Šviesa yra sudėtingas reiškinys: vienais atvejais ji elgiasi kaip elektromagnetinė banga, kitais – kaip ypatingų dalelių (fotonų) srautas. AT šis tomas aprašyta bangų optika, tai yra reiškinių diapazonas, pagrįstas šviesos bangine prigimtimi. Trečiame tome bus nagrinėjama reiškinių visuma dėl šviesos korpuskulinės prigimties.
Elektromagnetinėje bangoje svyruoja vektoriai E ir H. Kaip rodo patirtis, fiziologinius, fotocheminius, fotoelektrinius ir kitus šviesos efektus sukelia elektrinio vektoriaus svyravimai. Atsižvelgiant į tai, mes toliau kalbėsime apie šviesos vektorių, o tai reiškia elektrinio lauko stiprumo vektorių. Vargu ar paminėsime šviesos bangos magnetinį vektorių.
Šviesos vektoriaus amplitudės modulį, kaip taisyklė, pažymėsime raide A (kartais ). Atitinkamai, šviesos vektoriaus projekcijos pokytis laike ir erdvėje ta kryptimi, kuria jis svyruoja, bus aprašytas lygtimi
Čia k yra bangos skaičius, atstumas, išmatuotas šviesos bangos sklidimo kryptimi. Plokščiajai bangai, sklindančiai nesugeriančioje terpėje, A = const, sferinei bangai A mažėja kaip ir kt.
Šviesos bangos greičio vakuume ir fazės greičio v santykis tam tikroje terpėje vadinamas absoliučiu šios terpės lūžio rodikliu ir žymimas raide . Šiuo būdu,
Palyginus su (104.10) formule, gaunama, kad daugumai skaidrių medžiagų ji praktiškai nesiskiria nuo vieneto. Todėl galima laikyti, kad
Formulė (110.3) jungia optines medžiagos savybes su jos elektrinėmis savybėmis. Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad ši formulė yra neteisinga. Pavyzdžiui, vandeniui Tačiau reikia turėti omenyje, kad vertė gaunama iš elektrostatinių matavimų. Greitai besikeičiančioje elektriniai laukai gauta reikšmė yra skirtinga ir priklauso nuo lauko svyravimų dažnio. Tai paaiškina šviesos sklaidą, ty lūžio rodiklio (arba šviesos greičio) priklausomybę nuo dažnio (arba bangos ilgio). Pakeitus formulę (110.3) gautą atitinkamo dažnio reikšmę, gaunama teisinga vertė.
Lūžio rodiklio reikšmės apibūdina terpės optinį tankį. Teigiama, kad terpė su dideliu yra optiškai tankesnė nei vidutinė su mažesne . Atitinkamai, terpė su mažesne vadinama optiškai mažiau tankia nei terpė su dideliu .
Bangos ilgiai matoma šviesa uždara viduje
Šios vertės reiškia šviesos bangas vakuume. Medžiagoje šviesos bangų bangos ilgiai bus skirtingi. V dažnio svyravimų atveju bangos ilgis vakuume yra lygus . Terpėje, kurioje šviesos bangos fazinis greitis yra svarbus bangos ilgis Taigi šviesos bangos bangos ilgis terpėje su lūžio rodikliu yra susietas su bangos ilgiu vakuume pagal ryšį
Matomos šviesos bangų dažniai yra viduje
Bangos nešamo energijos srauto tankio vektoriaus pokyčių dažnis bus dar didesnis (lygus ). Nei akis, nei joks kitas šviesos energijos imtuvas negali sekti tokių dažnų energijos srauto pokyčių, dėl kurių jie registruoja laiko vidurkį srautą. Šviesos bangos nešamo energijos srauto tankio laiko vidurkio vertės modulis vadinamas šviesos intensyvumu tam tikrame erdvės taške.
Srauto tankis elektromagnetinė energija yra nustatomas pagal Poyntingo vektorių S. Todėl
Vidurkis apskaičiuojamas per prietaiso „veikimo“ laiką, kuris, kaip minėta, yra daug ilgesnis nei bangos virpesių periodas. Intensyvumas matuojamas energijos vienetais (pavyzdžiui, W / m2) arba šviesos vienetais, vadinamais liumenais per kvadratinis metras“ (žr. § 114).
Pagal (105.12) formulę vektorių E ir H amplitudių moduliai elektromagnetinėje bangoje yra susieti ryšiu
(mes dedame ). Iš to išplaukia
kur yra terpės, kurioje sklinda banga, lūžio rodiklis. Taigi, proporcingai:
Poyntingo vektoriaus vidutinės reikšmės modulis yra proporcingas.Todėl galime rašyti, kad
(110.9)
(proporcingumo koeficientas yra ). Todėl šviesos intensyvumas yra proporcingas terpės lūžio rodikliui ir šviesos bangos amplitudės kvadratui.
Atkreipkite dėmesį, kad svarstydami šviesos sklidimą vienalytėje terpėje, galime daryti prielaidą, kad intensyvumas yra proporcingas šviesos bangos amplitudės kvadratui:
Tačiau tuo atveju, kai šviesa praeina per sąsają tarp terpių, intensyvumo išraiška, kurioje neatsižvelgiama į faktorių , lemia šviesos srauto neišsaugojimą.
Linijos, kuriomis sklinda šviesos energija, vadinamos spinduliais. Vidutinis Poyntingo vektorius (S) yra nukreiptas į kiekvieną spindulio liestinės tašką. Izotropinėse terpėse kryptis (S) sutampa su normaliąja į bangos paviršius, ty su bangos vektoriaus kryptimi k. Vadinasi, spinduliai yra statmeni bangos paviršiams. Anizotropinėje terpėje normalus bangos paviršius paprastai nesutampa su Poyntingo vektoriaus kryptimi, todėl spinduliai nėra statmeni bangos paviršiams.
Nors šviesos bangos yra skersinės, jos paprastai neturi asimetrijos spindulio atžvilgiu. Taip yra dėl to, kad natūralioje šviesoje (t. y. įprastų šaltinių skleidžiamoje šviesoje) atsiranda svyravimai, atsirandantys įvairiomis kryptimis statmenai pluoštui (111.1 pav.). Šviečiančio kūno spinduliuotę sudaro jo atomų skleidžiamos bangos. Atskiro atomo spinduliavimo procesas tęsiasi apie . Per šį laiką spėja susidaryti apie 3 m ilgio kauburių ir įdubimų seka (arba, kaip sakoma, bangų traukinys).
Daug atomų „blyksteli“ vienu metu.
Jų sužadinti bangų traukiniai, susidarę vienas ant kito, sudaro kūno skleidžiamą šviesos bangą. Kiekvieno traukinio virpesių plokštuma orientuota atsitiktinai. Todėl susidariusioje bangoje skirtingų krypčių virpesiai vaizduojami vienoda tikimybe.
Natūralioje šviesoje įvairių krypčių vibracijos greitai ir atsitiktinai keičia viena kitą. Šviesa, kurios virpesių kryptys yra tam tikru būdu sutvarkytos, vadinama poliarizuota. Jei šviesos vektoriaus svyravimai vyksta tik vienoje plokštumoje, einančioje per spindulį, šviesa vadinama plokštuma (arba tiesine) poliarizuota. Tvarka gali slypėti tame, kad vektorius E sukasi aplink spindulį, tuo pat metu pulsuodamas pagal dydį. Dėl to vektoriaus E galas apibūdina elipsę. Tokia šviesa vadinama elipsiškai poliarizuota. Jei vektoriaus E galas apibūdina apskritimą, šviesa vadinama cirkuliariai poliarizuota.
XVII ir XVIII skyriuose kalbėsime apie natūralią šviesą. Todėl šviesos vektoriaus virpesių kryptis mums nebus itin įdomi. Poliarizuotos šviesos gavimo būdai ir savybės aptariami skyriuje. XIX.
Šviesos bangos yra elektromagnetines bangas, kurios apima infraraudonųjų, matomų ir ultravioletinių spindulių spektro dalis. Šviesos bangos ilgiai vakuume, atitinkantys pirmines matomo spektro spalvas, parodyti toliau esančioje lentelėje. Bangos ilgis nurodytas nanometrais, .
Lentelė
Šviesos bangos turi tas pačias savybes kaip ir elektromagnetinės bangos.
1. Šviesos bangos yra skersinės.
2. Vektoriai ir svyruoti šviesos banga.
Patirtis rodo, kad visų tipų įtakas (fiziologinę, fotocheminę, fotoelektrinę ir kt.) sukelia elektrinio vektoriaus svyravimai. Jis vadinamas šviesos vektorius . Šviesos bangos lygtis turi žinomą formą
Šviesos vektoriaus amplitudė E m dažnai žymimas raide A o vietoj lygties (3.30) naudojama lygtis (3.24).
3. Šviesos greitis vakuume 
.
Šviesos bangos greitis terpėje nustatomas pagal (3.29) formulę. Tačiau permatomoms laikmenoms (stiklui, vandeniui) paprastai, todėl.
Šviesos bangoms įvedama sąvoka - absoliutus lūžio rodiklis.
Absoliutus lūžio rodiklis yra šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio tam tikroje terpėje santykis
Iš (3.29), atsižvelgiant į tai, kad skaidriai laikmenai galime parašyti lygybę .
