Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦІЯ 29
ТЕМА: Розвиток уявлень про природу світла. Поширення світла в різних середовищах. Джерела і приймачі світла. Поглинання і розсіювання світла. Відбивання світла. Закони відбивання світла. Заломлення світла. Закони заломлення світла.
ПЛАН
Світло відіграє надзвичайно важливу роль у нашому житті. Так, до 80 % інформації про навколишній світ людина одержує за допомогою зору.
Оптика — розділ фізики, що вивчає явища, пов'язані з поширенням електромагнітних хвиль видимого діапазону та з їхньою взаємодією з речовиною.
Перші уявлення про природу світла виникли ще в Давній Греції та Єгипті. Серед безлічі теорій того часу були і зовсім примітивні, і дуже близькі до сучасних. Наприклад, деякі вчені давнини вважали, що з очей виходять тонкі щупальця, які ощупують предмети, внаслідок чого й виникають зорові відчуття. Близькою до сучасних можна вважати теорію Демокріта, який уявляв світло як потік частинок, що мають певні фізичні властивості, за винятком кольору, відчуття якого є наслідком входження світла в око.
Ми не будемо розглядати численні теорії світла, більшість із яких до того ж не витримали перевірки часом. Зупинимося лише на двох основних, які виникли наприкінці XVII ст. майже одночасно. Це корпускулярна теорія І. Ньютона і хвильова теорія нідерландського фізика Крістіана Гюйґенса (1629-1695).
Згідно з корпускулярною теорією Ньютона світло – це потік частинок (корпускул), що випускаються світними тілами, причому рух світлових корпускул підпорядковується законам механіки. Так, відбиття світла Ньютон пояснював пружним відбиванням корпускул від поверхні, на яку падає світло, а заломлення світла — зміною швидкості корпускул внаслідок їх притягування до частинок заломного середовища.
Але корпускулярна теорія приводила до хибного висновку, що швидкість світла в середовищах є більшою, ніж у вакуумі. До того ж ця теорія не могла пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, не впливають один на одного.
Тим не менше експериментальні дослідження світла, здійснені Ньютоном, аж до XIX ст. були поза всякими порівняннями, а його монографія «Оптика», яку було опубліковано у 1704 р., стала основним джерелом для написання всіх підручників того часу. Ньютону належить теорія кольору, відповідно до якої біле світло є сумішшю всіх кольорів, а предмети здаються кольоровими, оскільки відбивають одні складові білого кольору більш інтенсивно, ніж інші.
«Трактат про світло» Гюйґенса, опублікований у 1690 р., ввійшов в історію науки як перша наукова праця з хвильової оптики.
Згідно з хвильовою теорією Гюйґенса світло – це хвилі, що поширюються у світовому ефірі – гіпотетичному пружному середовищі, яке заповнює весь світовий простір, а також проміжки між дрібними частинками тіл. Вважаючи світло поздовжньою механічною хвилею, Гюйґенс обґрунтував явища відбивання й заломлення світла, принцип незалежності світлових променів, частково розглянув питання кольору. Вчений сформулював принцип поширення світлової хвилі, відомий сьогодні як принцип Гюйґенса.
Принцип Гюйґенса: Кожна точка середовища, до якої дійшли коливання, сама стає джерелом вторинних хвиль.
Хвильова теорія світла була підтримана такими видатними вченими, як М. В. Ломоносов і Л. Ейлер, однак, незважаючи на це, до кінця XVIII от. загальновизнаною залишалася корпускулярна теорія Ньютона. Так тривало до початку XIX ст., поки не з'явились роботи англійського фізика Томаса Юнга (1773-1829) й французького фізика Огюстена Жана Френеля (1788-1827), які, досліджуючи світло, спостерігали явища, характерні лише для хвиль: явище огинання світлом перешкод (дифракція) та явище посилення й послаблення світла при накладанні світлових пучків (інтерференція). З того часу в науці стала превалювати хвильова теорія Гюйґенса.
У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним з наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості світла. На основі своїх теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло — це окремий випадок електромагнітних хвиль. Після дослідів Г. Герца жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не залишилось.
Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, однак уже на початку XX ст. з'ясувалося, що цієї теорії недостатньо для пояснення явищ, які виникають під час взаємодії світла з речовиною. До них насамперед належать процеси поглинання й випромінювання світла, явище фотоефекту та ін. Ці явища можна пояснити тільки з позицій квантової теорії світла, згідно з якою безперервно, а скінченними порціями — квантами. Кожний окремий квант світла має властивості частинки, а сукупність квантів поводиться подібно до хвилі. Така двоїста природа світла (та й будь-якої частинки) отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм.
Тіло, яке випромінює світло, називають джерелом світла. Джерела світла розрізняють за багатьма параметрами, наприклад, штучні і природні. Теплові джерела – ті, які світяться в результаті нагрівання, і нетеплові – вони світяться завдяки реакціям, у яких беруть участь, наприклад, (окиснення і т. д.). Джерела світла можуть бути точковими і масивними, випромінювати біле світло і монохроматичне (одного кольору). Детальне вивчення показує, що теплові джерела випромінюють світло різних довжин хвиль, яке називають некогерентним. Газові лазери випромінюють упорядковане, когерентне світло, частинки якого називають фотонами або квантами. Фотони утворюються окремими атомами чи молекулами і в результаті їх незалежності в нагрітому тілі потік фотонів виявляється невпорядкованим.
