Презентация, доклад на тему Электронный урок на тему Световые волны

Нина Семёновна-учитель физики
( Заслуженный учитель РФ ).

2.Познакомиться с принципом Гюйгенса и законом отражения света
3.Разобрать закон преломления света
4.Разобрать полное отражение
5.Познакомиться с таким явлением, как дисперсия света
6.Узнать про интерференцию механических волн
7.Узнать про интерференцию света
8.Разобрать некоторые применения интерференции
9.Узнать про дифракцию механических волн
10.Изучить дифракцию света
11.Выяснить для чего нужна дифракционная решётка
12.Узнать про поперечность световых волн, поляризацию света
13.Изучить поперечность световых волн и электромагнитную теорию света

том, как протекает процесс распространения света во времени, выходит за рамки геометрической оптики. Более глубоко свойства света и его взаимодействие с веществом рассматриваются, в физической (волновой)оптике. Мы начнем эту главу с рассказа о том, как была измерена скорость света.
Астрономический метод измерения скорости света

измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясным после создания теории относительности, о которой пойдет речь в следующей главе.

Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Этот принцип в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, световых и т. д. Гюйгенс сформулировал его первоначально именно для световых волн.






Закон отражения
Угол a между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности и точке падения называют углом падения.
Так как АD=СВ и треугольники ADB и АСВ прямоугольные, то ∆DBA=∆CAB. Но α= CAB и γ= DBA как углы с перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения:
Кроме того, как вытекает из построения Гюйгенса, падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Эти два утверждения представляют собой закон отражения света.

распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.

Установим наклонно карандаш в сосуде с водой. Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону

и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол a называется углом падения, α угол β — углом преломления.

видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцеином воде аквариума

угла преломления есть величина постоянная для двух сред, представляет собой закон преломления света.




Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.
Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и OВ. Угол φ между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол θ отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы φ, показателя преломления n материала призмы и угла падения α. Он может быть вычислен с помощью закона преломления

оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча, то закон преломления запишется так:

поверхности. Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.

Угол падения αо, соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения. При sinβ=1 формула принимает вид

(или длины волны).
Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов. Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.
Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет
Показатель преломления зависит от скорости света u в веществе. Абсолютный показатель преломления

наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, создав этим две кольцевые волны, то нетрудно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведет себя в дальнейшем так, как будто бы другой волны совсем не существовало. Точно так же любое число звуковых волн может одновременно распространяться в воздухе, ничуть не мешая друг другу. Множество музыкальных инструментов в оркестре или голосов в хоре создают звуковые волны, одновременно сваливаемые нашим ухом Причем ухо в состоянии отличить один звук от другого.
Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются друг на друга. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается.

амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией.
Можно одновременно возбудить две круговые волны в ванне с помощью двух шариков, укрепленных на стержне, который совершает гармонические колебания

двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн (это справедливо лишь при условии, что фазы колебаний обоих источников совпадают):
∆d=kλ k=0, 1, 2,...
Условия минимумов

Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн:

одинаковою частоту, и разность фаз их колебаний была постоянной.
Источники, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. Когерентными называют и созданные ими волны. Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.
Распределение энергии при интерференции

Волны несут энергию. Что же с этой энергией происходит при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Ничего подобного. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем

пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением волн 1 и 2 , одна из которых (1) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (2) — от внутренней.
Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, отличающихся друг от друга длиной (углы падения предполагаются одинаковыми), требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

пластиной и положенной на нее плоско-выпуклой линзой, сферическая поверхность которой имеет большой радиус кривизны. Эта интерференционная картина имеет вид концентрических колец, получивших название кольца Ньютона.
Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло-воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе воздух-стекло. Эти волны когерентны: они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друг друга. Вызываемые ими колебания происходят в одной фазе.

Затем подводят снизу металлическую пластину в горизонтальном положении. Постепенно поднимая пластину, обнаруживают поочередное ослабление н усиление звука.
Явление объясняется следующим образом. Часть волны из рупора генератора непосредственно попадает в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлической пластины. Меняя расположение пластины, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу длин волн или нечетному числу полуволн.
Наблюдение интерференции света доказывает, что свет при распространении обнаруживает волновые свойства. Интерференционные опыты позволяют измерить длину световой волны: она очень мала – от 4×10-7 до 8×10-7м.

(рис. 25), отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки, равна удвоенной толщине пленки 2h. Длина волны lп, в пленке меньше длины волны l в вакууме в n раз:

Для того чтобы волны 1 и 2 ослабляли друг друга, разность хода должна равняться половине длины волны в пленке:

осуществить гашение отраженных волн всех частот невозможно. Толщину пленки подбирают так, чтобы полное гашение при нормальном палении имело место для длин волн средней части спектра (зеленый цвет, λз ≈ 5,5×10-5см) , она должна быть равна четверти длины волны в пленке

Просветление оптики основано на интерференции. На поверхность оптического стекла, например линзы, наносят тонкую пленку с показателем преломления nп, меньшим показателя преломления стекла nс. Для простоты рассмотрим нормальное падение света на пленку

называется дифракцией

Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны. Хорошо будет видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана располагалось колеблющееся тело — источник волн. Согласно принципу Гюйгенса так и должно быть. Вторичные источники в узкой щели располагаются столь близко друг к другу, что их можно рассматривать как один точечный источник.



