Меню

Источники света принцип гюйгенса



Источники света принцип гюйгенса

Дифракция света – в узком, но наиболее употребительном смысле – огибание лучами света границы непрозрачных тел (экранов); проникновение света в область геометрической тени. Наиболее рельефно дифракция света проявляется в областях резкого изменения плотности потока лучей: вблизи каустик, фокуса линзы, границ геометрической тени и др. дифракция волн тесно переплетается с явлениями распространения и рассеяния волн в неоднородных средах.

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями, размеры которых сравнимы с длиной волны, и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики.

Огибание препятствий звуковыми волнами (дифракция звуковых волн) наблюдается нами постоянно (мы слышим звук за углом дома). Для наблюдения дифракции световых лучей нужны особые условия, это связано с малой длиной световых волн.

Между интерференцией и дифракцией нет существенных физических различий. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции волн.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 9.1). Каждая точка участка волнового фронта, выделенного отверстием, служит источником вторичных волн (в однородной изотопной среде они сферические).

Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т.е. волна огибает края отверстия.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде и интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям.

Решающую роль в утверждении волновой природы света сыграл О. Френель в начале XIX века. Он объяснил явление дифракции и дал метод ее количественного расчета. В 1818 году он получил премию Парижской академии за объяснение явления дифракции и метод его количественного расчета.

Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

При рассмотрении дифракции Френель исходил из нескольких основных положений, принимаемых без доказательства. Совокупность этих утверждений и называется принципом Гюйгенса–Френеля.

Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку фронта волны можно рассматривать как источник вторичных волн.

Френель существенно развил этот принцип.

· Все вторичные источники фронта волны, исходящей из одного источника, когерентны между собой.

· Равные по площади участки волновой поверхности излучают равные интенсивности (мощности).

· Каждый вторичный источник излучает свет преимущественно в направлении внешней нормали к волновой поверхности в этой точке. Амплитуда вторичных волн в направлении, составляющем угол α с нормалью, тем меньше, чем больше угол α, и равна нулю при .

· Для вторичных источников справедлив принцип суперпозиции: излучение одних участков волновой поверхности не влияет на излучение других (если часть волновой поверхности прикрыть непрозрачным экраном, вторичные волны будут излучаться открытыми участками так, как если бы экрана не было).

Используя эти положения, Френель уже мог сделать количественные расчеты дифракционной картины.

Источник

Источники света. Принцип Гюйгенса.

Все тела, молекулы и атомы которых создают видимое излучение называются источниками света. Можно привести множество примеров источников света: лампа накаливания, горящая спичка, газосветные трубки и другие. Условно их можно разделить на группы — по способу возбуждения частиц и испускающих свет.

1. Температурные источники света. Свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.

2. а) Люминесцентные источники света. Возбуждение атомов и молекул обусловлено потоком летящих частиц вещества. Например — электронов. Тогда энергия излучения получается за счет электрической, химической или механической энергии, т.е. за счет внешних источников.

б) Свечение в веществе, обусловленное эффектом Вавилова-Черенкова. Это свечение возникает при движении в среде электронов со скоростью превышающей скорость распространения света в ней. Скорость же света в вакууме предельно возможная в природе скорости. Рассмотрим как волновая теория объясняет перемещение фронта волны в пространстве.

Читайте также:  Вернувшиеся с того света хроника

Допустим, что фронт сферической волны распространяющийся из точки О занимает положение I. Через некоторое время он займет II. Перемещение фронта волны в пространстве объясняют с помощью принципа Гюйгенса: Все точки фронта волны являются вибраторами от которых распространяются элементарные волны (1, 2, 3 и т.д.) огибающая всех этих элементарных волн дает новое положение фронта волны (поверхность II). Здесь перемещение фронта волны ВА. Линия, вдоль которой распространяется фронт, называют лучом. Чем дальше от точки О уходит фронт волны, тем меньше становится кривизна его поверхности. На больших расстояниях маленькие кусочки фронта можно считать плоскими, а лучи параллельными.

Скорость распространения света в вакууме и в различных средах.

Первое измерение скорости света в вакууме было выполнено датским астрономом Ремером в 1675 году при изучении затмений одного из спутников Юпитера. Он заметил, что по мере увеличения расстояния между Юпитером и Землей затмение спутника запаздывает все больше по сравнению с расчетным временем. Ремер объяснил это тем, что при увеличении расстояния от Юпитера до Земли на l свет должен затрачивать время t, чтобы пройти это расстояние со скоростью с. Зная l и t он вычислил скорость света, которая оказалась близкой к 3×10 8 м/с. У всех веществ, в которых может распространяться световое излучение, прозрачных для света, относительная магнитная проницаемость мало отличается от 1. Следовательно скорость распространения света в веществе определяется его диэлектрической e. Заметим, что e зависит от частоты колебательного вектора Е и поэтому и скорость распространения света в диэлектриках тоже зависит от частоты колебаний в световом излучении.

