Отражение света от зеркальной поверхности. Конспект урока "Отражение света

Свет распространяется прямолинейно только в однородной среде. Если свет подходит к границе раздела двух сред, он изменяет направление распространения.

Кроме того, часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света . Луч света, идущий к границе раздела сред в первой среде (рис. 16.5), называется падающим (а) . Луч. остающийся в первой среде после взаимодействия на границе раздела сред, называется отраженным (b) .  

Угол \(\alpha\) между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным к отражающей поверхности в точке падения луча, называется углом падения .

Угол \(\gamma\) между отраженным лучом и тем же перпендикуляром называется углом отражения .

Еще в III в. до н.э. древнегреческим ученым Евклидом опытным путем были открыты законы отражения. В современных условиях проверку этого закона можно провести с помощью оптической шайбы (рис. 16.6), состоящей из диска, по окружности которого нанесены деления, и из источника света, который можно перемещать по краю диска. В центре диска закрепляют отражающую поверхность (плоское зеркало). Направляя свет на отражающую поверхность, измеряют углы падения и углы отражения.

Законы отражения:

1.Лучи падающий, отраженный и перпендикуляр, восставленный к границе двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2.Угол отражения равен углу падения:

\(~\alpha=\gamma\)

Законы отражения можно вывести теоретически, пользуясь принципом Ферма.

Пусть на зеркальную поверхность падает свет из точки А. В точке А 1 собираются лучи, отраженные от зеркала (рис. 16.7). Предположим, что свет может распространяться двумя путями, отражаясь от точек О и О". Время, которое потребуется свету, чтобы пройти путь АОА 1 , можно найти по формуле \(t=\frac{AO}{\upsilon}+\frac{AO_1}{\upsilon}\), где \(~\upsilon\) - скорость распространения света.

Кратчайшее расстояние от точки А до зеркальной поверхности обозначим через l, а от точки А 1 - через i 1 .

Из рисунка 16.7 найдем

\(AO=\sqrt{l^2+x^2}\); \(OA_1=\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}\).

\(t=\frac{\sqrt{l^2+x^2}+\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}{\upsilon}\)

Найдем производную

\(t"_x=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{2x}{2\sqrt{l^2+x^2}}+\frac{2(L-x)(-1)}{2\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl)=\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{\sqrt{l^2+x^2}}-\frac{L-x}{\sqrt{(L-x)^2+l_1^2}}\Bigl) =\frac{1}{\upsilon}\Bigr(\frac{x}{AO}-\frac{L-x}{OA_1}\Bigl) \).

Из рисунка видим, что \(\frac{x}{AO}=\sin \alpha\); \(\frac{L-x}{OA_1}=\sin \gamma\).

Следовательно, \(t"_x=\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)\).

Для того чтобы время t было минимально, производная должна быть равна нулю. Таким образом, \(\frac{1}{\upsilon}(\sin \alpha-\sin \gamma)=0\). Отсюда \(~\sin \alpha = \sin \gamma\), а так как углы \(~\alpha\) и \(~\gamma\) - острые, то отсюда следует равенство углов\[~\gamma=\alpha\].

Мы получили соотношение, выражающее второй закон отражения. Из принципа Ферма вытекает и первый закон отражения: отраженный луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, так как если бы эти лучи лежали в разных плоскостях, то путь AOA 1 не был бы минимальным.

Падающий и отраженный лучи обратимы, т.е. если падающий луч направить по пути отраженного луча, то отраженный луч пойдет по пути падающего - закон обратимости световых лучей.

В зависимости от свойств границы раздела сред отражение света может быть зеркальным и диффузным (рассеянным).

Зеркальным называется отражение, при котором падающий на плоскую поверхность (рис. 16.8) параллельный пучок лучей после отражения остается параллельным.

Шероховатая поверхность отражает параллельный падающий на нее пучок света по всевозможным направлениям (рис. 16.9). Такое отражение света называют диффузным .

