Шпаргалка по "Физике"

3.3: Шкала электромагнитных волн:

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Характеристика  электромагнитных волн различных интервалов длин волн:

Радиоволны. 

Радиоволны представляют собой электромагнитные волны, длины которых превосходят 0.1мм( частота меньше 3 10¹²гц = 3000 Ггц). 

Радиоволны  делятся на: 

1. Сверхдлинные  волны с длиной волны больше 10км( частота меньше 3 10⁴гц=30кгц); 

2. Длинные  волны в интервале длин от10км  до 1км( частота в диапазоне 3 10⁴ гц ^-3 10⁵гц=300кгц); 

3. Средние  волны в интервале длин от1км  до 100м(частота в диапазоне 3 10⁵ гц -310⁶гц=3мгц); 

4. Короткие  волны в интервале длин волн  от 100м до 10м (частота в диапазоне  310⁶гц-310⁷гц=30мгц); 

5. Ультракороткие  волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 310⁷гц=30Мгц). 

Ультракороткие  волны в свою очередь делятся  на : 

а) метровые волны; 

б) сантиметровые  волны; 

в) миллиметровые  волны; 

г) субмиллиметровые или микрометровые. 

Волны с длиной волны меньше, чем 1м(частота меньше чем 300мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот(СВЧ - волны). 

Из-за больших значений длин волн радиодиапазона по сравнению с размерами атомов распространение радиоволн можно  рассматривать без учета атомистического  строения среды, т.е. феноменологически, как принято при построении теории Максвелла. Квантовые свойства радиоволн  проявляются лишь для самых коротких волн, примыкающих к инфракрасному  участку спектра и при распространении  т.н. сверхкоротких импульсов с  длительностью порядка 10^-12сек- 10^-15сек, сравнимой со временем колебаний электронов внутри атомов и молекул. 

Инфракрасное  и световое излучения. 

Инфракрасное, световое, включая ультрафиолетовое, излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.). 

С другой стороны излучение оптической области  спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые  могут быть получены с помощью  геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как  оптических приборов, так и каналов  распространения оптических сигналов. 

Оптический  спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 210^-6м= 2мкм до 10^-8м=10нм (по частоте от1.510¹⁴гц до 310¹⁶гц). Верхняя граница оптического диапазонаопределяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя коротковолновой границей ультрафиолета (рис.2.14).

 

Ширина  оптического диапазона  по частоте составляет примерно 18 октав¹, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава( ); на ультрафиолет - 5 октав ( ), на инфракрасное излучение - 11 октав (

). 

В оптической части спектра становятся существенными  явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине  наряду с волновыми свойствами оптического  излучения проявляются квантовые  свойства. 
 

Рентгеновское и гамма излучение. 

В области  рентгеновского и гамма излучения  на первый план выступают квантовые  свойства излучения. 

Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. 

Гамма излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате ядерных реакций. Граница между рентгеновским и гамма излучением определяются условно по величине кванта энергии  ², соответствующего данной частоте   излучения. 

Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной от50 нм до 10^-3нм, что соответствует энергии квантов от 20эв до 1Мэв. 

Гамма излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10^-2нм, что соответствует энергии квантов больше 0.1Мэв. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.7

Способы осуществления интерференции  света:

1. Опыт Юнга (зеркала френеля, бипризмы френеля)

В этом опыте Юнг поток света направил на непрозрачную пластинку с двумя очень маленькими отверстиями, за которой находился экран. Если придерживаться господствовавшей в то время корпускулярной теории света, то на экране он должен был увидеть две светящиеся точки. Вместо этого на экране он увидел чередующиеся светлые и тёмные полосы. Причём самая яркая из них находилась на экране посередине между отверстиями на перегородке, чего быть вообще-то не должно. Юнг объяснил возникновение полос явлением интерференции света. 

На экране светлые полосы соответствуют точкам, в которых фазы волн одинаковы, а тёмные - точкам, в которых фазы волн противоположны. Существует формула, по которой можно рассчитать, в каком месте экрана будет светлая, а в каком тёмная полоса: 

Как видно из формул, расположение максимумов и минимумов на экране будет зависеть от расстояния между источниками (d), расстояния от источников до экрана (L) и от длины волны ( ).