Dėl vakuumo ε = 1 ir n= 1. Bet kokiai fizinei aplinkai n> 1. Pavyzdžiui, vandeniui n= 1,33, stiklui. Teigiama, kad terpė su didesniu lūžio rodikliu yra optiškai tankesnė. Absoliučių lūžio rodiklių santykis vadinamas santykinis lūžio rodiklis:
4. Šviesos bangų dažnis labai didelis. Pavyzdžiui, raudonai šviesai su bangos ilgiu 
.
Kai šviesa pereina iš vienos terpės į kitą, šviesos dažnis nesikeičia, tačiau keičiasi greitis ir bangos ilgis.
Vakuuminiam - ; aplinkai - , tada
.
Vadinasi, šviesos bangos ilgis terpėje yra lygus šviesos bangos ilgio vakuume ir lūžio rodiklio santykiui
5. Kadangi šviesos bangų dažnis yra labai didelis 
, tada stebėtojo akis neskiria atskirų svyravimų, o suvokia suvidurkintus energijos srautus. Taip įvedama intensyvumo sąvoka.
intensyvumo yra vidutinės bangos pernešamos energijos santykis su laiko intervalu ir vietos plotu, statmenu bangos sklidimo krypčiai:
Kadangi bangos energija yra proporcinga amplitudės kvadratui (žr. (3.25) formulę), intensyvumas yra proporcingas vidutinei amplitudės kvadrato vertei.
Šviesos intensyvumo charakteristika, atsižvelgiant į jos gebėjimą sukelti regėjimo pojūčius, yra šviesos srautas - F .
6. Šviesos banginė prigimtis pasireiškia, pavyzdžiui, tokiais reiškiniais kaip trukdžiai ir difrakcija.
11.3. bangų optika
11.3.1. Šviesos bangų diapazonas ir pagrindinės charakteristikos
Bangų optikoje vartojama šviesos bangų sąvoka, kurių sąveika tarpusavyje ir terpe, kurioje jos sklinda, lemia trukdžių, difrakcijos ir dispersijos reiškinius.
Šviesos bangos yra elektromagnetinės bangos, turinčios tam tikrą bangos ilgį ir apima:
- Ultravioletinė radiacija(bangos ilgiai svyruoja nuo 1 ⋅ 10 −9 iki 4 ⋅ 10 −7 m);
- matoma šviesa (bangos ilgiai svyruoja nuo 4 ⋅ 10 −7 iki 8 ⋅ 10 −7 m);
- infraraudonoji spinduliuotė(bangos ilgiai svyruoja nuo 8 ⋅ 10 −7 iki 5 ⋅ 10 −4 m).
Matoma šviesa užima labai siaurą elektromagnetinės spinduliuotės diapazoną (4 ⋅ 10 −7 - 8 ⋅ 10 −7 m).
Balta šviesa yra skirtingų bangų ilgių (dažnių) šviesos bangų derinys ir tam tikromis sąlygomis gali būti suskaidomas į spektrą į 7 komponentus, kurių bangos ilgiai yra tokie:
- violetinė šviesa - 390–435 nm;
- mėlyna šviesa - 435–460 nm;
- mėlyna šviesa - 460–495 nm;
- žalia šviesa - 495–570 nm;
- geltona šviesa - 570–590 nm;
- oranžinė šviesa - 590–630 nm;
- raudona šviesa - 630–770 nm.
Šviesos bangos ilgį nurodo
čia v – šviesos bangos sklidimo greitis tam tikroje terpėje; ν yra šviesos bangos dažnis.
Paplitimo greitisšviesos bangos vakuume sutampa su elektromagnetinių bangų sklidimo greičiu; tai lemia esminiai fizinės konstantos(elektrinė ir magnetinė konstanta) ir pats yra pagrindinis dydis ( šviesos greitis vakuume):
c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,
čia ε 0 yra elektrinė konstanta, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; µ 0 - magnetinė konstanta, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.
Šviesos greitis vakuume yra didžiausias įmanomas greitis gamtoje.
Pereinant iš vakuumo į terpę su pastoviu lūžio rodikliu (n = const), šviesos bangos charakteristikos (dažnis, bangos ilgis ir sklidimo greitis) gali pakeisti savo reikšmę:
- šviesos bangos dažnis, kaip taisyklė, nesikeičia:
ν = ν 0 = pastovus,
čia ν – šviesos bangos dažnis terpėje; ν 0 - šviesos bangos dažnis vakuume (ore);
- šviesos bangos sklidimo greitis sumažėja n kartų:
čia v – šviesos greitis terpėje; c – šviesos greitis vakuume (ore), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n yra terpės lūžio rodiklis, n = ε μ ; ε – terpės dielektrinė konstanta; µ - terpės magnetinis pralaidumas;
- šviesos bangos ilgis sumažinamas n kartų:
λ = λ 0 n ,
čia λ yra bangos ilgis terpėje; λ 0 – bangos ilgis vakuume (oras).
20 pavyzdys. Tam tikrame tako atkarpoje vakuume telpa 30 bangos ilgių žalios šviesos. Raskite, kiek žalios šviesos bangos ilgių telpa tame pačiame segmente skaidrioje terpėje, kurios lūžio rodiklis yra 2,0.
Sprendimas. Šviesos bangos ilgis terpėje mažėja; vadinasi, terpėje tam tikrame segmente tilps didesnis bangos ilgių skaičius nei vakuume.
Nurodyto segmento ilgis yra sandauga iš:
- vakuumui -
S = N 1 λ 0,
čia N 1 yra bangos ilgių, atitinkančių tam tikro atkarpos ilgį vakuume, skaičius, N 1 = 30; λ 0 - žalios šviesos bangos ilgis vakuume;
- aplinkai -
S = N 2 λ,
kur N 2 - bangos ilgių, atitinkančių tam tikro segmento ilgį terpėje, skaičius; λ yra žalios šviesos bangos ilgis terpėje.
Lygčių kairiųjų pusių lygybė leidžia parašyti lygybę
N 1 λ 0 = N 2 λ.
Norimą reikšmę išreiškiame iš čia:
N 2 \u003d N 1 λ 0 λ.
Šviesos bangos ilgis terpėje mažėja ir yra santykis
λ = λ 0 n ,
čia n yra terpės lūžio rodiklis, n = 2,0.
Santykį pakeitus formulėje N 2 gaunama
N 2 \u003d N 1 n.
Paskaičiuokime:
N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.
Nurodytame segmente terpėje telpa 60 bangų ilgių. Atkreipkite dėmesį, kad rezultatas nepriklauso nuo bangos ilgio.
AT pabaigos XVII amžiuje iškilo dvi mokslinės hipotezės apie šviesos prigimtį – korpuskulinis ir banga.
Pagal korpuskulinę teoriją šviesa yra mažų šviesos dalelių (kūnelių) srautas, kuris skraido dideliu greičiu. Niutonas manė, kad šviesos korpusų judėjimas paklūsta mechanikos dėsniams. Taigi šviesos atspindys buvo suprantamas panašiai kaip elastingo rutulio atspindys nuo plokštumos. Šviesos lūžimas buvo paaiškintas dalelių greičio pasikeitimu pereinant iš vienos terpės į kitą.
Bangų teorija šviesą laikė bangų procesu, panašiu į mechanines bangas.
Pagal šiuolaikines idėjas šviesa turi dvejopą prigimtį, t.y. jai vienu metu būdingos ir korpuskulinės, ir banginės savybės. Tokiuose reiškiniuose kaip interferencija ir difrakcija išryškėja šviesos banginės savybės, o fotoelektrinio efekto atveju – korpuskulinės savybės.
Šviesa kaip elektromagnetinės bangos
Optikoje šviesa suprantama kaip gana siauro diapazono elektromagnetinės bangos. Dažnai šviesa suprantama ne tik kaip matoma šviesa, bet ir kaip plačios greta jos esančios spektro zonos. Istoriškai atsirado terminas „nematoma šviesa“ – ultravioletinė šviesa, infraraudonoji šviesa, radijo bangos. Matomos šviesos bangos ilgiai svyruoja nuo 380 iki 760 nanometrų.
Viena iš šviesos savybių yra jos spalva, kurį lemia šviesos bangos dažnis. Balta šviesa yra skirtingų dažnių bangų mišinys. Jis gali būti suskaidytas į spalvotas bangas, kurių kiekvienai būdingas tam tikras dažnis. Tokios bangos vadinamos vienspalvis.
šviesos greitis
Remiantis naujausiais matavimais, šviesos greitis vakuume
Šviesos greičio matavimai įvairiose skaidriose medžiagose parodė, kad jis visada mažesnis nei vakuume. Pavyzdžiui, vandenyje šviesos greitis sumažėja 4/3 kartų.
Elektrodinamika ir optika. Fizinių dydžių kitimas procesuose
Užduotis priklauso pagrindiniam sudėtingumo lygiui. Už teisingą vykdymą gausite 2 taškai.
Tirpalas užtrunka maždaug 3 -5 minutės.
Norėdami atlikti 17 fizikos užduotį, turite žinoti:
- elektrodinamika (fizinių dydžių kitimas procesuose)