Оскільки світло є електромагнітною хвилею, то в однорідному середовищі воно поширюється рівномірно і прямолінійно. Це дозволяє використовувати пучки світла для точних робіт (будівництва тунелів, високих будинків і т.п.).
Прямолінійне поширення світла від точкового джерела утворює різкі контури тіней – зон, куди не потрапляють промені від частин поверхонь джерела світла (рис.6.5,а). Якщо джерело світла протяжне, то утворюються також зони півтіней, куди попадають промені від частин поверхні джерела світла (рис. 6.5, б).
Швидкість світла у вакуумі дорівнює граничній швидкості для будь-якого матеріального тіла і дорівнює швидкості поширення електромагнітної хвилі . Хоча ця швидкість є дуже великою, але вона скінченна.
Як і будь-яка хвиля, світло, маючи на своєму шляху перешкоду, може відбитись від неї. Якщо нерівності на перешкоді є значно меншими від довжини хвилі, то відбиття буде дзеркальним (зліва). Якщо нерівності є більшими за довжину хвилі - відбиття розсіяне (дифузне) (справа).
Під час падіння світлових променів на ідеально плоску межу розділу двох середовищ, розміри якої значно перевищують довжину хвилі, відбуваються явища відбиття і заломлення світла. Напрям поширення світла змінюється під час переходу його в друге середовище за винятком випадку перпендикулярного падіння променів на межу розділу. Кутом падіння α називають кут між падаючим променем АО і перпендикуляром ОВ до межі розділу, поставленим в точці падіння. Кутом відбиття γ називають кут між відбитим променем ОС і тим же перпендикуляром ОВ.
У разі дзеркального відбиття виконуються закони відбиття світла. Їх було отримано дослідним шляхом декілька століть назад, пізніше виведено теоретично, виходячи з принципу Гюйгенса:
1) падаючий промінь відбивається і перпендикуляр, встановлений на межі розподілу двох середовищ, лежать в одній площині;
2) кут падіння дорівнює куту відбиття: .
Ці два твердження становлять закон відбиття світла.
Закон відбиття справедливий у разі оберненого напряму ходу світлових променів. Промінь, що поширюється по шляху відбитого променя, відбивається по шляху падаючого.
Другий головний закон геометричної оптики – закон заломлення світла: якщо середовище за межею з двох середовищ прозоре для світла, то окрім відбиття можна спостерігати заломлення світла. Закони заломлення були відкриті дослідним шляхом декілька століть назад а принципом Гюйгенса, і формулюються так:
1) падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр у точці падіння променя лежать в одній площині.
2) відношення синуса кута падіння і синуса кута заломлення є сталою величиною для розділюваних двох середовищ:
де – швидкість світла в першому середовищі; – швидкість світла в другому середовищі; – відносний показник заломлення світла у другому середовищі відносно першого.
Якщо першим середовищем є вакуум, то показник заломлення називають абсолютним. Абсолютні показники заломлення визначено для всіх середовищ і занесено до таблиць.
|
Речовина |
n |
Речовина |
n |
|
Ацетон |
1,36 |
Кам’яна сіль |
1,526 |
|
Вакуум |
1 |
Кварц |
1,54 |
|
Вода |
1,33 |
Кремній |
4,01 |
|
Вуглекислий газ |
1,00045 |
Лід |
1,31 |
|
Гелій |
1,000036 |
Повітря |
1,00029 |
|
Діамант |
2,42 |
Поліетилен |
1,58 |
|
Етанол |
1,36 |
Скло |
1,5 |
Оскільки , де - швидкість світла у вакуумі, то
Фізичний зміст показника заломлення визначили лише після того, як закони заломлення були отримані а принципом Гюйгенса. Відносний показник заломлення показує у скільки разів швидкість світла в одному середовищі є більшою за швидкість в другому.
Середовище з більшим абсолютним показником заломлення називають оптично більш густішим, а з меншим – оптично менш густим. Якщо світло з оптично менш густого середовища переходить у більш густе, промінь буде "притискатись" до перпендикуляра .
Якщо ж світло переходить із більш оптично густого середовища в менш густе, то промінь світла буде відхилятись від перпендикуляра .
Закон заломлення світла дозволяє пояснити цікаве і практично важливе явище – повне відбиття світла. Якщо збільшувати кут падіння , то досягнувши граничного значення кута (назвемо його кутом повного внутрішнього відбиття), . При цьому куті падіння і більших кутах заломлений промінь вже не може проникнути в друге середовище, а відбивається – відбувається повне внутрішнє відбиття світла.
Якщо , то і , – граничний кут повного внутрішнього відбиття.
Явище повного внутрішнього відбиття легко спостерігати на простому досліді. Наллємо в склянку воду і піднімемо її дещо вище рівня очей. Поверхня води, якщо розглядати її знизу крізь склянки, здається блискучою, неначе срібною, це і буде з явищем повного внутрішнього відбивання світла.
Повне внутрішнє відбиття використовують у волоконній оптиці. Це явище зумовило революцію в передаванні інформації, широко використовується в медицині.
ЗАКОН ВІДБИВАННЯ СВІТЛА
ЗАКОН ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА
ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА У ПЛОСКОПАРАЛЕЛЬНІЙ ПЛАСТИНЦІ І ПРИЗМІ