Соответственно различают зеркальные и матовые поверхности.

Следует отметить, что это относительные понятия. Поверхностей, отражающих только зеркально, не существует. В большинстве случаев имеется лишь максимум отражения в направлении угла зеркального отражения. Этим объясняется то, что мы видим зеркало и другие зеркально отражающие поверхности со всех сторон, а не только в одном направлении, в котором они отражают свет.

Одна и та же поверхность может быть зеркальной и матовой в зависимости от длины волны падающего света.

Если граница имеет вид поверхности, размеры d неровностей которой меньше длины волны света \(\lambda\), то отражение будет зеркальным (поверхность капли ртути, отполированная металлическая поверхность и т.д.), если \(d \gg \lambda\), отражение будет диффузным. Чем лучше обработана поверхность, тем большая доля падающего света отражается в направлении угла зеркального отражения, а меньшая - рассеивается.

Рассеянный свет возникает вследствие мелких дефектов полировки, царапин, мельчайших пылинок, имеющих величину порядка нескольких микронов.

Поверхность, которая равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называют абсолютно матовой . Абсолютно матовых поверхностей также не существует. К абсолютно матовым поверхностям близки поверхности неглазурованного фарфора, чертежной бумаги, снега.

Даже для одного и того же излучения матовая поверхность может стать зеркальной, если увеличить угол падения. Диффузно отражающие поверхности могут отличаться и по величине коэффициента отражения \(\rho=\frac{W_{OTP}}{W} \), показывающего, какую часть энергии W падающего на поверхность светового пучка составляет энергия W отр отраженного светового пучка.

Белая бумага для рисования имеет коэффициент отражения, равный 0,7-0,8. Очень высокий коэффициент отражения для поверхностей, покрытых окисью магния, - 0,95 и очень малый для черного бархата - 0,01-0,002.

Заметим, что зависимость отражения и поглощения от частоты колебаний чаще всего имеет избирательный характер.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 457-460.

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение, поэтому для него характерны такие феномены, как отражение и преломление. Рассмотрим закон отражения света при его переходе из одной среды в другую, при этом будем использовать представление видимых электромагнитных волн в виде лучей.

Как известно, свет распространяется прямолинейно во всякой однородной прозрачной среде. Как только луч света достигает поверхности раздела двух прозрачных сред, то с ним происходят два явления:

1. Одна часть светового пучка отражается обратно в первую прозрачную среду под определенным углом, то есть отражается.
2. Вторая часть светового пучка проникает во вторую среду и продолжает распространяться уже в ней, но при этом изменяет на некоторый угол направление своего распространения, то есть преломляется.

Оба явления описываются с помощью законов отражения и преломления света соответственно.

Эти физические явления демонстрирует рисунок ниже, на котором видно, что падающий луч света при переходе через границу двух прозрачных сред разделяется на два пучка, один из них (меньший) отражается, а второй пучок (больший) продолжает распространяться дальше, переходя в другую среду.

Законы отражения света

Под отражением света в физике понимают такое изменение направления распространения волны, после того как она падает на границу между двумя средами, при котором волна снова возвращается в среду, откуда она пришла.

После того как сформулирован закон отражения света, отметим, что благодаря существованию этого явления можно видеть изображения разных предметов в зеркале, на поверхности воды или на какой-либо другой блестящей поверхности. Физически отражение света происходит, когда свет падает на какую-либо поверхность, сталкивается с ней и снова возвращается в первоначальную среду своего распространения, образуя угол, в точности равный углу падающего на эту поверхность луча. Эта поверхность называется отражающей. В отличие от явления преломления, феномен отражения - это изменение направления распространения волны в той же самой среде.

В физике законы отражения света формулируются следующим образом:

1. Падающий на поверхность раздела сред луч, отраженный луч и нормаль к этой поверхности лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения. Формула закона отражения света имеет вид: θ пад. = θ отр. .

