Оптика

1.

Оптика

2.

Волновая оптика
•Принцип Гюйгенса
•Дисперсия света
•Интерференция
•Интерференция световых волн
•Интерференция в тонких пленках
•Применение интерференции
•Дифракция
•Дифракция световых волн
•Дифракционная решетка
•Поляризация света

3.

Природа света
17 век
Исаак Ньютон
Христиан Гюйгенс
корпускулярная теория
волновая теория
(свет – поток частиц)
(свет – волна)
19 век
Джеймс Кларк Максвелл – электромагнитная природа света
20 век
Макс Планк – квантовая природа света

4.

Скорость света
м
8 м
света с 299792458 3 10
с
с

5.

Распространение света
В однородной среде свет распространяется прямолинейно.
На границе двух сред свет меняет свое направление –
преломляется.

6.

Принцип Гюйгенса
Каждая точка среды, до которой дошла волна, сама
становится источником вторичных волн.
точечный
источник
Фронт первичной волны
– это огибающая
фронтов вторичных
волн.

7.

Отражение света
Закон отражения света: луч падающий на поверхность, луч
отраженный и перпендикуляр, восставленный в точке
падения лежат в одной плоскости; угол отражения равен
углу падения.
А1
В1
D
А2
В2
С
М
N
А
В

8.

Отражение света
А1
В1
D
А2
В2
С
М
N
А
В
AD t CB
0
ADB 90
DBA CAB
BCA 90 0
CAB
DBA

9.

Отражение света
Рассеянное отражение
Зеркальное отражение
(шероховатая поверхность)
(гладкая поверхность)

10.

Преломление света
Закон преломления света: луч падающий на поверхность, луч
преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке
падения лежат в одной плоскости; отношения синуса угла
падения к синусу угла отражения есть величина постоянная
для данных двух сред.
sin
n
sin
В1
А1
С
М
N
В
А
D
В2
А2

11.

Преломление света
В1
А1
С
1
2
М
N
В
А
D
В2
А2
CB 1 t AB sin sin 1
n
AD 2 t AB sin sin 2
1 - скорость света в среде 1
2 - скорость света в среде 2

12.

Преломление света
1
А1
М
N
А
2
sin
n12
sin
n12 – относительный
показатель преломления
А2
c
c
n1
1
1 n1 n2
n12
c
2 c n1
n2
n2
2
n1 – абсолютный
показатель
преломления среды 1
n2 – абсолютный
показатель
преломления среды 2

13.

Преломление света
1
А1
М
N
А
2
А2
n 2 1
sin
n12
sin
n1 2
nв оздуха 1,000292 1

14.

Преломление света

15.

Преломление света
Прохождение луча света через призму
1
1
n1
n2
n1<n2
2
2
Если вещество призмы
более плотное чем
окружающая среда, то
луч света, пройдя сквозь
призму отклоняется к ее
основанию.
- преломляющий
угол призмы

16.

Полное отражение
Явление полного отражения наблюдается при переходе света
из оптически более плотной среды в менее плотную.
n2<n1
М
900
n1
N
0
0
0 - предельный угол полного отражения
0
0
90
0
0
0
900
90
0
0
90

17.

Полное отражение

18.

Полное отражение
n2<n1
90
М
n1
0
0
N
0
0
90
sin n 2
sin
n1
sin 0 n2
1
n1
sin 0
n2
0
sin 90
n1
n2
0 arcsin
n1

19.

Дисперсия света
Белый свет представляет собой набор
волн различной длины.
400 нм света 760 нм
Свет, представляющий собой набор волн одинаковой длины
– монохроматичный.
Свет, представляющий собой набор волн различных длин –
полихроматичный. (Белый свет является
полихроматичным).

20.

Дисперсия света
Дисперсия – разложение света в спектр.
От латинского слова dispersio – рассеяние.
400 нм
УФ
500 нм
Длины волн в вакууме
600 нм
700 нм
ИК

21.

Дисперсия света
Причиной дисперсии является различие показателей
преломления для волн разной длины. (сильнее всего
преломляется фиолетовый свет, слабее всего преломляется
красный свет).
Исаак Ньютон наблюдал
дисперсию, пропуская свет
через призму.
э
к
р
а
н

22.

Дисперсия света

23.

Дисперсия света
nф nкр
с ф кр
nср
ср
ср ср
с 0
с
ср
пср
ср
0
пср

24.

Дисперсия света
Пример дисперсии света – радуга. (Разложение света в
спектр происходит из-за преломления лучей сферическими
капельками воды и отражения от их внутренней
поверхности.)
солнечный свет
капли воды
к наблюдателю

25.

26.

Интерференция света
Интерференция – явление сложения волн в пространстве.
От латинских слов
inter – взаимно,
между собой и ferio –
ударяю, поражаю.
Для образования устойчивой интерференционной
картины необходимо, чтобы источники волн имели
одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была
постоянна.
Источники, удовлетворяющие этим условиям,
называются когерентными. (От латинского слова
cohaereus – взаимосвязанный).

27.

