излучения по приходится примерно на = 500 нм. При прохождении света через атмосферу Земли в результате рассеяния и поглощения состав спектра существенно меняется и обрывается при 300 нм. Т.е. при прохождении через атмосферу наиболее сильно ослабляется коротковолновая часть спектра.

Геометрическая оптика изучает законы распространения света без учета его волновых свойств. Физическая оптика изучает свойства и физическую природу света, его взаимодействие с веществом.

ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Воснове геометрической оптики лежат 4 закона, установленные опытным путем:

1.Закон прямолинейного распространения света

2.Закон независимости световых пучков

3.Закон отражения

4.Закон преломления света

1.Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Доказательство – резкие тени от предметов. Отступления от закона прямолинейного распространения света обусловлены дифракцией и другими явлениями, которые изучает физическая оптика.

2.Распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет. Освещенность экрана, создаваемая несколькими пучками, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности. Этот закон нарушается при

интерференции света.

3.Когда луч достигает плоской границы раздела двух прозрачных сред, он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается).

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения (плоскость падения), причем угол падения равен углу отражения .

=

4.Преломленный луч лежит в плоскости падения, причем

Здесь n1 и n2 – абсолютные показатели преломления первой и второй среды, соответственно.

Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

Явление полного внутреннего отражения

Рассмотрим случай, когда = 900. Тогда sin пр= n21, где пр – предельный угол полного отражения. При пр возникает полное отражение.

Явление полного внутреннего отражения широко используется на практике при изготовлении биноклей, перископов, рефрактометров, световодов и т.д.

Принцип Ферма. Закон преломления вытекает из принципа наименьшего времени Ферма: свет выбирает из всех возможных путей, соединяющих две точки, тот путь, который требует наименьшего времени для его прохождения.

Понятие продольной и поперечной волны

Волна называется продольной, если колебания какой-либо физической величины происходят в направлении распространения волны. Если колебания происходят в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны, то волна называется поперечной.

Природа возникновения э/м волн.

Возникновение в каком-либо месте среды переменного электрического тока сопровождается появлением в окружающем пространстве переменного магнитного поля, что приводит к образованию переменного электрического поля (электромагнитная индукция), порождающего переменные токи смещения. Токи смещения обусловливают возникновение магнитного поля, так же как и обычные токи проводимости в проводнике создают вокруг себя магнитное поле. Таким образом, все новые и новые области пространства становятся областью действия э/м полей. Возникшее где-либо электрическое колебание не остается локализованным, а постепенно захватывает новые участки пространства, распространяясь в виде э/м волны.

Этот процесс описывается уравнениями Максвелла, которые связывают изменения напряженностей электрического ( E ) и магнитного ( H ) полей.

Уравнения Максвелла

D - вектор электрического смещения, - объемная плотность зарядов, B - вектор магнитной индукции, j – ток проводимости.

Вытекает из закона о зависимости напряженности магнитного поля H от величины породившего его тока (теорема о циркуляции).

D - плотность тока смещения.

t

Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения, в отличие от тока проводимости, обусловленного движением заряженных частиц.

Переменное во времени электрическое поле порождает такое же магнитное поле, как и ток

Eинд - электродвижущая сила, возникающая в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции BndS , пронизывающего этот контур.

S

Максвелл указал, что причина появления э.д.с. индукции заключается в возникновении

электрического поля, а проводники играют второстепенную роль, являясь прибором, обнаруживающим это поле. Под действием поля электроны проводимости в контуре приходят в движение, и в нем возникает ток.

Возникающее поле не является электростатическим! Электрическое поле, возникающее при э/м индукции, является вихревым, то есть имеет непрерывные силовые линии. Сторонней силой является сила вихревого электрического поля.

Таким образом, всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.

Для потенциального электростатического поля, создаваемого неподвижными электрическими

зарядами, rot E 0 .

Природа световых волн связана именно с переменным электрическим полем, имеющим вихревой характер. Но наличие переменного электрического поля приводит к возникновению связанного с ним магнитного поля, и поэтому возникает единое э/м поле.

где – диэлектрическая проницаемость, – магнитная проницаемость, – электропроводность.

Граничные условия для уравнений э/м поля

При отсутствии поверхностных токов и зарядов выполняются следующие равенства тангенциальных составляющих:

Система уравнений Максвелла включает в себя уравнения э/м поля, материальные уравнения и граничные условия. Из нее можно получить все свойства э/м поля.