Зеркальное и диффузионное отражение

Отражающая поверхность может быть гладкой, но также может иметь и неровности. В связи с этим различают два типа отражения света:

1. Зеркальное. Если неровности на отражающей поверхности малы по сравнению с длиной падающей волны, тогда пучок света отражается в определенном направлении. Здесь можно привести пример поверхности плоского зеркала, закона отражения света для которой можно применять.
2. Диффузионное. Если неровности поверхности сравнимы с длиной световой волны, тогда каждая часть падающего пучка отражается от различных неровностей, при этом закон отражения света остается справедливым для каждого факта отражения, но поскольку отраженные пучки света начинают распространяться в различных направлениях, получается, что начальный пучок распадается на множество мелких пучков. В таких случаях говорят, что свет рассеивается. Примером диффузионного отражения является отражение света от деревянной поверхности.

Таким образом, если после зеркального отражения свет распространяется в конкретном направлении, то после диффузионного отражения свет "распыляется".

Квантовомеханическое обоснование процесса отражения

Свет - это пучок фотонов различной частоты. Любое взаимодействие фотонов с материей описывается через процессы поглощения и испускания. Когда фотон достигает молекулы вещества, то он сразу же ею поглощается, переводя ее электронную оболочку в возбужденное состояние, то есть в состояние с повышенной энергией. Практически мгновенно после поглощения фотона электронная система переходит в свое основное состояние, и этот процесс сопровождается испусканием фотона в произвольном направлении. Закон отражения света с квантовомеханической точки зрения объясняется как наиболее вероятное направление испускания фотонов, которое наблюдается в виде отражения.

Явление обратного отражения

Феномен обратного отражения, или ретроотражения, заключается в способности некоторых поверхностей или объектов отражать падающий на них пучок света обратно к источнику, от которого он пришел, независимо от того, под каким углом на них падает этот свет.

Такое поведение можно наблюдать в случае плоского зеркала, но только тогда, когда световой пучок падает на него перпендикулярно, то есть угол падения равен 90°.

Простой ретрорефлектор можно изготовить, если соединить два зеркала перпендикулярно друг к другу. Изображение, которое дает такой прибор, всегда того же размера, что и оригинальное, но будет перевернутым. При этом не важно, под какими углами на этот ретрорефлектор падают световые лучи, он всегда их отражает на 180°. Ниже на рисунке приведен этот ретрорефлектор, и продемонстрированы его физические свойства.

Ограниченное ретроотражение и его использование

Явление обратного отражения в настоящее время широко используется при производстве автомобилей, в частности при изготовлении поверхности металлических пластин, на которых пишутся номера.

Если на поверхность нанести много маленьких отражающих сфер, то можно добиться того, чтобы она отражала свет не точно обратно, а под некоторым небольшим углом. В таком случае говорят об ограниченной способности ретроотражателя. Такого же эффекта можно добиться, если нанести на поверхности вместо отражающих сфер маленькие пирамидки.

При изготовлении номеров для автомобилей не нужно, чтобы они отражали свет идеально обратно, а необходимо, чтобы отраженный пучок света был почти параллельным к падающему пучку. Благодаря этому свет, падающий на номера автомобиля из фар находящегося сзади него другого автомобиля, отражается от этих номеров, попадает в глаза водителю, и он видит номер движущейся впереди машины.

Ретроотражение и оптические аберрации

Под оптической аберрацией понимают явление в физике, при котором полученное в какой-либо оптической системе изображение оказывается нечетким. Происходит это потому, что выходящий из определенной точки объекта луч света не возвращается точно в одну точку. Причинами аберрации могут быть геометрические несовершенства оптических систем, а также различная отражающая способность для разных длин волн видимого света.

Ретроотражение используется для нивелирования оптических аберраций. Делается это простым образом, полученное в оптической системе изображение объекта через ретроотражатель заново направляется в эту систему. Функция ретроотражателя заключается не только в том, что он обратно возвращает все падающие на него лучи, но и меняет волновой фронт электромагнитной волны на противоположный.

Преломление и закон полного отражения света

Под преломлением света понимают изменение направления его распространения при переходе через границу сред, имеющих различные оптические свойства. В частности скорость распространения света в различных прозрачных средах отличается, и она всегда меньше скорости света в вакууме.

Для описания явления преломления света вводят показатель преломления среды n, который равен отношению скоростей света в вакууме и среде, то есть n = c/v. Закон преломления света математически выражается следующим образом: sin(θ пад.)/sin(θ прел.) = n 2 /n 1 = v 1 /v 2 , здесь θ пад. - угол между падающим лучом и нормалью к поверхности, θ прел. - угол между преломленным лучом и нормалью к поверхности, n 1 , v 1 и n 2 , v 2 - показатель преломления и скорость распространения света для первой среды и для второй среды соответственно.

Как было выше сказано, когда свет проходит через границу двух прозрачных сред, существует отраженный и преломленный лучи. Если θ прел. = 90°, то преломленный луч будет идти параллельно поверхности, иными словами, он не будет наблюдаться. Такая ситуация возможна при условии, что угол θ пад. больше некоторого критического угла θ кр. , а n 1 > n 2 . Критический угол определяется так: θ кр. = arcsin(n 2 /n 1). Всякий луч света, который падает на эту поверхность под углом большим, чем θ кр. , испытывает полное отражение.

Применение явления полного отражения

Феномен полного отражения используется человеком в различных областях жизнедеятельности. Наиболее популярным его использованием является оптическое световолокно, применяемое в телекоммуникациях и медицине.

Если говорить простыми словами, то оптическое волокно представляет собой гибкий кабель, сделанный из прозрачного материала, показатель преломления которого больше, чем показатель преломления среды, окружающей этот кабель. В результате пущенный под определенным углом пучок света внутрь такого волокна достигает противоположного его конца практически без потери своей интенсивности, поскольку на своем пути он испытывает только полные отражения.

Следует отметить, что изображение, которое мы видим по ту сторону зеркала, создано не самими лучами, а их мысленным продолжением. Такое изображение называется мнимым. Его глазом видно, но на экране его невозможно получить, так как оно создано не лучами, а их мысленным продолжением.

При отражении также соблюдается принцип наименьшего времени распространения света. Для того, чтобы попасть после отражения в глаз наблюдателя, свет должен прийти именно тот путь, который указывает ему закон отражения. Именно распространяясь по такому пути, свет на свой путь потратит наименьшее время из всех возможных вариантов.

Закон преломления света

Как нам уже известно, свет может распространяться не только в вакууме, но и в других прозрачных средах. В этом случае свет будет испытать преломление. При переходе из менее плотной среды в более плотную, луч света при преломлении прижимается к перпендикуляру, проведённому к точке падения, а при переходе из более плотной среды в менее плотную, он наоборот: отклоняется от перпендикуляра.

При этом имеются два закона преломления:

Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый к точке падения, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синусов углов падения и преломления равно обратному отношению показателей преломления:

sin a = n2

sin g n1

Представляет интерес прохождения луча света через трёхгранную призму. При этом, в любом случае наблюдается отклонение луча после прохождения через призму от первоначального направления:

У различных прозрачных тел показатель преломления различен. У газов он очень мало отличается от единицы. С повышением давления он возрастает, следовательно, показатель преломления газов зависит и от температуры. Вспомним, что если смотреть на отдалённые предметы сквозь горячий воздух, поднимающийся от костра, то видим, что всё, что вдали выглядит как колышащееся марево. У жидкостей показатель преломления зависит не только от самой жидкости, но и от концентрации растворённых в ней веществ. Ниже приводится небольшая таблица показателей преломления некоторых веществ.

Полное внутреннее отражение света.