Интерференция света
d1
S1
d2
А
d
d d 2 d1 разность хода
1
S2
X
Если волны приходят в точку А в
одинаковой фаза, то в точке А
наблюдается максимум – волны
усиливают друг друга.
Условие max:
0
итог
S
d k
k 0,1,2,3....
2
d

28.

Интерференция света
d1
S1
d2
А
d
d d 2 d1 разность хода
S2
X
1
2
Если волны приходят в точку
(.avi)
А в противоположных фазах,
0
то в точке А наблюдается
минимум – волны ослабляют
друг друга.
Условие min: d 2k 1
k 0,1,2,3....
S
2
итог
d

29.

Методы наблюдения интерференции
1. Опыт Юнга
λl
Δx
d

30.

2. Зеркала Френеля
l
( a b)
x
d
2a

31.

3. Бипризма Френеля

32.

4. Билинза Бийе

33.

Интерференция в тонких пленках
Интерференцию света по методу деления
амплитуды во многих отношениях наблюдать
проще, чем в опытах с делением волнового
фронта. Один из способов, использующих такой
метод – опыт Поля.

34.

Опыт Поля
34

35.

Интерференция в тонких пленках
Интерференционные полосы равного наклона
Оптическая
разность хода
с учетом потери
полуволны:
Δ 2nh cosβ
λ0
2h n sin α
2
2
λ0

36.

λ0
Δ 2m
2
- max интерференции
λ0
Δ (2m 1)
2
- min интерференции

37.

Для наблюдения интерференционных полос
равного наклона вместо плоскопараллельной
пластинки можно использовать интерферометр
Майкельсона :

38.

Схема интерферометра Рэлея

39.

Схема интерферометра Жамена

40.

Схема интерферометра Рождественского

41.

Интерференция от клина.
Полосы равной толщины
В белом свете интерференционные полосы,
при отражении от тонких пленок - окрашены.
Поэтому такое явление называют цвета тонких
пленок. Его легко наблюдать на мыльных пузырях,
на тонких пленках масла или бензина, плавающих
на поверхности воды, на пленках окислов,
возникающих на поверхности металлов при
закалке, и т.п.

42.

42

43.

44.

Кольца Ньютона
Кольцевые полосы
равной толщины,
наблюдаемые
в
воздушном зазоре
между
соприкасающимися
выпуклой
сферической поверхностью линзы малой
кривизны и плоской поверхностью стекла,
называют кольцами Ньютона.
Ньютон объяснил это явление на основе корпускулярной теории света.

45.

46. Кольца Ньютона

*
2
r
h R R r
2R
2
2
mλ
h
2
1
rm m λ 0 R
2
- Радиус m-го
светлого кольца
rm mRλ 0 - Радиус m-го темного кольца
46

47.

Применение интерференции света
1. Тот факт, что расположение
интерференционных полос зависит от длины
волны и разности хода лучей, позволяет по виду
интерференционной картины (или их смещению)
проводить точные измерения расстояний при
известной длине волны или, наоборот,
определять спектр интерферирующих волн
(интерференционная
спектроскопия).
47

48.

2. По интерференционной картине можно
выявлять и измерять неоднородности среды (в
т.ч. фазовые), в которой распространяются волны,
или отклонения формы поверхности от
заданной.
48

49.

Дифракция
Дифракция – явление огибания волной препятствия.
От латинского
слова difraktus –
разломанный.

50.

Дифракция
min
Дифракция – результат интерференции вторичных волн.
max

51.

Дифракция света
Изменяется ширина щелей
1802 г.
Томас Юнг

52.

Дифракция света
1802 г.
Томас Юнг
Изменяется расстояние
между щелями

53.

Дифракция света
Принцип Гюйгенса – Френеля: волновая поверхность в
любой момент времени представляет собой не просто
огибающую вторичных волн, а результат их интерференции.
R
a
S
b
B

54.

Дифракционная решетка
Дифракционная решетка представляет собой совокупность
большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными
промежутками.
d1
d
d2
d1>d2
d – период (постоянная)
дифракционной решетки.
1
d
N
d м
N – число штрихов на 1 м.

55.

Дифракционная решетка
max или min
a
0
d
L
d k
d sin k
d d sin

56.

Дифракционная решетка
max или min
a
0
L
d sin k
sin ~
a
sin
L
d
sin
d
dL
a
d

57.

Дифракционная решетка
3 min
3 max
2 min
2 max
1 min
2 min
1 max главный 1 max
max
d sin k d k
sin ~
1 min
гл. max : k 0
1 max : k 1
2 max : k 2
.................
n max : k n
3 min
2 max
d 2k 1
3 max
2
1 min : k 0
2 min : k 1
3 min : k 2
.................
n min : k n 1

58.

Дифракционная решетка
3 min
3 max
2 min
2 max
d sin k
sin ~
1 min
1 min
2 min
1 max главный 1 max
max
3 min
2 max
3 max

59.

Дифракционная решетка
Максимальный порядок спектра.
d sin k
max 90 sin max 1
0
d 1 k max
k max
d

60.

Дифракционная решетка
Дифракционная картина от дифракционной решетки:
Дифракционная картина от двух щелей: