Краткие сведения из истории оптики.Ответ на вопрос о природе световых волн был взят на основании длинного последовательности наблюдений над изюминками световых явлений. Наряду с этим, как в большинстве случаев не редкость при развитии отечественных научных воззрений, представление о природе света изменялось по мере того, как накапливались данные и новые сведения.
Волновые представления о природе света развивались еще в семнадцатом веке X. Гюйгенсом и поддерживались на протяжении XVIII века Л. Эйлером, М. В. Ломоносовым и В. Франклином. Но в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку скоро летящих частичек (И. Ньютон). Только в начале XIX века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надежно обоснована волновая природа света. Наряду с этим волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обуславливающими звуковые явления. Но две серьёзные изюминки отличают световые волны от звуковых.
Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удален воздушное пространство либо вторая среда, в то время как звук в вакууме распространяться не имеет возможности. Распространение света в вакууме возможно замечать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух). Вторым доказательством свойства света распространяться в вакууме являются звёзд света и наблюдения Солнца, отделенных от нас огромными пространствами, содержащими в единице количества еще меньше вещества, чем самые идеальные вакуумные устройства. Во-вторых, отличительной изюминкой световых волн если сравнивать с волнами звуковыми есть огромная скорость их распространения. Астрономические наблюдения над затмениями спутников Юпитера, выполненные Ремером, продемонстрировали, что скорость распространения света в мировом пространстве близка к 300 000 км/с (3?108 м/с). Такова же фактически и скорость света в воздухе, где звук распространяется со скоростью, приблизительно в миллион раз меньшей.
Огромная скорость распространения света выделяла оптические явления из всех других, известных в первой четкрути XIX века. Приблизительно полвека спустя Дж. Максвелл установил, исходя из теоретических мыслей, что с такой как раз скоростью должно распространяться всякое электромагнитное возмущение. Через некоторое время Г. Герц на опыте осуществил электромагнитные волны, скорость распространения которых действительно была равной скорости распространения света.
Предстоящими изучениями и прежде всего опытами П. Н. Лебедева, взявшего самые маленькие потому времени электромагнитные волны (6 мм), было установлено, что все фундаментальные особенности электромагнитных волн совпадают со особенностями волн световых. Все эти серьёзные факты стали причиной мысли, что световые волны являются электромагнитные волны, отличающиеся от волн, в большинстве случаев используемых в радиотехнике, собственной малой длиной (меньше микрометра).
Электромагнитной природой световых волн разъясняется испускание электронов освещенными металлами, т. е. так называемый фотоэлектрический эффект. Существует и ряд других явлений, обнаруживающих связь между светом и электромагнитными процессами. Опираясь на всю совокупность экспериментальных и теоретических данных, мы можем вычислять установленным, что световые волны являются электромагнитные волны. Светящиеся тела (к примеру, Солнце) испускают электромагнитные (первичные) волны. Попадая на какое-нибудь тело, такая первичная волна приводит к вынужденным колебаниям его электронов, каковые становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Все многообразие световых явлений, все видимые нами очертания и окраски предметов являются суперпозицией (наложение) первичных и вторичных волн. Как уже указывалось раньше, многие черты волновых явлений выясняются сходными для волновых процессов самой разнообразной природы.