2. Кольца ньютона

Интерференционная картина, возникающая при отражении  света от двух поверхностей воздушного зазора между плоской стеклянной пластинкой и наложенной на нее плоско-выпуклой линзой большого радиуса кривизны, называется кольцами Ньютона. Радиусы колец Ньютона зависят от длины волны λ падающего света и радиуса кривизны Rвыпуклой поверхности линзы. В центре картины всегда наблюдается темное пятно. Радиус r_m m-го темного кольца равен 

      где r₁ – радиус первого темного кольца.

3. Интерференция на тонкой пленке

«потеря»  полуволны при  отражении:

При нормальном падении света на границу раздела двух сред отраженная волна в точке падения будет в противофазе с падающей приотражении от оптически более плотной среды, от среды с более высоким показателем преломления. Противоположная фаза отраженной волны эквивалентна сдвигу фазы на  , или изменению разности хода на  . Поэтому говорят, что при отражении от оптически более плотной среды происходит потеря полуволны. При этом в выражении для оптической длины пути следует добавить (или вычесть) слагаемое  .

Если одна из интерферирующих волн по пути к экрану испытала отражение с потерей полуволны, как, например, при наблюдении колец Ньютона в отраженном свете, то без учета потери полуволны в рассчитанной интерференционной картине темные полосы окажутся на месте светлых, а светлые — на месте темных. 
 
 

3.12 Прямолинейность  распространения  света

Закон прямолинейного распространения света: (по Гюйгенсу)

· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с  резкими границами  от непрозрачных предметов  при освещении  их источниками малых  размеров.

Тщательные  эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые  отверстия, причем отклонение от прямолинейности  распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Закон независимости световых пучков:

· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. 

Разбивая  световой поток на отдельные световые пучки (например, с  помощью диафрагм), можно показать, что  действие выделенных световых пучков независимо.

Закон отражения (рис. 7.3):

· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром,проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;

· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ

Закон преломления (закон Снелиуса) (рис. 7.5):

· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;

· отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.13. Дифракция Фраунгофера  на одной щели

Дифракция Фраунгофера на одной  щели

       Рассмотрим  схему наблюдения дифракции Фраунгофера, представленную на рис.3. Плоская монохроматическая  волна падает нормально на плоскость Щ, где расположена бесконечно длинная щель шириной b (щель можно считать бесконечно длинной, если ее длина намного больше ее ширины. Так при ширине в 0,01 - 0,05 мм длина в несколько миллиметров может считаться бесконечной).

       За  щелью расположена линза Л, в фокальной плоскости которой находится экран Э. Наличие линзы равносильно тому, что экран расположен как бы на "бесконечном" расстоянии от объекта. Если бы свет распространялся прямолинейно в соответствии с законами геометрической оптики, то в фокальной плоскости линзы получилась бы бесконечно узкая светлая полоса, проходящая через точку N₀ на экране Э. Но в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля каждая точка волнового фронта, достигающего плоскости, где расположена щель, является источником вторичных волн. Тогда лучи, идущие от всех этих вторичных источников под некоторым углом j к первоначальному направлению, образуют плоский волновой фронт и соберутся в фокальной плоскости линзы в т.N_j (рис.3).

       Расчет  поля в плоскости экрана проведём непосредственно на основе принципа Гюйгенса-Френеля, не используя формулу (1). Для этого разобъем открытую часть поверхности щели на зоны в виде узких полосок одинаковой ширины dх, параллельных краям щели. Эти элементарные участки становятся источниками вторичных волн. Амплитуды dA₀ этих волн, приходящих в т. N_j на экране от разных полосок, одинаковы, так как все зоны имеют одинаковую площадь и одинаковый к направлению вторичных волн угол j. Эти амплитуды будут пропорциональны произведению амплитуды падающей волны Е₀ на размер полоски dx, т.е.

dA₀ = CE₀ dx      (2)

где С - коэффициент пропорциональности.

       Однако  фазы колебаний, приходящих от различных  участков щели, будут различаться. Для  определения разности фаз проведем прямую М₀М_b', перпендикулярную к направлению дифрагированных лучей, и найдем разность хода, возникающую на пути от прямой М₀М_b до прямой М₀М_b'. Из рис.3 видно, что разность хода между волнами, идущими от точки М₀ и от точки М_х, расположенной на расстоянии х от т.М₀, равна хSinj.