Наиболее удачным опытом по определению скорости света в земных условиях был опыт американского физика Майкельсона. В его опыте свет направлялся на одну из граней зеркального барабана, отразившись от которой шел на расстояние 35 км, затем поворачивался с помощью зеркал и попадал на противоположную грань барабана. Наблюдатель видел изображение источника, когда барабан был неподвижен и при такой скорости вращения, что пока свет проходит расстояние между зеркалами барабан поворачивается ровно на одну грань.

Пусть n оборотов/мин. — скорость вращения барабана. Тогда в секунду оборотов, это есть частота вращения, а период , но период — это время полного поворота на все k граней, тогда время поворота на одну грань в k раз меньше .

Время поворота равно времени прохождения лучей туда и обратно. Тогда:

Было установлено, что с = 299792,5 ± 0,5 км/с

ЗАДАЧИ К БЛОКУ 20-а

1. Определить скорость света в воде, если оптическая плотность воды равна 1,33.

Дано:

Решение:

Оптическая плотность среды показывает во сколько раз скорость света в воздухе или вакууме больше чем в данной среде:

Откуда:

Ответ: 2,25×10 8 м/с

2. Сколько времени движется фотон от Солнца до Земли, если расстояние между ними 15×10 10 м.

Дано:

Решение:

Очевидно:

Ответ: 8 мин 20 с

3. Излучение состоит из фотонов, энергия каждого из которых 3,31×10 -19 Дж. Определить частоту колебаний и длину волны этого излучения в вакууме.

Дано:

h = 6,62 ×10 -34 Дж× с

Решение:

Энергия кванта выражается формулой: где h — постоянная Планка,n — частота излучения.

Откуда:

Далее: Откуда:

Ответ: 5×10 14 Гц; 600 нм.

4. Определить число фотонов, излучаемых лампой накаливания мощностью 40 Вт в 1 с, если лампа излучает свет длиной волны 500 нм.

Дано:

Решение:

Число излучаемых фотонов: Е — излучаемая лампой энергия;

Е= Р×t, Е1 энергия кванта. значит:

– безразмерная величина

Ответ: 10 20

5. Рубиновый лазер излучает за один импульс n фотонов с длиной волны l. Чему равна средняя мощность вспышки лазера, если ее длительность t.

Читайте также:  Вселенная мир космос свет

Дано:

Решение:

Значит:

Ответ:

6. Какой энергией обладает квант, длина волны которого 19,86 нм.

Дано:

h = 6,62×10 -34 Дж×с

Решение:

Энергию кванта можно найти по формуле:

Источник

В чем заключается принцип теории Гюйгенса Френеля

Как известно, свет проявляет свойства, волны и частицы. Одна из теорий, описывающих его поведение — это волновая теория света. Важнейший постулат этой теории — принцип Гюйгенса-Френеля. Он описывает и объясняет распространение волн, частным случаем которых и является свет — электромагнитное излучение в оптическом диапазоне.

Суть принципа Гюйгенса-Френеля

Это утверждение объясняет и описывает то, как распространяются колебания, например, свет. Оно состоит из двух частей. Первую часть (принцип Гюйгенса) предложил Христиан Гюйгенс в 1678 году. Он предположил, что при распространении излучения из каждой точки волнового фронта начинают исходить новые сферические волны.

Волновой фронт — это поверхность, на которой возмущение находится в одинаковой фазе. Проще говоря, это граница пространства, в котором уже распространилось возмущение. Например, если бросить камень в воду, пойдут круги — волны. Их фронт в этом случае — это самый внешний круг.

Огюстен Жан Френель в 1815 году развил предположение Гюйгенса.

Важно! Его дополнение заключается в том, что поле, получившееся при распространении возмущения, создается интерференцией вторичных колебаний, которые имеют одинаковую амплитуду. Огибающая вторичных волн дает положение волнового фронта через небольшой промежуток времени.

Интерференция — это наложение волн друг на друга. При этом в одних участках колебания они взаимно усиливают друг друга, в других ослабляют. Поэтому для света получается картина из светлых и темных полосок. Пример этого кольца Ньютона, картина из концентрических кругов, получающаяся, если плоско-выпуклую линзу положить на стеклянную пластинку.

Чтобы можно было наблюдать картину интерференции, излучение должно быть когерентным. Это значит, что оно должно иметь постоянную разность фаз и давать колебания такой же частоты, если их сложить.

Утверждение, сделанное Гюйгенсом, помогало определить только направление распространения возмущения и объясняло распространение света, как его описывает геометрическая оптика. Дополнение принципа Гюйгенса позволяет рассчитывать амплитуду и интенсивность.

Это интересно! Какие бывают системы отсчета в физике и что это такое

Краткая формулировка

Если говорить кратко, этот постулат заключается в следующем. Колебания в любой точке пространства — это результат интерференции возмущений, излученных точками на волновой поверхности.

Для любой точки пространства колебания — это наложение вторичных когерентных колебаний, излучаемых точками волнового фронта. Таким образом, в некоторых задачах можно один источник заменить на несколько одинаковых вторичных источников.

Применение

Рассматриваемое утверждение дает возможность объяснить различные оптические явления:

  • распространение светового излучения,
  • дифракцию,
  • интерференцию,
  • отражение,
  • преломление,
  • двулучепреломление и другие.

С помощью принципа Гюйгенса-Френеля можно рассчитать амплитуду и интенсивность светового излучения. Для этого используются методы зон Френеля.

Зоны Френеля

Это утверждение важно для решения задач по дифракция света по принципу Гюйгенса-Френеля. Строгое решение таких задач математически очень сложно, поэтому пользуются приближенными методами.

Благодаря открытиям Гюйгенса и Френеля в таких задачах можно заменить один первичный источник совокупностью вторичных источников.

Это существенно облегчает задачу, например, для сферического случая. Такой метод расчета называется методом зон Френеля.

Важно! Зоны Френеля — это участки, на которые делят поверхность, чтобы упростить расчет, например, амплитуды колебаний. На зоны можно разбить любую поверхность, через которую проходит свет.

Сферический случай

В случае сферической волны зоны Френеля выглядят как кольца. Для произвольной точки М их можно построить, проведя из этой точки сферы радиусы, различающиеся на 1/2 длины волны.

Для сферического случая можно посчитать радиус зоны. Это внешний радиус кольца.

Площади зон Френеля с небольшими номерами примерно одинаковы. Они не зависят от номера зоны m. Они считаются как разница площадей сегментов сферы. Если не углубляться в детали, площади зон Френеля в этом случае находят так. Нужно умножить длину волны на радиус сферического волнового фронта R, на расстояние до точки наблюдения a и на число пи, а затем поделить на сумму R и a.

Читайте также:  Свет завтра по россии

Зоны Френеля находят применение в зонных пластинках со светлыми и темными кольцами-радиусами, соответствующими размерам зон. Они работают аналогично собирающей линзе.

Это интересно! Квантовые постулаты Нильса Бора: кратко об основных положениях

Дифракция

С помощью этого постулата объясняется дифракция света по принципу Гюйгенса-Френеля — огибание ими небольших предметов. Для света он дает обоснование того, почему возмущения распространяются и в область геометрической тени. Если бы они не огибали предметы, мы бы никогда не увидели полутени, все тени были бы резкими, как предполагает геометрическая оптика. Но реальная картина отличается от предположений геометрической оптики.

Пример — плоская волна, падающая на плоскость с отверстием. Когда она проходит через отверстие, все точки фронта излучают вторичные сферические колебания. С помощью построения огибающей увидим, что фронт волны оказывается там, куда согласно геометрической оптике свет попадать не должен.

Френель обосновал явление дифракции света по принципу Гюйгенса-Френеля и создал метод ее расчета. Развив принцип Гюйгенса, он установил, что:

  • все участки волнового фронта колебания, исходящего из одной точки, когерентны,
  • излучение одних участков волнового фронта не оказывает влияния на другие,
  • колебания излучаются в основном перпендикулярно поверхности волнового фронта,
  • равные по площади участки волнового фронта излучают одинаковую интенсивность.

Дифракция на прямоугольной щели

Прямоугольную щель можно поделить на N зон в виде узких полосок, параллельных ее длинной стороне. Если наблюдатель находится далеко от источника, то задача сводится к расчету интерференции от N одинаковых источников.

В таком случае интерференционная картина выглядит как светлые и темные полосы. Наиболее яркая светлая полоса — главный максимум — находится в центре.

Преломление

Когда свет попадает из одной среды в другую, например, из воздуха в воду, он меняет направление, т.е. преломляется. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля на границе сред из каждой точки исходит вторичное излучение.

Из принципа Гюйгенса можно получить, что показатель преломления равен отношению скоростей светового колебания в одной и другой среде. Также можно найти и угол, на который отклоняется свет.

Это интересно! Изучаем термины: энтропия – что же это такое простыми словами

Видео

В интернете можно найти видео, демонстрирующие, как работает принцип Гюйгенса-Френеля. Например, наглядная демонстрация для отражения плоской волны от поверхности доказывает, что угол падения и угол отражения равны.

Если волна падает на плоскость, отражаясь от нее, различные точки волновой поверхности доходят до плоскости неодновременно. Начинают распространяться вторичные колебания.

Касательная к ним — это и есть волновой фронт отраженного колебания. Решив простую геометрическую задачу о равенстве треугольников, можно установить, что углы, под которыми излучение падает и отражается, равны.

Можно построить изображение источника в плоском зеркале. Фронт отраженного возмущения будет сферой с центром в некоторой точке. Эта точка и будет мнимым изображением плоского источника в зеркале.

Можно найти видео, иллюстрирующие и другие физические явления. Например, можно пронаблюдать зоны Френеля для электромагнитного колебания. Также можно найти лекции, посвященные принципу Гюйгенса-Френеля и другим вопросам оптики.

Это интересно! Формулировки законов Исаака Ньютона: кратко и понятно

Полезное видео

Заключение

Принцип Гюйгенса-Френеля дает возможность объяснить такие оптические явления, как рефракцию, дифракцию, распространение света по прямой, интерференцию. С его помощью можно приближенно решать задачи оптики, которые очень трудно решить точными методами. Это утверждение — основной постулат волновой теории и применимо не только к распространению светового излучения, но и к другим волновым процессам.

Источник

Adblock
detector