Если размеры щели велики по сравнению с длиной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная. Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы. Только по краям можно заметить небольшие искривления волновой поверхности, благодаря которым волна частично проникает и в пространство за экраном

света, поставил классический опыт по дифракции. В непрозрачной ширме он проколол булавкой два маленьких отверстия B и С на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. Вследствие дифракции от отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий. Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

вторичных волн. Согласно идее Френеля волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции (принцип Гюйгенса — Френеля).

Такого рода расчеты позволили понять, каким образом свет от точечного источника, испускающего сферические волны, достигает произвольной точки пространства В (рис. 30). Если рассмотреть вторичные источники на сферической волновой поверхности радиусом R, то результат интерференции вторичных волн от этих источников в точке В оказывается таким, как если бы лишь вторичные источники на малом сферическом сегменте посылали свет в точку В. Вторичные волны, испущенные источниками, расположенными на остальной части поверхности, гасят друг друга в результате интерференции. Поэтому все происходит так, как если бы свет распространялся лишь вдоль прямой SB, т. е. прямолинейно.

дифракционные картины от различных препятствий: а) от тонкой проволочки; б) от круглого отверстия; в) от круглого экрана.
Вместо тени от проволочки видна группа светлых и темных полос; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами (изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами); в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами.

оптика. Закон прямолинейного распространения света и другие законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны. Но совершенно точно они не выполняются никогда.

Разрешающая способность микроскопа и телескопа

Волновая природа света налагает предел на возможность различения деталей предмета или очень мелких предметов при их наблюдении с помощью микроскопа. Дифракция не позволяет получить отчетливые изображения мелких предметов, так как свет распространяется не строго прямолинейно, а огибает предметы. Из-за этого изображения получаются «размытыми». Никакое увеличение не поможет различать детали предмета, если их «размытые» изображения сливаются. Это происходит, когда линейные размеры предметов меньше длины световой волны.
Дифракция налагает также предел на разрешающую способность телескопа. Вследствие дифракции волн у края оправы объектива изображением звезды будет не точка, а система светлых и темных колец. Если две звезды находятся на малом угловом расстоянии друг от друга, то эти кольца налагаются друг на друга и глаз не в состоянии различить, имеются ли две светящиеся точки или одна. Предельное угловое расстояние между светящимися точками, при которых их можно различать, определяется отношением длины волны к диаметру объектива.
Этот пример показывает, что дифракция происходит всегда, на любых препятствиях. И при очень тонких наблюдениях ею нельзя пренебречь и для препятствий, по размеру значительно больших длины волны.

на стеклянной пластине параллельные штрихи. Число штрихов доходит до нескольких тысяч на 1 мм; общее число штрихов превышает 100000. Просты в изготовлении желатиновые отпечатки с такой решетки, зажатые между двумя стеклянными пластинами. Наилучшими качествами обладают так называемые отражательные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки, отражающие свет и рассеивающие его. Рассеивающие свет штрихи наносятся резцом на отшлифованной металлической пластине.
Если ширина прозрачных щелей (или отражающих полос) равна а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d=a+b называется периодом решетки. Рассмотрим элементарную теорию дифракционной решетки. Пусть на решетку падает плоская монохроматическая волна длиной λ .

имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет. Можно подумать, что свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.

Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина , параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным то обнаружится удивительное явление - гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем . Он целиком поглощается вторым кристаллом.

световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света).
Первое предположение относится к самому свету. Свет – поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн

Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости

рассматриваемого явления. Можно создать поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик. Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна

обладают так называемые поляроиды. Поляроид представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. С поляроидом можно проделать те же опыты, что и с кристаллом турмалина. Преимущество поляроидов в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.
К недостаткам поляроидов относится фиолетовый оттенок, которым они придают белому свету.

света постепенно исчезли все затруднения, связанные с необходимостью введения гипотетической среды — эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Световые волны — это не механические волны в особой всепроникающей среде – эфире, а волны электромагнитные. Электромагнитные же процессы подчиняются не законам механики, а своим собственным законам. Эти законы и были установлены в окончательной форме Максвеллом.
Открытие электромагнитной теории света – одно из немногих открытий, сделанных «на кончике пера», т. е. Теоретически. Но уверенность в справедливости электромагнитной теории стала всеобщей после ее экспериментального подтверждения.