Волоконная оптика

Следует отметить, что световой луч, распространяясь в пространстве, обладает свойством обратимости. Это значит, что по какому пути луч распространяется от источника в пространстве, по такому же пути он пойдёт обратно, если источник и точку наблюдения поменять местами.

Представим себе, что луч света распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Тогда, по закону преломления, он при преломлении должен выйти, отклонившись от перпендикуляра. Рассмотрим лучи, исходящие от точечного источника света, находящегося в оптически более плотной среде, например, в воде.

Из данного рисунка видно, что первый луч падает на поверхность раздела перпендикулярно. При этом луч от первоначального направления не отклоняется. Часто его энергии отражается от границы раздела и возвращается на источник. Остальная часть его энергии выходит наружу. Остальные лучи частично отражаются, частично выходят наружу. При увеличении угла падения растёт соответственно и угол преломления, что соответствует закону преломления. Но когда угол падения принимает такое значение, что, согласно закону преломления, угол выхода луча должен составить 90 градусов, то луч на поверхность вообще не выйдет: все 100% энергии луча отразятся от границы раздела. Все остальные лучи, падающие на поверхность раздела под углом, большим, чем этот, будут полностью отражены от поверхности раздела. Этот угол называется предельным углом , а явление называется полным внутренним отражением. То есть, поверхность раздела в данном случае выступает как идеальное зеркало. Значение предельного угла для границы с вакуумом или воздухом можно подсчитать по формуле:

Sin aпр = 1/n Здесь n – показатель преломления более плотной среды.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в различных оптических приборах. В частности, используется в приборе для определения концентрации растворённых веществ в воде (рефрактометр). Там измеряется предельный угол полного внутреннего отражения, по которому определяется показатель преломления и потом по таблице определяют концентрацию растворённых веществ.

Особенно ярко проявляется явление полного внутреннего отражения в волоконной оптике. Ниже на рисунке изображено одно стекловолокно в разрезе:

Возьмём тонкое стеклянное волокно и в один из торцов запустим луч света. Поскольку волокно очень тонкое, то любой луч, вошедший в торец волокна, будет падать на его боковую поверхность под углом, значительно превышающий предельный угол и будет полностью отражён. Таким образом, вошедший луч будет многократно отражаться от боковой поверхности и выйдет из противоположного конца практически без потерь. Внешне это будет выглядеть так, как будто противоположный торец волокна ярко светится. К тому же совсем необязательно, чтобы стекловолокно было прямолинейным. Оно может изгибаться как угодно, причём, никакие изгибы не повлияют распространению света по волокну.

В связи с этим, учёным пришла идея: а что, если взять не одно волокно, а целый их пучок. Но при этом надо, чтобы все волокна в жгуте находились в строгом взаимном порядке и на обеих сторонах жгута торцы всех волокон находились в одной плоскости. И если при этом на один торец жгута с помощью линзы подать изображение, то каждое волокно в отдельности передаст на противоположный торец жгута одну маленькую частичку изображения. Все вместе волокна на противоположном торце жгута воспроизведут то же самое изображение, что было создано линзой. Причём, изображение будет в естественном свете. Таким образом, был создан прибор, названный позже фиброгастроскопом . Этим прибором можно осмотреть внутреннюю поверхность желудка, не производя оперативного вмешательства. Фиброгастроскоп вводят через пищевод в желудок и осматривают внутреннюю поверхность желудка. В принципе, данным прибором можно осмотреть не только желудок, но и другие органы изнутри. Данный прибор используется не только в медицине, но и в различных областях техники для осмотра недоступных областей. И при этом сам жгут может иметь всевозможные изгибы, которые при этом никак не влияют на качество изображения. Единственный недостаток данного прибора – это растровая структура изображения: то есть изображение состоит из отдельных точек. Для того, чтобы изображение было более чётким, нужно иметь ещё большее количество стекловолокон, причём они должны быть ещё более тонкими. А это значительно увеличивает стоимость прибора. Но с дальнейшим развитием технических возможностей данная проблема вскоре будет решена.

Линза

Для начала рассмотрим линзу. Линза – это прозрачное тело, ограниченное либо двумя сферическими поверхностями, либо сферической поверхностью и плоскостью.

Рассмотрим линзы в поперечном разрезе. Линза искривляет прошедший через неё световой пучок. Если пучок, после полхождения через линзу будет собираться в точку, то такая линза называется собирающей. Если же падающий параллельный световой пучок после прохождении через линзу будет расходиться, то такая линза называется рассеивающей.

Ниже изображены собирающие и рассеивающие линзы и их условные обозначения:

Из данного рисунка видно, что все параллельно падающие на линзу лучи сходятся в одной точке. Эта точка называется фокусом (F ) линзы. Расстояние от фокуса до самой линзы называется фокусным расстоянием линзы. Оно в системе СИ измеряется в метрах. Но существует ещё одна единица, характеризующая линзу. Эта величина называется оптической силой и является величиной, обратной фокусному расстоянию и называетсядиоптрией . (Дп ). Обозначается буквой D. D = 1/F. У собирающей линзы значение оптической силы имеет знак плюс. Если на линзу пустить свет, отражённый от какого-либо протяжённого объекта, то каждый элемент объекта отобразится в плоскости, проходящей через фокус в виде изображения. При этом изображение будет перевёрнутым. Поскольку это изображение будет создано самими лучами, то оно будет называться действительным.

Это явление используют в современных фотоаппаратах. Действительное изображение создаётся на фотоплёнке.

Рассеивающая линза действует противоположно собирающей линзе. Если на неё по нормали падает параллельный пучок света, то после прохождении через линзу, пучок света будет расходиться так, как будто все лучи выходят из некоторой мнимой точки, расположенной по другую сторону линзы. Эта точка называется мнимым фокусом и фокусное расстояние будет со знаком минус. Следовательно, оптическая сила такой линзы будет выражаться также в диоптрия, но её значение будет со знаком минус. При рассматривании окружающих предметов через рассеивающую линзу, все предметы, видимые через линзу, будут казаться уменьшенными в размерах

Отражением света называютизменение направления световых лучей при падении на границу раздела двух сред, в результате чего свет распространяется обратно в первую среду.

Угол падения - угол  между направлением падающего луча и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения .

Угол отражения - угол β между этим перпендикуляром и направлением отраженного луча.

Законы отражения света:

Луч падающий, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и луч отраженный лежат в одной плоскости.

Угол отражения равен углу падения .

Преломлением света называют изменение направления световых лучей при переходе света из одной прозрачной среды в другую.

Угол преломления - угол  между тем же перпендикуляром и направлением преломленного луча.

Скорость света в вакуумес = 3*10 8 м/с

Скорость света в среде V < c

Абсолютный показатель преломления среды показывает,во сколько раз скорость света v в дан­ной среде меньше, чем скорость света с в вакууме.

Абсолютный показатель преломления для вакуума равен 1

Скорость света в воздухе очень мало отличается от значения с, поэтому

Абсолютный показатель преломления для воздуха будем считать равным 1

Относительный показатель преломления показы­вает, во сколько раз изменяется скорость света при переходе луча из первой среды во вторую.

Законы преломления света:

Луч падающий, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости.

Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данной пары сред:

где V 1 и V 2 – скорости распространения света в первой и второй среде.

Сучетом показателя преломления закон преломления света можно записать в виде

где n 21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой;

n 2 и n 1 – абсолютные показатели преломления второй и первой среды соответственно

Полное внутреннее отражение

Если световые лучи из оптически более плот­ной среды 1 падают на границу раздела с оптиче­ски менее плотной сре­дой 2 (n 1 n 2 ),то угол паде­ния меньше угла преломления    . При увели­чении угла падения можно подойти к такому его значению  пр , когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду,

Угол преломления  , при этомвся световая энергия отражается от границы раздела.

Предельным углом полного внутреннего отражения  пр называется угол, при котором преломленный луч скользит вдоль поверхности двух сред,

При переходе из среды опти­чески менее плотной в среду бо­лее плотную полное внутреннее отражение невозможно.

43 Интерференция света. Дифракция света. Дифракционная решетка.

Интерференция света

Интерференцией волн называетсяявление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении волн с одинаковой частотой колебаний и постоянной во времени разностью фаз.

В точках, где амплитуда колебаний увеличивается, наблюдается интерференционный максимум

В точках, где амплитуда колебаний

уменьшается, наблюдается

интерференционный минимум

Волны и возбуждающие их источники называются когерентными , еслиразность фаз волн не зависит от времени, и волны имеют одинаковую длину волны. Результат наложения когерентных световых волн, наблюдаемый на экране, фотопластинке и т.д., называется интерференционной картинкой. Устойчивую интерференционную картину дают только когерентные волны.

Волны от естественных источников не бывают когерентными, поэтому для наблюдения интерференции света искусственно создают разность хода световых волн, разделяя свет

от одного источника на два пучка, которые проходят разные пути r 1 и r 2 , а затем эти пучки сводятся вместе на экране.

 - длина волны,

r = r 2 – r 1 –геометрическая разность хода двух

волн

Δφ – разность фаз волн

Δφ=2π  r / 

Геометрической разностью хода называется разница расстояний, пройденных волнами от разных источников до точки, где наблюдается их интерференция

Условие интерференционных максимумов (усиление света)

Для разности фаз

Δφ= 2π k - разность фаз кратна 2π

для разности хода

 r = k  или

 r = 2 k  k -любое целое число ( k =0,1,2,3, …),

Разность хода равна четному числу полуволн

Условие интерференционных минимумов (ослабление света):

Для разности фаз

Δφ= π(2 k +1)

для разности хода

 r = (2 k + 1) ,

где k – целое число ( k =0,1,2,3, …),

Разность хода равна нечетному числу полуволн

Дифракцией света называется отклонение направления распространения волн от прямолинейного у границы преграды.

Наиболее наглядно дифракция света проявляется при прохождении света через отверстия с размерами порядка длины волн оптического диапазона. Явление дифракции легко наблюдать на дифракционной решетке.

Простейшей дифракционной решеткой является система из N одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране ширины b каждая, расположенных на равных непрозрачных промежутках a друг от друга. Величина d = b + a называется постоянной (периодом) дифракционной решетки.

Прохождение монохроматического излучения через дифракционную решетку

Монохроматическим называется излучение, состав которого определяется одной длиной волны. Например, волна с длиной волны λ = 770 нм – монохроматический красный свет.

φ- угол дифракции

Лучи, прошедшие дифракционную решетку, когерентны, поэтому дают на экране интерференционную картину.

Для двух лучей, испытывающих дифракцию на краях двух соседних щелей, геометрическая разность хода  r = dsin 

Положение главных максимумов освещенности в дифракционной картинке, получаемой при нормальном падении световой волны на поверхность решетки, определяется соотношением:

d sin  = k 

где d sin  -разность хода лучей световых волн от соседних щелей;  -угол дифракции, т.е. угол между направлением хода падающей на решетку световой волны и направлением хода волны на выходе ее из щели; k – порядок максимума (k = 0,1,2,3,…).

Положения главных минимумов определяется соотношением

d sin  = (2k + 1) ,

k – порядок минимума (k = 0,1,2,3,…).

О́птика (от др.-греч. ὀ πτική появление или взгляд ) - раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплин, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

Важнейшие понятия оптики: преломление и отражение света (ход лучей света на примере призмы).

Закон отражения:

1) Угол падения равен углу отражения.

2) Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, вставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.
Закон преломления:

1) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

2) Падающий луч, переломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

Природа света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

Характеристики света

Длина световой волны λ зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением:

На практике принято считать, что показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n (λ). Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света.

