Физика

В настоящей теме рассматриваются явления геометрической и волновой оптики.

Геометрическая оптика использует представление о световых лучах, распространяющихся независимо друг от друга, прямолинейных в оптически однородной среде, преломляющихся и отражающихся на границах сред с различными оптическими свойствами.

Световые лучи — линии, вдоль которых происходит перенос энергии световых волн. В оптически изотропной среде световые лучи перпендикулярны волновым поверхностям.

Оптическая плотность среды характеризуется показателем преломления (абсолютным и относительным).

Абсолютный показатель преломления (показатель преломления) прозрачной среды — скалярная физическая величина, характеризующая скорость распространения световых волн в данной среде равная отношению скорости света в вакууме к скорости его распространения в этой среде:

$n=\frac{c}{v}$,

где c — скорость распространения света в вакууме; v — скорость распространения света в данной среде.

В Международной системе единиц показатель преломления является безразмерной величиной.

Оптически более плотной считается среда с бо́льшим показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред характеризует (относительную) оптическую плотность одной среды относительно другой:

$n_{12}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{v_2}{v_1}$,

где n ₁₂ — (относительный) показатель преломления первой среды относительно второй; n ₁ — абсолютный показатель преломления первой среды; n ₂ — абсолютный показатель преломления второй среды; v ₁ — скорость распространения света в первой среде; v ₂ — скорость распространения света во второй среде.

Волновая оптика использует представление о свете как об электромагнитных волнах, длины которых лежат в диапазоне от 1 ⋅ 10⁻⁹ до 5 ⋅ 10⁻⁴ м.

Световые волны включают в себя:

• ультрафиолетовое излучение (длины волн лежат в диапазоне от 1 ⋅ 10⁻⁹ до 4 ⋅ 10⁻⁷ м);
• видимый свет (длины волн лежат в диапазоне от 4 ⋅ 10⁻⁷ до 8 ⋅ 10⁻⁷ м);
• инфракрасное излучение (длины волн лежат в диапазоне от 8 ⋅ 10⁻⁷ до 5 ⋅ 10⁻⁴ м).

Когерентность световых волн означает:

1) их монохроматичность, равенство частот (длин волн);

2) постоянство во времени разности фаз колебаний для определенной точки пространства;

3) одинаковые направления колебаний векторов напряженности электрических и магнитных полей в световой волне.

Интерференция световых волн — явление пространственного перераспределения энергии светового потока, возникающего при наложении двух когерентных волн, в результате которого в одних местах появляются максимумы, а в других — минимумы интенсивности.

Картина интерференции — чередование интерференционных максимумов и минимумов на экране (или в других местах наблюдения), имеющее вид светлых и темных полос (или колец).

Дифракция — огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или, в более широком смысле, любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от направления, предписанного законами геометрической оптики.

Принцип Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, является источником вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Принцип Гюйгенса — Френеля: волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции когерентных вторичных волн, излучаемых каждой точкой волновой поверхности.

Картина дифракции по внешнему виду схожа с картиной интерференции: на экране наблюдается чередование максимумов и минимумов интенсивности в зависимости от условий осуществления явления дифракции.

Порядок интерференции или дифракции — номер максимума или минимума интенсивности на экране относительно центра картины.