Световые волны конспект кратко

Обновлено: 03.07.2024

1. Свойства света.
Свет – это электромагнитные волны в интервале частот Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т.е. длин волн в интервале 380 ÷ 780 нм. Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.
Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта.
Свет имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в любой другой среде скорость света убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.

2. Интерференция света. Применение интерференции.
Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина).
Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.


Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее.
На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны.
Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути.

При разности хода, равной четному числу длин полуволн
наблюдается интерференционный максимум.
При разности хода, равной нечетному числу длин полуволн
наблюдается интерференционный минимум.

Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн.
Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей, для просветления оптики.

3. Дифракция света.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света.
Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка.
Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.
Пусть на решетку падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода Δ= d·sinφ,
где d – постоянная решетки – расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, φ – угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки.
При разности хода, равной целому числу длин волн d·sinφ = k·λ, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны.
Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ.
В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.
Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.

4. Поляризация света.
Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.
Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит.
Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации.
Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

5. Дисперсия света.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета (спектр), при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета.
Запомнить 7 основных цветов спектра можно по мнемоническому правилу:

"Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан"


Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны.

Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн.
Джеймс Максвелл высказал предположение, что свет – это электромагнитная волна.
Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.

1.
Скорость света в вакууме определена экспериментально.
Она примерно равна 300 000 км/с.
Во всех средах скорость света меньше, чем в вакууме.

2.
Преломление света на границе двух сред обусловлено изменением скорости при переходе света из одной среды в другую.
Относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах.

3.
Широкое применение имеют линзы — прозрачные тела, ограниченные сферическими поверхностями.
Основная формула линзы связывает ее фокусное расстояние F (расстояние от линзы до фокуса), расстояние d от предмета до линзы и расстояние ƒ от линзы до изображения:


Величины F, ƒ и d в этой формуле могут быть как положительными, так и отрицательными: положительные значения соответствуют действительным фокусу, изображению и предмету, а отрицательные — мнимым.

4.
Показатель преломления света, как впервые установил Ньютон, зависит от его цвета.
Цвет же определяется частотой колебаний (или длиной световой волны).
Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний называется дисперсией.


Дисперсия приводит к тому, что призма разлагает белый свет в спектр.

С помощью призм можно осуществить, как разложение, так и синтез белого света.


Скорость света и длина волны уменьшаются при переходе из вакуума в среду.
Частота колебаний при этом остается неизменной.

5.
Световые волны одинаковой длины волны, имеющие постоянную во времени разность фаз, называются когерентными.
При наложении когерентных волн друг на друга наблюдается интерференция света.
Волны усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности хода между ними.
Когерентные волны образуются, например, при отражении световых волн от двух поверхностей тонкой пленки.
Так как разность фаз колебаний интерферирующих волн зависит не только от толщины пленки, но и от длины волны, то при освещении пленки белым светом образуется цветная интерференционная картина.

6.
Световые волны огибают препятствия, сравнимые по размерам с длиной световой волны.
Это дифракция света.
Так как длина световой волны очень мала (порядка 10 -5 см), то наблюдение дифракции света затруднено и требует специальных приспособлений.
Дифракция света налагает предел на разрешающую способность микроскопа и телескопа.

7.
Законы геометрической оптики выполняются при условии, что размеры препятствий на пути световых волн много больше длины волны.

8.
На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки: совокупности большого числа одинаковых щелей, разделенных узкими промежутками.
Значения углов ф, определяющих направления на дифракционные максимумы спектра, получаемого с помощью решетки, находят из равенства d sin φ = kλ, где k = 0, 1, 2, . a d — период решетки.

Решетка разлагает белый свет в спектр; с ее помощью можно измерять длины световых волн.

9.
Световые волны поперечны.
Это доказано экспериментально при наблюдении прохождения света через анизотропные среды — кристаллы.
Световая волна, в которой колебания происходят в определенной плоскости, называется поляризованной.
Свет, создаваемый обычными источниками (естественный свет), не поляризован.
Колебания в световой волне происходят по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения.

