1. Законы геометрической оптики. Явление полного отражения. Оптика-раздел физ. Кот изучает природу света, свет. явл. и взаимодействие света с веществом. Оптика делится на : геометрическую, волновую, квантовую.

Законы : 1.Закон прямолинейного распространения света: свет в оптической однородной среде распространяется прямолинейно. 2. Закон независимости свето. Пучков: эффект производимый одним пучком не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. 3.Закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикулярный восстановленный к границу падения, лежат в оной Плоскости. 4. Закон преломления : луч падающий, луч преломленный и перпендикулярный восстановленный к границе падения лежат в одной плоскости.Линзы- прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферической поверхностью1. Двояковогнутый 2. Плоско-выгнутые 3. Вогнуто-выпуклая 4.Двояковыгнутая 5.Плосковыгнутая 6. Выпукло-вогнутая.

2. Сложение световых волн. Интерференция. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума интерференционной картины.

Интерференция-это явл. сложение в пространстве двух или нескольких поперечных волн при кот. В разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующих волн. Волны наз. когерентными, если 1)2) Разность фаз м/у колебаниями происходящие в каждую точку пространстваconst

3. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников. Когерентность. Пространственная и временная когерентность.

2 источника света перекрывающиеся в поле интерференции P. Они складываются в фазе(в этих местах max интенсивности эл.-маг. Поля)если в поле интереференции поместить непрозрачный экран, то будет наблюдаться интерференционная картинка. Когерентность волны означает, что в различных пространственных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем.Пространственная когерентность – хар. Разбросом направлений волнового вектора K. Она зависит от условий излучения и формирования световых волн. Представим что источники волн с одинаковыми началами фаз и длиной волны расположены на отрезке длины d, на кот. Наблюдается интерференция. Наблюдаемая картина может быть представлена как наложение интерференционных картин, создаваемых бесконечным множеством пар точечных источников. Временная когерентность волны характеризует сохранение взаимной когерентности при временном отставании одного из таких лучей по отношению к другому. Временной аспект когерентности имеет исключительно важное значение при рассмотрении явл. 1)монохроматические волны с одинаковыми частотами не сущ. Из за статического аспекта. 2) монохроматические волны представляет собой бесконечный пространственно-временной процесс.

5. 5. Интерференция на тонких пленках. Полосы равного наклона. Полосы равной толщины. «Просветление» оптики.

Пусть монохроматическая волна падает на тонкую пpозpачную пленку, от которой она дважды отражается : часть от верхней поверхности пленки, часть - от нижней ее поверхности (а часть проходит через пленку). Эти две отваженные волны (а и b)когерентны и, накладываясь друг на друга, интеpфеpиpуют.

Плоского равного наклона: Пленка имеет постоянную толщину, но на нее падает pасходящийся пучок света. Разность хода интеpфеpиpующих волн будет зависеть от угла падения лучей. Полосы максимумов и минимумов интеpфеpенции следуют тепеpь за постоянными углами падения. Чтобы их наблюдать необходимо собиpать лучи, отpаженные под одним и тем же углом, т. е. собиpать паpаллельные лучи. Поэтому глаз для наблюдения полос pавного наклона нужно сфокусиpовать на бесконечность. Говоpят, что полосы pавного наклона наблюдаются в бесконечности.Полосы равной толщины: пример на клине: в различных местах клина имеет различную разность хода отраженных лучей. Оптическая разность хода опр: Просветле́ние о́птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнкиили нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы.

1. 4. Методы наблюдения интерференции. Метод Юнга. Зеркала Френеля. Бипризма Френеля.

1)Опыт Юнга : Прошедший через щельS свет, в следствие дифракции образовал расходящийся пучок, кот. Падает на 2ой экран B . Пройдя щели S1 и S2 расположенные на одинаковом расстояние , волны в них перекрываются и создают интерференционную картинку. 2)Зеркала Френеля: Две когерентные световые волны получаются в рез. Отражения от двух пластин наклоненные под небольшим углом друг к другу. Источником служит узкая ярко освещенная щель S отраженная от зеркал пучки падают на экран и перекрываются, возникает интерференционная картина. 3) Бипризма Френеля: Для разделения исходной световой волны на две используют призму с углом близким к 180 градусов. Источником света служит ярко освещенная щель S, параллельная преломляющему ребру бипризмы. Образуются 2е близких мнимых изображения. 4) Зеркало Ллойда.

Прямой пучок света от источника S интерферирует с пучком, отражённым от зеркала под углом, близким к прямому. Таким образом, источниками когерентных волн являются источник S и его мнимое изображение в зеркале . При расчёте интерференционной картины следует учитыватьхарактер отражения света от поверхности зеркала.

6. Дифракция – огибание волнами краев протяженности.

Дифракция объясняется принципом Гюйгенса-Френеля. Каждая точка фронта волны является вторичным источником. Интерференция от вторичных источников дает дифракционную картину на экране.

Дифракция Френеля — дифракционная картина, которая наблюдается на небольшом расстоянии от препятствия, по условиям, когда основной вклад в интерференционную картину дают границы экрана.

Зоны Френеля.

Френели предложил разбить фронт волны на зоны, т.о. чтобы каждая следующая зона была отдалена от предыдущей на лямбда/2 дальше от точки Р. Обозначим амплитуды колебаний от первой, второй и т.д. зон

Амплитуда монотонно убывает по мере увеличения номера зоны

7. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на щели.