В человеческой деятельности и природе волновые процессы обширно распространены. Имеется волны, образование которых обусловлено силой тяжести. Вследствие этого волны, распространяющиеся по поверхности жидкости не являются продольными. Кроме этого они и не являются поперечными, поскольку перемещение частиц жидкости более сложное. Такие волны на поверхности жидкости имеют сложный продольно-поперечный темперамент. Не обращая внимания на это они подчиняются закономерностям, каковые являются неспециализированными для любого волнового процесса, исходя из этого их весьма комфортно применять для наблюдения многих таких закономерностей. Для опытов с этими волнами в большинстве случаев применяют следующую установку. Берут маленькую ванну со стеклянным дном, имеющим площадь 1 м2. Под стеклом помещают броскую лампочку, которая разрешает спроецировать процессы, происходящие в данной ванной на потолок либо на экран. На тени в увеличенном виде возможно замечать все явления, происходящие на поверхности воды. Для ослабления отражения волн от бортов ванны их поверхность в большинстве случаев делают рифленой и сами борта наклонными. После этого, наполняют ванну водой приблизительно на глубину 1 см и касаются поверхности воды финишем проволоки либо острием карандаша. От точки прикосновения разбегается кольцевое возмущение. Скорость его распространения мала (10-30 см/с), исходя из этого возможно легко смотреть за его перемещением. Потом, приобретают колебательный процесс следующим образом: усиливают проволоку на упругой пластинке и заставляют ее колебаться так, дабы при каждом колебании ее финиш ударял по поверхности воды. Во воде побежит совокупность кольцевых возмущений (гребней и впадин). Расстояние между соседними гребнями либо впадинами ?, т. е. протяженность волны, связано с периодом ударов T уже известной формулой ? = vT.
Линии, перпендикулярные к впадинам и гребням показывают направление распространения волны. У кольцевой волны направления распространения изображаются прямыми линиями, расходящимися из центра волны (рис. 78).
В случае если заменить финиш проволоки ребром линейки, параллельным поверхности воды, то возможно создать волну, имеющую форму не концентрических колец, а параллельных друг другу прямолинейных гребней и впадин (рис.79). В этом случае перед передней частью линейки мы имеем одно-единственное направление распространения.
Кольцевые и прямолинейные волны на поверхности дают представление о сферических и плоских волнах в пространстве. Маленький источник звука, излучающий равномерно во все стороны, формирует около себя сферическую волну, в которой разряжения и сжатия воздуха находятся в виде концентрических шаровых слоев. Участок сферической волны, небольшой если сравнивать с расстоянием до ее источника, возможно приближенно вычислять плоским. Это относится к волнам любой физической природы. К примеру, любой участок (в пределах земной поверхности) световых волн, приходящих от звезд, возможно разглядывать как плоскую волну. Волны в водяной ванне употребляются чтобы получить ряд неспециализированных представлений, сохраняющих значение и для упругих (в частности, звуковых), и для электромагнитных волн.
Распространение механической волны представляет собой последовательную передачу перемещения от одного участка среды к второму, свидетельствует энергопередачу. Эту энергию доставляет источник волны, в то время, когда он приводит в перемещение конкретно прилегающий к нему слой среды. От этого слоя энергия передается следующему слою и т. д. Так, распространение волны формирует в среде поток энергии, распространяющейся от источника. Представление о потоке энергии, переносимой волнами, в первый раз ввел в первой половине 70-ых годов девятнадцатого века русский физик Николай Алексеевич Умов. Кроме этого он взял и формулу, разрешающую вычислить интенсивность волны. При встрече волны с разного рода телами переносимая ею энергия может произвести работу либо превратиться в другие виды энергии.
Энергию, переносимую волной через сечение, площадь которого равна 1 м2, за время, равное 1 с, т. е. мощность переносимую через единичное сечение, именуют интенсивность волны. Интенсивность сферической волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. В большинстве случаев волны от источника распространяются во все стороны. В случае если сократить возможность расхождения волны в стороны, то и убывание интенсивности уменьшится. К примеру, звуковая волна, распространяющаяся в трубе, имеет громадную интенсивность. На этом основано использование переговорных труб, каковые употреблялись на маленьких судах и служили для связи капитанского мостика с машинным отделением, кабиной рулевого и т. п. Для повышения громкости звука на громадных расстояниях время от времени используют рупоры. Рупор формирует направленное излучение. Интенсивность волны, которая распространяется в трубе, не должна была бы уменьшаться с расстоянием, поскольку энергия тут переносится через сечения однообразной площади. В действительности происходит ослабление волны, вызванное поглощением энергии волны той средой, в которой она распространяется. В каждой точке на пути волны часть той энергии, которую она переносит, тратится на работу против сил трения в среде и переходит в тепло. Электромагнитные волны являются передачей трансформаций электромагнитного поля. Они также переносят энергию, но энергию электрического и магнитного полей. В таком виде на Землю поступает энергия от Солнца.
