Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №35 "Волновая оптика"

Конспект 35. Волновая оптика.
Тема: Волновая оптика

1. Дисперсия

Определение. Дисперсия света – явление зависимости скорости распространения ЭМВ в данной среде от частоты этой ЭМВ (зависимость абсолютного показателя преломления от частоты излучения).
Замечания:
1) Чем больше частота ЭМВ, тем больше показатель преломления;
2) При прохождении белого света через стеклянную призму наблюдается его разложение в спектр, причем сильнее всего от первоначального направления отклоняется фиолетовый пучок лучей, а слабее всего – красный. Это явление было открыто И. Ньютоном;

3) Цвет видимого света определяется частотой ЭМВ;
4) Частота ЭМВ не изменяется при прохождении из одной среды в другую, но может изменяться длина волны:  (следствие из первого закона преломления света).
Ощущение цветов поверхностей глазами человека:
1) Белый цвет – отражение от поверхности совокупности всех цветов света;
2) Один определенный цвет – как правило, отражение от поверхности набора лучей без какой-то поглощенной части спектра. Например, человеческий глаз ощущает зеленый цвет листьев и травы, т.к. хлорофилл в них поглощает преимущественно лучи красного света;
3) Черный цвет – отсутствие отражения от поверхности.
Замечание. Тела могут окрашиваться и при излучении или прохождении света. В таком случае, если глаз человека ощущает какой-либо цвет, то говорят, что излучается (проходит) монохроматический свет, т.е. свет определенной частоты (длины волны).
Примеры проявления дисперсии:

Образование радуги	Окрашивание прозрачного алмаза

2. Интерференция света

Принцип независимости волн – волны не взаимодействуют друг с другом и распространяются независимо друг от друга.
Определение. Интерференция волн – явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабления в других в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.
Замечание. Условием образования устойчивой интерференционной картины является когерентность волн.
Определение. Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковую частоту и неизменный сдвиг фаз в каждой точке пространства.
Определение. Когерентные источники – это источники, имеющие одинаковую частоту и неизменный сдвиг фаз во времени.
Условия максимума и минимума интерференции:
1) Условие максимума:

В точке C наблюдается светлый участок поверхности.

Где ∆x – разность хода волн в данную точку пространства (на рис. ∆x=AC-BC=AD), м
k=0,1,2… – порядок максимума или минимума интерференции волн, ед
λ – длина волны, м
Замечание. Максимум интерференции наблюдается, если разность хода волн равна целому числу длин волн или четному числу полуволн.
2) Условие минимума:

В точке C наблюдается темный участок поверхности.

Замечание. Минимум интерференции наблюдается, если разность хода волн равна нечетному числу полуволн.
Стандартные лабораторные эксперименты по получению устойчивой интерференционной картины:
1) Интерференция от двух щелей (опыт Юнга)
Схема опыта:

Интерференционная картина на экране:

2) Кольца Ньютона

Примеры применения интерференции света в технике: просветление оптики, интерферометры, контроль качества обработки поверхностей.
Интерференционные картины в природе (интерференция в тонких пленках):

Мыльные, масляные, бензиновые, оксидные пленки и т.п.

Перья птиц	Крылья бабочек

3. Дифракция света

Принцип Гюйгенса – каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн.

Определение. Дифракция света – явление огибания светом границ непрозрачных тел – краев отверстий, узких щелей и экранов, т.е. нарушение прямолинейности распространения света. Явление наблюдается при преодолении препятствий, которые по размерам сравнимы с длиной волны света.

Определение. Дифракционная решетка (прозрачная) – прозрачная тонкая пластинка, на которую нанесены параллельные штрихи с промежутками между ними.
Замечание. Дифракционная решетка служит, как правило, для разложения света в спектр и измерения длины волны излучения.
 – период дифракционной решетки (основной параметр размера штрихов), м
Где l – длина решетки, м
N – количество штрихов в указанной длине, ед
a и b – размеры прозрачной области и штриха соответственно, м

Принцип работы дифракционной решетки:
1) На решетку, как правило, вертикально (перпендикулярно к решетке) направляют луч света;
2) На мелких штрихах, которые по размерам сравнимы с длиной волны излучения, наблюдается дифракция света;
3) Лучи после отклонения от первоначального направления характеризуются разностью хода, что объясняет их последующую интерференцию;
4) Установленная за решеткой собирающая линза фокусирует лучи в определенных точках, на линии этих точек устанавливается экран (фокальная плоскость линзы);
5) Для определенных углов отклонения лучей от первоначального направления (φ) наблюдается образование на экране интерференционных максимумов;
6) Как следствие, на экране для монохроматического света наблюдается картина одноцветных интерференционных полосок, а для белого света картина спектральных интерференционных полосок (белый свет после прохождения через решетку раскладывается в спектр).

Картина на экране после дифракционной решетки:

Монохроматический свет	Белый свет

 – формула дифракционной решетки (условие максимума интерференции на экране после дифракции на решетке)
Где φ – угол отклонения луча от первоначального направления (вертикали), рад или град
k=0,1,2… – порядок максимума интерференции, ед
 – наибольший порядок дифракционного максимума на экране, ед
Замечание. Для малых углов можно использовать  (в рад).
Примеры дифракционных решеток:

Прозрачные (элементы различных оптических приборов определения длины волны излучения)	Отражательные (блестящая поверхность компакт-диска)