Дифракция в расходящихся пучках наз. дифракцией Френели. Дифракция в параллельных лучах наз. дифракцией Фраунгофера.

При прохождении света через узкую щель за нею получаются дифракционные полосы. Кроме того, происходит интерференция отдельных лучей. В зависимости от наклона лучей к оси симметрии системы получаются неодинаковые разности хода — чередование светлых и темных полос.

Каждому колебанию приходящему в точку М можно сопоставить вращающейся вектор. Выявим условия max и min используя метод векторных диаграмм. Разобьем ширину щели на n частей и каждому колебанию от участков сопоставим вектор

8. Дифракционная решетка. Расчет дифракционной картины от одномерной решетки. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки.

Дифракционная решетка – система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

d – период диф.реш.

Дифракционная картина от диф.реш формируется в результате наложения двух эффектов:

1. Интерференция лучей, исходящих от одной щели

2. Интерференция N-лучей, исходящих N-щелей рабочей области диф.реш.

Дифракционная решетка как спектральный прибор

В состав видимого света входят монохроматические волны с различными значениями длин. В излучении нагретых тел (нить лампы накаливания) длины волн непрерывно заполняют весь диапазон видимого света. Такое излучение называется белым светом. Свет, испускаемый, например, газоразрядными лампами и многими другими источниками, содержит в своем составе отдельные монохроматические составляющие с некоторыми выделенными значениями длин волн. Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром. Белый свет имеет непрерывный спектр, излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеетдискретный спектр. Приборы, с помощью которых исследуются спектры излучения источников, называются спектральными приборами.

Щель S, на которую падает исследуемое излучение, находится в фокальной плоскости линзы Л₁. Эта часть прибора называется коллиматором. Выходящий из линзы параллельный пучок света падает на призму P. Вследствие дисперсии свет разных длин волн выходит из призмы под разными углами. В фокальной плоскости линзы Л₂располагается экран или фотопластинка, на которой фокусируется излучение. В результате в разных местах экрана возникает изображение входной щели S в свете разных длин волн. У всех прозрачных твердых веществ (стекло, кварц), из которых изготовляются призмы, показатель преломления n в диапазоне видимого света убывает с увеличением длины волны λ, поэтому призма наиболее сильно отклоняет от первоначального направления синие и фиолетовые лучи и наименее – красные. Монотонно убывающая зависимость n (λ) называется нормальной дисперсией.

Первый опыт по разложению белого света в спектр был осуществлен И. Ньютоном (1672 г.).

В спектральных приборах высокого класса вместо призм применяются дифракционные решетки. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки (рис. 3.10.2). У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.

Дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки.

Дисперсия света (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). 

Разрешающая способность дифракционной решетки определяется общим числом штрихов и порядком спектра. Величина разрешающей способности может составлять сотни тысяч: единиц.

11. Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Если направить пучок естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздух – стекло), то часть света отражается, а часть, преломляясь, распространяется во второй среде. Располагая анализатор (например, кристалл турмалина) на пути луча, можно исследовать поляризации отраженного и преломленного лучей. Оказалось, что отраженный и преломленный лучи поляризованы частично, причем, в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором строго определённом для данных сред значении угла падения отраженный от границы раздела свет оказывается полностью линейно – поляризованным. Такой угол падения называется углом Брюстера ( ί_Бр ) или углом полной поляризации и определяется согласно закону, установленному в 1815г Брюстером:

Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

Степенью поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) называется величина

12) Дисперсия света. Нормальная и аномальная дисперсия. Поглощение света. Закон Бугера.

Дисперсия света – явление зависимости показателя преломления света от длины волны.

Аномальная дисперсия - вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний. D>0

Нормальная дисперсия — это

дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит поглощение света данным веществом. D<0

Поглощение света – уменьшение амплитуды колебаний при прохождении волны через какую-либо среду. Зако́н Бугера - физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. гдеI₀ - интенсивность входящего пучка, l - толщина слоя вещества, через которое проходит свет, k_λ - показатель поглощения. Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

13) Трудности и противоречия классической физики. Тепловое излучение. Свойства теплового излучения и его основные характеристики: энергетическая светимость, спектральная плотность. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, которое совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул. Имеет сплошной спектр, максимум которого зависит от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотностьэлектрической светимости (испускательная способность тела) обозначается - это энергия излучения с единицы площади поверхности за единицу времени в единичном интервале частот.

испускательная способность

Энергия, излучаемая с единицы поверхности тела за единицу времени во всем диапазоне частот называется энергетическая светимость.

энергетическая светимость,

Способность тел поглощать падающее излучение, характеризуется поглащательной способностью.

поглощающая способность

энергия, поглощаемая единицей поверхности за единицу времени в интервале частот от до

энергия, падающая на единицу поверхности за единицу времени в интервале частот от

Закон Кирхгофа Определяет отношение между испускательной и поглащательной способности тел. отношение испускательной и поглащательной способностей тела не зависят от природы тела и являются универсальной функцией частоты и температуры. R_ν,T/A_ν,T=r_ν,T r_{ν,T –} универсальная ф-я Кирхгофа A^art _ν,T = A^art = 1

r_ν,T = R^art _ν,T

Закон Стефана-Больцмана

Энергетическая светимость art пропорциональна 4 степени абсолютной температуры.

постоянная Стефана Больцмана

Закон смещения Вина

Длина волны, соответствующая максимуму испускательной способности art обратно пропорциональна абсолютной температутре.

; постоянная Вина