В случае если поставить на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, протяженность которой громадна если сравнивать с длиной волны ?, то возможно будет замечать следующую картину. Сзади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается практически в покое. Возможно заявить, что пластинка формирует тень – пространство, куда волны не попадают. Перед пластинкой будет четко видно, как волны отражаются от нее, т. е. волны, падающие на пластинку, создают волны, идущие от пластинки. Этим отраженные волны имеют форму концентрических дуг, разбегающихся как бы из центра, лежащего сзади пластинки. Перед пластинкой при таких условиях появляется необычная сетка из первичных волн, падающих на пластинку и отраженных волн, каковые идут навстречу падающим.
В этом случае угол отражения волны от отражающей плоскости равен углу падения. Данный закон есть неспециализированным волновым законом, т. е. он честен для любых волн, среди них и для звуковых и для световых волн. Отражением волн от препятствий обусловлены многие явления. К примеру, эхо обусловлено отражением звуковых волн от строений, холмов, леса и т. п. В случае если до слушателя доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от последовательности препятствий, то получается многократное эхо. Такое же происхождение имеют и раскаты грома. Значительно чаще явление отражения возможно замечать на световых волнах. Отраженная волна неизменно в определенной степени ослаблена если сравнивать с падающей волной, поскольку часть энергии падающей волны поглощается тем телом, от поверхности которого происходит отражение. К примеру, звуковые волна прекрасно отражаются жёсткими поверхностями (паркет, мрамор) и намного хуже мягкими поверхностями (ковры и другие). Любой звук заканчивается не сразу после того, как замолк его источник, а неспешно. Отражением звука в помещениях обусловлено явление послезвучания, которое именуют реверберацией. В безлюдных помещениях реверберация громадна, исходя из этого отмечается необычная гулкость. В случае если в помещении большое количество поглощающих поверхностей, то реверберация не отмечается. Реверберация играется громадную роль в архитектурной акустике, поскольку определяет звуковые качества помещения. Для определённого рода и определённого помещения звука поглощение волн должно подбираться намерено.
Образование тени при световых волн – явление, которое возможно замечать достаточно довольно часто. При звуковых волн дело обстоит значительно хуже. От них весьма тяжело заслониться. Кроме того стоя за углом либо за забором мы слышим звук. Получается, что эти препятствия не отбрасывают тени (звуковой тени). Так нужно узнать, как будет зависеть темперамент образующейся тени от размеров препятствия. Для этого поставим на пути прямолинейной поверхностной волны в водяной ванне препятствия разного размера (рис. 86).
Получается следующая картина: в то время, когда препятствие велико если сравнивать с длиной волны ?, тень от него достаточно резкая, лишь у самых краев отмечается маленькое беспокойство, показывающее, что волна легко огибает край препятствия. По мере уменьшения препятствия тень выясняется менее светло выраженной, а в то время, когда размеры препятствия становятся сравнимыми с длиной волны, образования тени фактически не происходит. Такое огибание волной края препятствий, в особенности четко замечаемое при малых если сравнивать с длиной волны размерах препятствия, именуется дифракцией. Как раз исходя из этого при простых условиях отсутствует «звуковая тень». Дифракцию световых волн замечать куда сложнее, поскольку длины световых волн малы – всего пара десятитысячных долей миллиметра. Из-за дифракции нельзя получить посредством рупоров, зеркал, отверстий в экранах (диафрагм) и любых вторых средств сколь угодно узкие волновые пучки.
11 класс, 16 урок, дифракция и Интерференция света
