Презентация "Все об оптике" по физике – проект, доклад

Всем микрообъектам одновременно присущи корпускулярные и волновые характеристики. Это универсальное свойство природы получило название корпускулярно-волнового дуализма. Впервые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для фотонов (1900г. Макс Планк). Волновые свойства света позволяют дать объяснение явлениям дифракции, интерференции, поляризации. Процессы фотоэлектронной эмиссии, теплового излучения и т.п. можно объяснить, только привлекая представления о свете как о потоке частиц  фотонов . Условно оптику (учение о свете) можно разделить на две части: волновую и квантовую.

Оптика

Электромагнитные волны

Шкала электромагнитных волн

Светом называют часть электромагнитного излучения, воспринимаемую человеческим глазом (400 -780 нм).

Т.к. Е и Н однозначно связаны, то можно рассматривать один из них E =А sin(ωt – kx + ) А - модуль амплитуды

Интенсивность света

Интенсивностью называют модуль среднего значения плотности потока энергии I = II = II ~ nA2

- Показатель преломления

Учитывая и получаем

Т.к. для веществ прозрачных в оптическом диапазоне μ = 1

Совокупность явлений обусловленных зависимостью показателя преломления от длины волны (от частоты) называют дисперсией.

Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды

Дисперсия света

Коэффициент преломления любого материала в той или иной степени зависит от длины волны света. Это свойство, называется дисперсией.

Дисперсия может быть использована для того, чтобы разложить свет на спектральные составляющие. Одним из устройств, используемых для этих целей, является стеклянная призма.

dn/ d λ – численно характеризует зависимость и называется дисперсией

Нормальная аномальная

dn / d λ 0 – аномальная дисперсия

Преломление и отражение света

n1 n2 α1 α2

Угол падения = углу отражения sin α1/ sin α2 =n2/n1 ≡ n

Суммарная энергия отраженного и преломленного луча в точности равна энергии падающего луча, но соотношение интенсивностей этих лучей будет зависеть от разницы показателей преломления сред, от угла падения

При нормальном падении луча:

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2

Поглощение света I dl I-dI dI = -k I dl или

k – коэффициент поглощения

Закон Бугера

Закон Бугера- Ламберта-Бера, ε –коэффициент экстинкции, с- концентрация

Коэффициент поглощения – зависит от длины волны.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет поглощают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Изолированные атомы поглощают строго определенные длины волн.

Молекулярные спектры поглощения - сплошные

Витамин А Хлорофил

Рассеяние света

Закон Релея - I~ ω4 или I~ 1/ λ4

Интерференция

Согласно принципу суперпозиции напряженность результирующего поля равна :

В эксперименте, как правило, регистрируется интенсивность световой волны  I, которая для плоской или сферической волн пропорциональна E2. Можно показать, что

Допустим, что в какой-либо точке пространства происходит сложение двух колебаний одинаковой частоты , вызванных прохождением двух волн :

δ = α1 – α2

Если разность фаз  взаимодействующих волн со временем не изменяется, то в тех точках, для которых cos >0, I >I1 + I2 cos

Интерференция волн заключается в пространственном перераспределении интенсивности результирующей волны в зависимости от поведения во времени амплитуд, фаз, частот, направлений поляризации интерферирующих волн. Необходимым условием существования устойчивой во времени интерференционной картины является согласованное протекание колебательных процессов в накладывающихся волнах. Для этого необходимо, чтобы эти волны были одинаковой частоты (1= 2) и чтобы разность фаз для каждой точки была постоянной ( =const).. Такие волны называют когерентными

В случае некогерентных волн, когда разность фаз  = 1  2., принимает с равной вероятностью любые значения, среднее значение cos будет равно нулю, интерференционный член будет отсутствовать а результирующая интенсивность равна обычной сумме I = I1 + I2,

Наиболее отчетливо интерференция проявляется, когда две волны имеют одинаковую поляризацию, а их интенсивности равны I1 = I2 тогда интенсивность света будет равна в максимумах учетверенной исходной I = 4×I1, а в минимумах I = 0

Когерентные волны можно получить, разделив (при помощи преломления или отражения) волну, излучаемую одним точечным источником. Если эти волны пройдут различные оптические пути, то при их последующем наложении будет наблюдаться интерференционная картина.

Пусть разделение волны происходит в точке О, а встречаются волны в точке Р Волна 1 проходит в среде с показателем преломления n1 путь S1, а волна 2  в среде с n2  путь S2, тогда разность фаз  колебаний волн 1 и 2 в точке Р будет равна

Величина  = (n2S2  n1S1 ) называется оптической разностью хода.

