Интернет-энциклопедия по школьным предметам от Maximum Education. Учебник поможет решить домашнее задание, подготовиться к контрольной и вспомнить прошлые темы.
Волновая оптика
Корпускулярно-волновой дуализм
Природа света двойственна: в одних случаях он проявляет свойства частицы (корпускулы), в других ― свойства волны. Как частица свет ведет себя, взаимодействия с веществом (например, при фотоэффекте), как волна ― при взаимодействии с другими световыми волнами (эффекты интерференции, дифракции, дисперсии). Волновая оптика изучает явления, в которых свет ведет себя подобно волне.
Свет ― электромагнитная волна.
Видимый свет ― это электромагнитная волна, длина волны которой находится в диапазоне, который воспринимает человеческий глаз ― от 400 до 700 нм. Длина волны света измеряется в нанометрах 1 [нм] = 10-9 м.
Электромагнитные волны с длиной волны менее 400 нм относятся к коротковолновому излучению (ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение) ― они не воспринимаются глазом, и в больших дозах опасны для организма человека, так как чем короче длина волны света ― тем больше его энергия.
Электромагнитные волны с длиной волны более 700 нм относятся к длинноволновому излучению (инфракрасное излучение, радиоволны). Длинноволновое излучение также не воспринимается глазом, но оно обладает меньшей энергией, чем видимое.
Длина волны света равна \(\lambda = \frac{c}{\nu}\), где
c ― скорость света [м/с];
λ ― длина волны света [м];
v ― частота света [Гц] или [1/с].
Скорость света в вакууме ― фундаментальная физическая постоянная, она равна 3 ∙ 108 [м/с].
Как видно из формулы, чем больше длина волны света ― тем ниже его частота, и чем короче длина волны ― тем выше его частота. Частота света измеряется в герцах [Гц] или [1/с].
Структура электромагнитной волны
В световой волне проявлено единство магнитного и электрического поля. Электромагнитная волна состоит из колеблющихся векторов магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\) и напряженности электрического поля \(\overrightarrow{E}\), эти векторы перпендикулярны друг другу. Электромагнитные волны поперечны ― это означает, что вектор магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\) и вектор напряженности электрического поля \(\overrightarrow{E}\) всегда перпендикулярны вектору скорости волны \(\overrightarrow{c}\): \(\overrightarrow{B}\bot\overrightarrow{E}\bot\overrightarrow{c}\)
Когерентными называются световые волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз. Когерентные волны получают, расщепляя световой луч из одного источника, или же с помощью лазера.
Интерференция света ― появление чередующихся светлых и темных полос на экране, вызванное сложением когерентных световых волн.
Если при сложении когерентных волн их максимумы и минимумы совпадают, то у результирующей волны амплитуда будет выше, чем амплитуда составляющих ее волн.
Если при сложении когерентных волн максимум одной волны совпадает с минимумом другой ― волны гасят друг друга и амплитуда результирующей волны равна нулю.
На рисунке показано образование интерференционной картины от когерентных источников света S1 и S2. Сложение когерентных волн света приводит к образованию чередующихся светлых и темных полос. Светлые полосы соответствуют случаю, когда максимумы и минимумы волн совпадают, темные ― когда волны взаимно гасят друг друга.
Условие образования светлой полосы: чтобы образовалась светлая полоса, разность хода лучей должна составлять S1A – S2A = ∆ = \(\frac{\lambda}{2} \cdot 2k\).
Условие образования тёмной полосы: чтобы образовалась тёмная полоса, разность хода лучше должна составлять S1A – S2A = ∆ = \(\frac{\lambda}{2} \cdot (2k + 1)\), где
∆ ― разность хода [м];
λ ― длина волны света [м];
k ― целое число ― 0, ±1, ±2, ±3…
Иными словами, для того, чтобы наблюдалась светлая полоса, необходимо, чтобы разность хода световых лучей была кратна длине волны света, а чтобы образовалась темная полоса ― кратна половине длины волны света.
Наблюдение интерференции возможно только для когерентных волн – это либо волны, выпущенные одним источником, либо волны от разных источников, имеющих одинаковую частоту и разность фаз.
Дифракция ― отклонение от прямолинейного распространения света (огибание небольших препятствий, дифракция на решетке)
Дисперсия ― зависимость показателя преломления света в среде от частоты света (или длины волны).
Скорость света в веществе меньше чем в воздухе и равна \(\nu = \frac{c}{n}\), где
v ― скорость света в веществе [м/с];
c ― скорость света в вакууме равная, c = 3 ∙ 108 [м/с];
n ― показатель преломления вещества.
При переходе света из одной среды в другую, меняется скорость света и длина волны, а частота остаётся постоянной.
Поскольку показатель преломления света в веществе зависит от его частоты, то световые волны разных частот, преломляясь, отклоняются на различные углы, создавая спектр.
Пример разложения белого света в спектр после прохождения треугольной стеклянной призмы:
Поляризация света
В световой волне векторы магнитной индукции 
Ни рисунке показана поляризация света с двумя противоположными направлениями колебаний вектора\(\overrightarrow{E}\). Фильтр ОО1 пропускает только ту волну, у которой вектор \(\overrightarrow{E}\) колеблется вертикально. Этот же фильтр, развернутый на 90°, будет пропускать только волну, вектор \(\overrightarrow{E}\) которой колеблется горизонтально. Если таких волн в луче нет ― то фильтр свет не пропустит.