10.
Согласно электромагнитной теории, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну.
Экспериментальное доказательство поперечности световых волн явилось важным этапом в признании справедливости электромагнитной теории света.

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Световые волны

Цель урока: рассмотреть суть понятия световых волн, интерференцию и дифракцию световых волн, изучить условия их возникновения; рассмотреть устройство и принцип действия дифракционной решетки.

Изучение нового материала

1.) Интерференция света

2.) Дифракция света

3.) Дифракционная решетка

Закрепление изученного материала

Домашнее задание: § 16, № 11.15, № 11.20, № 11.25, № 11.27

Организационный момент

Актуализация знаний

Изучение нового материала

Согласно электромагнитной теории света свет представляет собой поперечную электромагнитную волну.

СВЕТ – это электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом.

Интервал частот световых волн : 4,0  10 14 Гц 7,5  10 14 Гц

Скорость распространения световых волн в вакууме: с=3  10 8 м/с

А для любой волны (механической и электромагнитной) справедливы такие интересные свойства, как интерференция и дифракция.

Интерференция световых волн

Интерференция – это явление сложения в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний.

Рассмотрим две волны, распространяющиеся в пространстве от двух источников О1 и О2.

Пусть эти источники волн будут когерентными, только в этом случае возможно наблюдение устойчивой интерференционной картины.

Когерентные источники – это источники волн с одинаковой частотой и с постоянной разностью фаз.

Пусть эти рассматриваемые когерентные волны встречаются в точке М, в этой точке происходит сложение этих волн. Результат сложения волн, приходящих в точку М, зависит от разности фаз между ними. Пройдя различные расстояния d1 и d2, волны имеют разность хода Δd= d2- d1 .

Если разность хода равна длине волны λ, то вторая волна по сравнению с первой ровно на один период. Следовательно, в этом случае гребни, как и впадины обеих волн совпадают.

То же самое будет происходить, если на отрезке Δd укладывается не одна, а любое целое число длин волн. В этом случае говорят, что выполняется условие максимумов интерференции.

Условие максимумов интерференции

Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн:

Δd= k λ, где k=0,1,2….

В случае если на отрезке Δd укладывается половина длины волны, то вторая волна отстаёт от первой на половину периода, то колебания будут происходить в противофазе и будет выполняться условие минимумов.

Условие минимумов интерференции

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

Если разность хода Δd= d2- d1 принимает промежуточное значение между λ и, то и амплитуда результирующего колебания принимает некоторое промежуточное значение между удвоенной амплитудой и нулём.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону . Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис.)

Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис.)

Ньютон не смог объяснить с точки зрения корпускулярной теории, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов.

Юнг так же выяснил, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте). Световым пучкам различного цвета соответствуют волны различной длинны.

Дифракция световых волн

Как мы с вами знаем свет – это электромагнитная волна. Именно по этому можно говорить о том, что для световых волн наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света.

Дифракция – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые препятствия и огибание волной малых препятствий.

Наблюдать дифракцию света нелегко. Дело в том, что дифракция наблюдается только, если размеры препятствий сравнимы с длиной волны, а длина световой волны очень мала.

Если обозначить через d – размер препятствия,

тогда условие возникновения дифракции можно записать в виде:

В чём причина возникновения явления дифракции?

Принцип Гюйгенса:

Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн, а поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Фронт волны – это совокупность точек пространства, до которых в данный момент дошла волна.

Таким образом, согласно принципу Гюйгенса частицы среды, до которых доходят колебания, в свою очередь, колеблясь, приводят в движение соседние частицы среды, с которыми они взаимодействуют. Вторичные волны, испускаемые частицами среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны.

Закрепление пройденного материала

№ 1. Разность хода лучей от двух когерентных источников света с длиной волны 600 нм, сходящихся в некоторой точке, равна 1,5 × 10 -6 м. Будет ли наблюдаться усиление или ослабление света в этой точке?