 =  m , (m = 0,1,2) максимум

минимум

Явление интерференции можно наблюдать при освещении тонких прозрачных пленок, когда разделение световой волны на два когерентных пучка происходит вследствие отражения света от двух поверхностей пленки. В результате такого отражения возникают когерентные световые волны, которые при наложении дают локализованные интерференционные картины. Место локализации зависит от формы пленок, условий наблюдения и освещения.

r i

«полосы равного наклона». При d = const (плоскопараллельная пластина) разность хода определяется только углом падения

«полосы равной толщины» пластина имеет форму тонкого клина (d  const) и освещается параллельным пучком света(i = const) разность хода зависит от толщины пластины в том или ином ее месте

Кольца Ньютона

Дифракция

Отклонение света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями (например, у границ тел, у малых отверстий) называется ДИФРАКЦИЕЙ

Дифракция приводит к огибанию световыми волнами препятствий и частичному проникновению света в область геометрической тени.

Для объяснения явления дифракции пользуются принципом Гюйгенса,

В случае неограниченной волновой поверхности вторичные волны для любого направления (кроме прямолинейного) в результате интерференции гасят друг друга, так как для каждого элемента волновой поверхности всегда найдется такой же по площади элемент, вторичная волна от которого по данному направлению отстает на /2, то есть создает колебание, происходящее в противофазе по сравнению с первым колебанием. Если же волновая поверхность частично ограничена, то вторичные волны, излучаемые в определенных направлениях элементами открытого участка, не гасятся.

Природа явлений интерференции и дифракции одинакова. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн.

Дифракция на щели

Каждая элементарная зона создаст в точке Р элементарное колебание напряженности электрического поля dE. Амплитуда dA пропорциональна dx (dA=c dx). Сумма амплитуд колебаний, возбуждаемых всеми зонами в некоторой точке Р равна:

b - ширина щели

Разность фаз между колебаниями, создаваемыми отдельными зонами образуется на пути  =x sin

следовательно с=A/b, и dA= A/b dx.

фаза колебания, создаваемого зоной с координатой x, равна:  = 2/ = 2 x sin /.

b sin =  k

Выражение в квадратных скобках – амплитуда. ( I ~A2 )

I( ) обращается в ноль, когда

Исключением является случай  = 0 (k=0), для этого угла А( )=А0 и I( )=I0, так как lim(sin /) =1. Это значит, что в фокусе линзы наблюдается главный или "нулевой" максимум интенсивности.

Положение максимумов определяется условием b sin = (2k+1) /2. Число k называют порядком максимума.

I1 : I2 : I3 = 1 : (2/ 3)2 : (2/ 5)2 = 1: 0,045: 0,016

Дифракция на дифракционной решетке

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА - это оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов. Расстояние между соответствующими точками соседних щелей называется периодом решетки d.

Угол, определяющий положение главных максимумов в фокальной плоскости линзы, определяется из условия интерференционного усиления вторичных волн от соседних щелей. Разность хода должна быть равна целому числу длин волн

d sin = k, k = 0, 1, 2,…

дифракционная решетка

Чтобы определить амплитуду результирующего колебания, необходимо вычислить сумму N колебаний с одинаковой амплитудой А и сдвинутых друг относительно друга по фазе на одну и ту же величину .

Разность хода  от эквивалентных точек соседних щелей  = d sin , тогда разность фаз  = 2/ = 2  d sin /

Если d sin =  k, k = 0,1,2,.. . То отношение квадратов синусов принимает значение N2

Число k называется порядком главных максимумов

Между каждой смежной парой главных максимумов образуется (N - 1) вторичных минимумов, возникающих в тех направлениях, для которых колебания от отдельных щелей взаимно погашают друг друга. Условие минимума d sin =  

Между вторичными минимумами располагаются вторичные максимумы, число которых равно N  2. Интенсивность вторичных максимумов не превышает 1/23 (4%) от интенсивности ближайшего главного максимума

Распределение интенсивности от 4 щелей (N = 4), для которых отношение d/b =3.

Положение главных максимумов определяется постоянной решетки d и длиной волны .

Разрешающая способность спектрального прибора характеризует его возможность разделить излучения с близкими длинами волн. Мерой разрешающей способности принято считать отношение длины волны , около которой выполняется измерение к интервалу  между двумя ближайшими в спектре разрешенными линиями.

Разрешающая способность

Критерий Рэлея – центральный максимум одной линии совпадает с первым минимумом второй R = kN - то есть определяется числом штрихов N

Дисперсия оптического прибора Угловая – D=δφ /δλ ≈ k/ d Линейная – D= δl /δλ = f D Дисперсия определяется периодом решетки d Разрешающая способность -числом штрихов N

1 2 3 N1=N2 d1=2d2 d2=d3 N2=2N3 N1, d1 N2, d2 N3, d3