Характеристиками света являются:

• 
  спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
• 
  интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды электрического вектора электромагнитной волны.
• 
  поляризация, определяемая изменением пространственной ориентации электрического вектора по мере распространения волны в пространстве.
• 
  направление распространения луча света, совпадающее с направлением нормали к волновому фронту (при отсутствии явления двойного лучепреломления)

Скорость света

Универсальным и постоянным понятием является скорость света c= 3∙ . При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: υ = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n (ν)

Шкала электромагнитных излучений

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика или оптика луча , описывает распространение света термином луч. Работы Гюйгенса, Ньютона, Гука.

«Луч» в геометрической оптике - абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Если узкие пучки света, падающие на поверхность параллельно друг другу, идут после отражения также параллельно,

Зеркальное отражение

Отражение является зеркальным, если лучи падают на поверхность параллельно, отражаясь от поверхности, остаются параллельными.

Пример. Отражение в зеркале.

Рассеянное отражение.

Отражение является рассеянным если лучи падают на поверхность параллельно, но отражаются по все возможным направлениям.

Волновая оптика.

Физическая оптика или Волновая оптика основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, аберрацию и природу других сложных эффектов.

Волна́ - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Интерференция

Интерференция – явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. Это общее свойство волн любой природы.

Основные формулы интерференции.

Оптическая разность хода:

Δ=L 1 - L 2 .

Связь разности фаз Δφ колебаний с оптической разностью хо­да волн

Δφ=2πΔ/ λ ..

Условие максимумов интенсивности света при интерферен­ции

Δ=± kλ (k =0, l ,2, 3, …).

Условие минимумов интенсивности света при интерферен­ции

Δ=± (2k+1) (λ /2).
Дифра́кция во́лн (лат. diffractus - буквально разломанный, переломанный) - явление огибания волной препятствия.

Д
ифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны.

Дифракционная решётка - оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Первое описание явления сделал Джеймс Грегори, который использовал в качестве решётки птичьи перья.

Основные формулы дифракции:

Условие главных максимумов при дифракции света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей

d sinφ=±k λ, k =0,1,2,3,…,

где d - период (постоянная) решетки; k - номер главного макси­мума; φ -угол между нормалью к поверхности решетки и нап­равлением дифрагирующих волн.

Разрешающая сила дифракционной решетки

где Δλ - наименьшая разность длин волн двух соседних спектраль­ных линий (λ и λ+Δλ), при которой эти линии могут быть видны раздельно в спектре, полученном посредством данной решетки; N - число штрихов решетки; k - порядковый номер дифракцион­ного максимума.

Когере́нтность (от лат. cohaerens - «находящийся в связи») - скоррелированность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Когерентность волны означает, что разность фаз между двумя точками не зависит от времени.

Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.

Поляриза́ция волн - явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поляризация – выделение одного направления колебаний характеристики волны. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды , всегда перпендикулярным к волновому вектору.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

• 
  несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
• 
  анизотропность среды распространения волн;
• 
  преломление и отражение на границе двух сред.

Дисперсия света

Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона).

Диспе́рсия све́та (разложение света ) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты ) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года , хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии , применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число , применяется не только к электромагнитной волне , но к любому волновому процессу.

Призма - оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела - призмы, имеющий плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется .

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Список литературы.

1. 
   Открытая физика [Электронный ресурс]
2. 
   Мякишев, Г. Я.. Физика. 11 класс. [Текст]
3. 
   Картинки с сайтов:

• 
  http :// narod.ru/pic/
• 
  http :// fizika.ayp.ru/6/6_1.html
• 
  http://festival.1september.ru/articles/310913/pril2.doc
• 
  http:// ftl.kherson.ua/EDU/OC/Astronomy/content/chapter2/section1/paragraph1/theory.html
• 
  http://optika8.narod.ru/7.Ploskoe_zerkalo.htm