№ 2. Два когерентных источника света S 1 и S 2 с длиной волны 0,5 мкм находятся на расстоянии 2 мм друг от друга. (см. рисунок.) Экран расположен на расстоянии 2 м от S 1. Что будет наблюдаться в точке А экрана – усиление или ослабление света?

№ 3. Две когерентные световые волны красного света (λ=760 нм) достигают некоторой точки с разностью хода 2 мкм. Что произойдет в этой точке: усиление или ослабление волн?


Как и океанские волны, световые волны имеют измеримую длину, высоту, продолжительность или частоту. Солнечный свет содержит непрерывное распределение длин волн. Когда они расположены от длинных до коротких волн (от низких до высоких частот), они образуют часть электромагнитного спектра. Спектр делится на три части: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный. Все три длины волны могут вызвать повреждение. Различные материалы и разные цвета поглощают больше энергии, чем другие материалы и цвета.

Полезные статьи:

Частицы

Легкие частицы называются фотонами. Свет - это набор частиц, очень быстро движущихся в одном направлении. Представьте себе воду, которая брызгает из шланга.

Фотоны - это маленькие энергетические пакеты. Когда они попадают в объект, энергия передается, возбуждая электроны в объекте. Если фотон содержит нужное количество энергии, связи между атомами разрываются. Вот как свет выцветает, ослабляет некоторые материалы и вызывает другие повреждения.

Зрение, особенности восприятия

Чтобы видеть, нужен свет и рецептор - ваши глаза. То, что вы видите, - это свет, отраженный от объекта. Часть видимого света поглощается объектом. Синий объект отражает синюю часть спектра, поглощая свет других цветов.

Интенсивность света, количество света, отражаемого объектом, и способность глаза воспринимать свет - все это влияет на наше восприятие яркости. Стареющие глаза менее гибкие и менее способны приспосабливаться к быстрым изменениям освещения.

Если вы войдете в галерею из яркого помещения, например атриума, экспонаты могут выглядеть тусклыми. Всем глазам требуется больше времени, чтобы акклиматизироваться от яркого к темному, чем от темного к яркому.

Свет излучается источником волнами. Каждая волна состоит из двух частей; электрическая часть и магнитная часть. Вот почему свет называется электромагнитным излучением.

Мозг - обработка данных

Наш мозг интерпретирует световые волны, присваивая разные цвета разным длинам волн, но большая часть света во Вселенной распространяется с длинами волн, слишком короткими или слишком длинными, чтобы человеческий глаз мог их обнаружить. Самые длинные волны - это инфракрасная, микроволновая и радиочастотная части спектра. Самыми короткими длинами волн спектра являются ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Видимая часть - очень небольшая часть электромагнитного спектра.

Немного математики и истории

Длины волн обычно измеряются в миллиардных долях метра (нанометрах) или 10 миллиардных долях метра (Ангстремы). Расстояние от пика одной волны до пика следующей. Люди могут видеть волны с длиной волны примерно от 700 нм, которая кажется темно-красной, до примерно 400 нм, которая выглядит фиолетовой. Свет с короткими длинами волн (фиолетовый) несет больше энергии, чем свет с длинными волнами (красный).

Свет - это электромагнитные волны и не только

Электромагнитное излучение - один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, - все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.

Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны - это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение - это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн - колеблющееся магнитное поле; другой - колеблющееся электрическое поле.


Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y - амплитуда, а ось X - расстояние в пространстве.

Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.

Электромагнитный спектр световых волн

Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.

Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны - самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.


Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.

Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.

Двойственная природа света, история в деталях

Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела - тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.

Двумерное представление волны. Амплитуда - это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны - это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.

Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.


Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.

Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.

Фотон

Заключение

Электромагнитное излучение можно описать его амплитудой (яркостью), длиной волны, частотой и периодом. В начале двадцатого века открытие квантования энергии привело к открытию, что свет - это не только волна, но также может быть описан как совокупность частиц, известных как фотоны. Фотоны несут дискретные количества энергии, называемые квантами. Эта энергия может передаваться атомам и молекулам при поглощении фотонов. Атомы и молекулы также могут терять энергию из-за испускания фотонов.

Читайте также: