Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ им. ИВАНА ФЁДОРОВА

Курсовая работа по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»

на тему: СВЕТ. ОСНОВНЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ

Выполнила: студентка ФГИ

группы ДГ 4-3

Павлова А.А.

Проверил: доц. Королёв В.П.

МОСКВА - 2011

Содержание

Аннотация

Глава 1. О волновых явлениях

1.1 Волновые явления

1.2 Характеристики волны

1.3 Классификации волн

1.4 Происхождение волн

1.5 Общие свойства волн

Глава 2. Исследования природы света

2.1 Общая характеристика световых явлений

2.1.1 Разнообразные действия света

2.1.2 Особенности света, выявляющие его природу

2.1.3 Краткие сведения из истории оптики

Глава 3. Электромагнитные волны

3.1 Понятие явления

3.2 Характеристики электромагнитного излучения

3.3 Шкала электромагнитных волн

Глава 4. Видимое (оптическое) излучение

4.1 Свет и цвет. Дисперсия света

4.1.1 Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона

4.1.2 Открытие Ньютоном дисперсии света

4.2 Дифракция света

4.3 Интерференция света

Глава 5. Геометрическая оптика

5.1 Основные законы геометрической оптики

5.2 Светотехнические величины

Глава 6 (дополнительная). Глаз

6.1 Эволюция глаза

6.2 Строение глаза человека

6.2.1 Внешнее строение глаза человека

6.2.2 Внутреннее строение глаза человека

6.2.3 Светопреломляющий аппарат

6.2.4 Аккомодационный аппарат

6.2.5 Рецепторный аппарат

Глава 7 (дополнительная). Фотоны

Список использованных источников

АННОТАЦИЯ

В курсовой работе изучение вопроса о свете начинается с рассмотрения физики явления. Предварительно читатель знакомится с волновыми явлениями вообще. Далее, через краткий показ некоторых наблюдений человека за свойствами света, делается вывод об электромагнитной природе света, частном случае волновых процессов; в соответствии с последовательностью научных открытий в области света.

Затем, как частный случай электромагнитных волн, выделяется и рассматривается видимое (оптическое) излучение: основные законы геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), а также приводятся основные светотехнические величины.

В качестве дополнительных глав приводятся: глава о строении зрительного аппарата и глава о световых квантах (фотонах), уточняющая учение о природе света.

ГЛАВА 1. О ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ

1.1 Волновые явления

Волна - изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Рис. 1.1. Отличие колебания от волны

Перенос энергии - принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).

В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.

Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук - это лишь название для особого скоординированного типа движения тех же самых молекул. То есть большинство волн - это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

Имеются, однако, волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Так, электромагнитные волны в современной физике - это не колебание некоторой среды (называвшейся в XIX веке эфиром), а самостоятельное, самоподдерживающееся поле, способное распространяться в вакууме. Аналогично обстоит дело и с волнами вероятности материальных частиц.

1.2 Характеристики волны

Геометрические элементы. Геометрически у волны выделяют следующие элементы:

ь гребень волны - множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия;

ь долина (ложбина) волны - множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия;

ь фронт волны - множество точек, имеющих в некий фиксированный момент времени одинаковую фазу колебаний. В зависимости от формы фронта волны выделяют плоские, сферические, эллиптические и другие волны.

Временная и пространственная периодичности. В отличие от стационарного колебания волны имеют две основные характеристики:

ь временную периодичность - скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке, называемую частотой волны f;

ь пространственную периодичность - скорость изменения фазы в определённый момент времени с изменением координаты - длина волны л.

Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны, что отражено в законе дисперсии, который определяет, как именно волны будут выглядеть и распространяться. В упрощённом виде для линейных волн эта зависимость имеет следующий вид:

(1.1)

где c - скорость распространения волны в данной среде.

Интенсивность волны. О силе волны судят по её амплитуде. В отличие от колебания, амплитуда волны - скалярная величина.

Но для количественной характеристики переносимой волной энергии используется вектор плотности потока энергии I. Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора. При небольших амплитудах:

(1.2)

где A - амплитуда;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.

1.3 Классификации волн

Имеется множество классификаций волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т.п.

В зависимости от физической среды. В зависимости от физической среды, в которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают:

– волны на поверхности жидкости;

– упругие волны (звук, сейсмические волны);

– объёмные волны (распространяющиеся в толще среды);

– электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи);

– гравитационные волны;

– волны в плазме.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям.

– линейные волны - волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;

– нелинейные волны - волны с большими амплитудами, что приводит к возникновению совершенно новых эффектов и существенно изменяет характер уже известных явлений;

– солитоны (уединённые волны);

– ударные волны или нормальные разрывы.

По постоянству во времени.

– одиночная волна - короткое одиночное возмущение (солитоны);

– волновой пакет - это ряд возмущений, ограниченных во времени с перерывами между ними. Одно беспрерывное возмущение такого ряда называется цуг волн. В теории волновой пакет описывается как сумма всевозможных плоских волн, взятых с определёнными весами. В случае нелинейных волн, форма огибающей волнового пакета эволюционирует с течением времени;

1.4 Происхождение волн

Волны могут генерироваться различными способами:

1. Генерация локализованным источником колебаний (излучателем, антенной).

2. Спонтанная генерация волн в объёме при возникновении гидродинамических неустойчивостей. Такую природу могут иметь, например, волны на воде при достаточно большой скорости ветра, дующего над водной гладью.

3. Переход волн одного типа в волны другого типа. Например, при распространении электромагнитных волн в кристаллическом твёрдом теле могут генерироваться звуковые волны.

1.5 Общие свойства волн

Распространение в однородных средах. При распространении волн изменения их амплитуды и скорости в пространстве и времени зависят от свойств анизотропности среды, сквозь которую проходят волны.

Чаще волны в некоторой среде затухают, что связано с диссипативными процессами внутри среды. Но в случае некоторых специальным образом подготовленных метастабильных сред амплитуда волны может, наоборот, усиливаться (пример: генерация лазерного излучения).

На практике монохроматические волны встречаются очень редко. Поэтому наряду с фазовой скоростью волны используется и понятие групповой скорости, то есть скорость «центра тяжести» волнового пакета.

Групповая и фазовая скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Но при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.

Поскольку волна переносит энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света в вакууме, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света в среде распространения.

Дисперсия. Волновые цуги и негармонические волны могут быть представлены в виде суммы (суперпозиции) синусоидальных волн разных частот:

· когда фазовые скорости всех этих волн одинаковы, то вся их группа (волновой пакет) движется с одной скоростью;

· если же фазовая скорость волны зависит от её частоты w, наблюдается дисперсия - волны различных частот идут с разной скоростью (о дисперсии света см. Раздел 4.1.2.).

1. Нормальная или отрицательная дисперсия (среды, прозрачные для света - стёкла и жидкости) тем больше, чем выше частота волны (за счёт дисперсии, например, луч белого света в призме разлагается в спектр, в каплях воды - в радугу).

Волновой пакет (представленный как набор гармонических волн, лежащих в диапазоне w0 ± Dw) из-за дисперсии расплывается:

– его форма - огибающая амплитуд компонент цуга - искажается, но перемещается в пространстве со скоростью v_гр, называемой групповой скоростью;

– при распространении волнового пакета максимумы волн, его составляющих, движутся быстрее огибающей => фазовая скорость сигнала выше групповой: с_ф > v_гр;

– в хвостовой части пакета за счёт сложения волн возникают все новые максимумы, которые передвигаются вперёд и пропадают в его головной части.

2. В ряде случаев наблюдается также аномальная (положительная) дисперсия среды, при которой групповая скорость превышает фазовую: v_гр > с_ф, причём возможна ситуация, когда эти скорости направлены в противоположные стороны. Максимумы волн появляются в головной части пакета, перемещаются назад и исчезают в его хвосте.

Пространственные размеры волны. Пространственный размер волны - это размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой.

Теоретически большинство волн могут обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. Практически же все волны обладают конечными размерами.

v Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны.

v Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).

Некоторые виды волн, в частности, солитоны, являются ограниченными по построению волнами.

Поляризация. Поляризация волн - явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы - вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

- несимметричная генерация волн в источнике возмущения;

- анизотропность среды распространения волн;

- преломление и отражение на границе двух сред.

Основными являются два вида поляризации:

1. Линейная - колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне».

2. Круговая - конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации, например, эллиптическую.

Рис.1.2. Линейная Рис. 1.3. Круговая Рис. 1.4. Эллиптическая поляризация

Взаимодействие с телами и границами раздела сред. Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результате этого часто наблюдаются следующие явления: отражение, преломление, рассеяние, дифракция, резонанс.

Конкретные эффекты, возникающие при этих процессах, зависит от свойств волны и характера препятствия.

Наложение волн. Излучения с разной длиной волны, но одинаковые по физической природе, могут взаимодействовать друг с другом, интерферировать. При этом могут возникнуть следующие частные эффекты:

- стоячие волны;

- бегущие волны;

- биение - периодическое уменьшение и увеличение амплитуды суммарного излучения;

- волновой пакет - образующиеся максимумы амплитуды имеют прерывистое распределение (волновой пакет Гаусса);

- эффект Доплера - изменение длины и амплитуды волн при движении приёмника или источника излучения.

Конечный результат проявления от встречи волн зависит от их свойств: физической природы, когерентности, поляризации и т.д.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДЫ СВЕТА

2.1 Общая характеристика световых явлений

2.1.1 Разнообразные действия света

Чувствительность нашего зрительного аппарата (см. Главу 6) к свету чрезвычайно велика. Для получения светового ощущения, по современным измерениям, достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10^-17Дж световой энергии в секунду, т.е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равна 10^-17Вт.

Глаз принадлежит к числу самых чувствительных аппаратов, способных регистрировать присутствие света. Химическое действие света, сходное с действиями на чувствительные элементы глаза, можно наблюдать при выцветании на свету различных красок («выгорание тканей»). Химические превращения наблюдаются при поглощении света сравнительно немногочисленными светочувствительными материалами. Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и легко осуществляемый процесс, который может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии.

Энергия, доставляемая солнечным светом в южных широтах в ясный день, составляет более 1000Дж/сек на каждый м² поверхности (так что плоский железный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течения лета горячей водой).

Действие света может обнаруживаться и в некоторых электрических явлениях. Так, освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из неё электронов (фотоэффект). С помощью определённых устройств (например, фотоэлемента) можно без труда наблюдать электрический ток, возникающий под действием света (если бы можно было покрыть крышу небольшого дома веществом, используемом в таком фотоэлементе, то в ясный день удалось бы за счёт световой энергии получать электрический ток мощностью несколько киловатт).

Наконец, наблюдается и непосредственное механическое действие света. Оно проявляется в давлении света на поверхность тела, отражающего или поглощающего свет. Придавая этому телу вид лёгкого подвижного крылышка, удалось обнаружить поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Этот опыт был впервые произведён П.Н. Лебедевым в г. Москве в 1900 г. Подсчёт показывает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркальную поверхность размером 1 м², действует на неё с силой всего лишь около 4 мкН (хотя, современные лазеры позволяют при концентрации энергии на малую поверхность получить световое давление в 10⁶ атм.

Итак, все эти примеры говорят о наличии энергии в световом излучении, превращение которой и обнаруживается во всех описанных явлениях.

2.1.2 Особенности света, выявляющие его природу

Все, конечно, видели цветные полосы, красивые переливы на воде, если она покрыта пятнами нефти или масла. Обращает на себя внимание прихотливое расположение этих цветовых полос, а переливы, т.е. смена цветов при повороте головы наблюдателя, особенно. Той же природы переливы на поверхности мыльного пузыря.

Разнообразие цветов в этих примерах явно связано с тем, что мы производим своё наблюдение в белом свете. Поставим на пути света какое-нибудь цветное стекло, и мы убедимся, что вместо цветных полос будут наблюдаться полосы одного цвета, большей или меньшей яркости, разделённые тёмными промежутками. Форма и расположение полос при этом не изменяются. Например, если применим зелёное стекло, то полосы, имевшие при освещении белым светом зелёный тон, останутся практически неизменными, а красные полосы станут чёрными. Это явление станет ещё отчётливее, если в качестве одноцветного света взять пламя горелки с введённым в него кусочком асбеста в поваренной соли, что придаст, благодаря излучению паров натрия, жёлтый цвет огню; цвет этот весьма однороден. В этом свете можно наблюдать картину из ярко-жёлтых полос, постепенно переходящих в глубокие чёрные. Таким образом, картинка состоит из чередования светлых полос, посылающих много света в глаз наблюдателя (максимумы), и тёмных полос, от которых к наблюдателю совсем не идёт свет (минимумы).

В этих опытах мы видим явления, аналогичные описанным в Главе 1, получившие название интерференции волн. Там указывались условия, при которых наложение двух волн к перераспределению энергии, т.е. к образованию максимумом и минимумов энергии. В наших оптических опытах мы так же видим перераспределение энергии, в результате которого вместо равномерной освещённости образуются тёмные области (минимумы) и области повышенной освещённость (максимумы). Итак, в опытах этих проявилась способность света к интерференции, т.е. обнаружился волновой характер световых явлений. То обстоятельство, что максимум для разных цветов приходится на различные места, показывает, что различным цветам, соответствуют разные длины волн (см. Главу 4).

2.1.3 Краткие сведения из истории оптики

Ответ на вопрос о природе световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом, как это обычно и бывает, представление о природе света менялось по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления о природе света развивались ещё в 17 в. Х. Гюй-генсом и поддерживались на протяжении 18 в. Л. Эйлером, М.В. Ломоносовым и В. Франклином. Однако в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку быстро летящих частичек (И.Ньютон).

Будучи профессором математики, Ньютон большую часть своих занятий посвящал оптике. Свет и его свойства были в центре внимания естествоиспытателей в течение многих веков. А в 17 веке к этому интересу добавилось ещё одно немаловажное обстоятельство. Искусство печати, зародившееся в середине 15 века, долгое время оставалось в основном чёрно-белым, хотя уже первое издание Библии 1450 г., осуществлённое немецким изобретателем книгопечатания Иоганном Гуттенбергом, содержит некоторые заглавные буквы, выполненные в два цвета. На протяжении всего 16 столетия многие мастера-печатники пытались получить различные цвета, смешивая разные краски. Выяснилось, что основные потребности печати покрываются, если использовать всего 4 краски: 3 цветные и чёрную. Известный английский физик и химик Роберт Бойль (1627-1691) знал, что для печати достаточно 4 цветных красок, и был уверен: их число можно уменьшить до 3 (впоследствии это оказалось неверным).

Бойль ещё не смог прийти к выводу, полученному Ньютоном в годы вулсторпского уединения, что белый свет - это смесь всех цветов радуги и призма не окрашивает свет, а лишь разлагает его на составные части. Однако он вплотную приблизился к такому выводу, утверждая, например, что окраска поверхности возникает как следствие её собственных свойств, а не свойств света. Так, чёрное тело просто поглощает весь падающий на него свет. Это Бойль доказал тем, что рука в чёрной перчатке нагревается на солнце гораздо сильнее, чем рука в белой.

Ньютон много размышлял об опытах Бойля. Он смог сконструировать оптическое экспериментальное устройство, состоящее из 2х призм и диафрагм различной формы. С его помощью учёный показал, что если из разложенного призмой спектра вырезать луч определённого цвета и направить на другую призму, то она никак не изменит его.

Основываясь на результатах этого и подобных опытов, Ньютон сделал попытку построить свою теорию цвета и света, оспаривая мнение Декарта, утверждавшего, что свет - «давление». (Сам Ньютон считал, что свет - «тело».) Если бы свет был давлением, говорил он, то люди видели бы ночью так же хорошо, как днём, а возможно, даже лучше. Правда, объяснение, которое Ньютон дал такому утверждению, весьма туманно. Свои соображения он изложил в мемуаре «Новая теория света и цветов» и представил его 6 февраля 1672 г. Лондонскому королевскому обществу. Многие его члены не согласились с выводами учёного, и прежде всего с тем, который касался «телесных» свойств света. Роберт Гук и Христиан Гюйгенс показали, что эксперименты Ньютона могут быть в равной степени объяснены иначе, хотя и приняли его главный тезис: белый свет не является простым, а представляет собой смесь лучей всех цветов радуги в равных долях.

Полемизируя с ними, Ньютон строил свою защиту на том, что в мемуаре не было окончательного утверждения: «Свет - тело», а содержалось лишь предположение: «Свет, наверное, тело». Он изобретательно продемонстрировал трудности волновой теории; среди них, по его мнению, сложнее всего было объяснить прямолинейное распространение света. Ньютон даже предложил компромиссный вариант, объединивший волновые свойства света с корпускулярными, показав, как хорошо можно объяснить происхождение цветов тонких плёнок, исходя из волновых свойств. (Подробнее о взаимосвязи света и цвета см. Главу 5.)

Лишь в начале 19 века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надёжно обоснована волновая природа света. При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обусловливающими акустические явления. Однако две важные особенности отличают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удалён воздух или другая среда, тогда как звук в вакууме распространяться не может. Распространение света в вакууме можно наблюдать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух. Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звёзд, отделённых от нас огромными пространствами, содержащими в единице объёма ещё меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы (по современным данным в межзвёздном пространстве приходится в среднем около 1 атома на 1 см³, тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее 10⁸ атомов или молекул в 1 см³).

Во-вторых, отличительной особенностью световых волн по сравнению с волнами звуковыми является огромная скорость их распространения.

В подразделе 2.1.1 были рассмотрены разнообразные проявления света, показывающие, что он несёт с собой энергию. Естественен отсюда и вопрос о том, с какой скоростью распространяется световая энергия. Попытки ответить на этот вопрос предпринимались уже давно. Так, ещё Г. Галилей (1607 г.) пытался определить скорость распространения света с помощью следующего простого опыта. Представим себе двух наблюдателей А и В, находящихся на расстоянии L друг от друга и снабжённых одинаковыми хорошо выверенными часами. Если наблюдатель А в некоторый момент пошлёт световой сигнал (например, быстро откроет заслонку фонаря), а наблюдатель В отметит по своим часам тот момент, когда он увидит этот сигнал, то можно будет определить время Т, за которое свет прошёл данный путь L, и, следовательно, определить скорость света С= L/Т.

Можно значительно упростить и усовершенствовать опыт, если вместо второго наблюдателя поместить зеркало. Наблюдатель, открывающий фонарь, отметит также и момент, когда световой сигнал, отразившийся от зеркала, вернётся к нему, т.е. пройдёт путь 2L. Т.о. удалось бы определить скорость света, располагая лишь одними часами. Но опыт Галилея как в первом, так и во втором вариантах не дал определённых результатов. Естественно, что регистрация момента выхода и прихода сигнала делается с некоторыми ошибками. Скорость же света оказалась настолько большой, что время прохождения светом сравнительно небольших расстояний, на которые можно было бы отдалить пункты А и В, было значительно меньше указанных ошибок. Поэтому принципиально правильный опыт не дал удовлетворительных результатов. Необходимые возможные усовершенствования - значительное увеличение расстояния L или сильное повышение точности измерения - были внесены впоследствии и дали благоприятные результаты.

В методе датского астронома Олафа Рёмера (1644-1710), предложенном в 1675 г., были использованы огромные расстояния, с которыми имеет дело астроном. Световым сигналом, исходящим из пункта А, служили затмения спутника Юпитера, наблюдатель на Земле регистрировал момент затмения. Обращение ближайшего к Юпитеру спутника происходит за 1³/₄ дня, т.е. затмения его весьма часты. Рёмер установил, что наблюдаются затмения не вполне регулярно. Если, например, начиная с положения Земли З₁, предвычислить моменты ожидаемых затмений и произвести наблюдения при положении Земли примерно через Ѕ года (Период обращения Юпитера почти в 12 раз больше периода обращения Земли. Поэтому Ю₁, Ю₂, Ю₃ разделены промежутками около полугода), то момент затмения оказывается запоздавшим против вычисленного почти на 16 мин. Однако те же вычисления дают правильный результат, если вновь провести наблюдения к моменту положения Земли З₃, т.е. ещё через полгода.

Рёмер дал простое объяснение этим явлениям: надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошёл добавочное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Это добавочное расстояние по современным измерениям равно 2,99х10⁸ км, добавочное время - 966,4 с, отсюда скорость света С равна приблизительно 300000 км/с. Сам Рёмер нашёл для скорости света С значение 215000 км/с.

Другой, во много раз более точный способ определить скорость света, не прибегая к огромным расстояниям между пунктами А и В, предложил французский физик Леон Фуко (1819-1868). Его метод назван методом вращающегося зеркала. Скорость света, определённая Фуко с помощью этого зеркала, равна 296000 км/с. А также, помещая на пути движения света трубу с водой, он смог измерить скорость распространения света в воде и получил значение, в ⁴/₃ раза меньшее, чем в воздухе, в соответствии с представлениями Х.Гюйгенса.

Введя ряд остроумных усовершенствований в метод вращающегося зеркала, американский физик Альберт Майкельсон (1852-1931) значительно повысил точность определения скорости света. По его определениям (1927) С=299796 км/с.

И в дальнейшем это число уточнялось. Так, в 1973 г. решением Генеральной ассамблеи Международного комитета по численным данным науки и техники, обобщившим все известные экспериментальные данные, скорость света в вакууме принято считать равной 299792458±1,2 м/с.

Однако в масштабах астрономических эта скорость не так уж и велика. Так, свет идёт от Солнца до Земли около 8 мин., а от ближайшей звезды - около 4 лет. За год свет проходит расстояние примерно в 10¹³ км. Эта величина оказывается удобной в качестве единицы длины для огромных астрономических расстояний; она названа световым годом.

Наряду с этой единицей астрономы используют парсек. Парсек (т.е. параллакс-секунда) - это расстояние, с которого радиус земной орбиты (150 млн. км) виден под углом 1. Парсек равен примерно 3¹/₄ светового года.

Огромная скорость света выделяла оптические явления из всех других, известных в первой четверти 19 в. Примерно полвека спустя Дж. Максвелл установил, исходя из теоретических соображений, что с такой именно скоростью должно распространяться всякое электромагнитное возмущение (см. Главу 3). Через некоторое время Г. Герц на опыте осуществил электромагнитные волны, скорость распространения которых действительно оказалась равной скорости распространения света.

Дальнейшими исследованиями и в первую очередь опытами П.Н. Лебедева, получившего самые короткие по тому времени электромагнитные волны (6 мм), было установлено, что все основные свойства электромагнитных волн (см. Главу 3) совпадают со свойствами волн световых. Все эти важные факты привели к мысли, что световые волны представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся от волн, обычно применяемых в радиотехнике, своей очень малой длиной, меньше микрометра (см. Главу 4).

Электромагнитной природой световых волн объясняется испускание электронов освещёнными металлами, т.е. фотоэлектрический эффект, Существует и ряд других явлений, обнаруживающих связь между светом и электромагнитными процессами. Светящиеся тела (например, Солнце) испускают электромагнитные (первичные) волны. Попадая на какое-нибудь тело, такая первичная волна вызывает вынужденные колебания его электронов, которые становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Всё многообразие световых явлений, все видимые нами окраски и очертания предметов представляют собой суперпозицию (наложение) первичных и вторичных волн. Многие черты световых волновых явлений оказываются сходными для волновых процессов самой разнообразной природы, поэтому знакомясь в дальнейшем с некоторыми основными понятиями геометрической, а также физической оптики, мы будем пользоваться сведениями о волнах, изложенных в Главе 1.

Накопление новых экспериментальных данных привело в 20 веке к заключению, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами (кванты света, или фотоны), о которых см. в Главе 7.

В настоящее время квантовая теория объединяет волновые и корпускулярные представления о свете в единое целое, так же как она объединяет волновые и корпускулярные представления об электронах, атомах и других частицах.

свет оптика отражение преломление

Глава 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

3.1 Понятие явления

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) - это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (т.е. взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников - движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение (см. схему справа).

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

3.2 Характеристики электромагнитного излучения

Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с частотой через (групповую) скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света. В большинстве случаев (обычно) скорость - и групповая, и фазовая - распространения электромагнитного излучения в веществе отличается от таковых в вакууме очень незначительно.

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями (Стандартная модель) при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем - при еще более высоких энергиях - как ожидается - со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику - предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других - медицинских и биологических - позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей - фундаментальных и прикладных - таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего - определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

ь наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.

ь электромагнитные волны - это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику, в том числе и через вакуум.

3.2 Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет (см. Главу 4), характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к глубокому качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. табл. 3.1). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Основные характеристики видов электромагнитного излучения

Таблица 3.1

Название диапазона	Длины волн, л	Частоты, н	Источники
Радио-волны	Сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры).
	Длинные	10 км- 1км	30 кГц- 300кГц
	Средние	1 км- 100 м	300 кГц- 3 МГц
	Короткие	100 м- 10м	3 МГц- 30 МГц
	Ультракороткие	10 м- 1 мм	30 МГц- 300 ГГц
Инфракрасное излучение	1мм- 780 нм	300 ГГц- 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при тепловых и электричес-ких воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение	780-380нм	429 ТГц- 750 ТГц
Ультрафиолетовое излучение	380- 10нм	7,5Ч1014 Гц- 3Ч1016 Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновское излучение	10 нм- 5 пм	3Ч1016- 6Ч1019 Гц	Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма-излучение	менее 5пм	более 6Ч1019 Гц	Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Глава 4. ВИДИМОЕ (ОПТИЧЕСКОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, как видно из предыдущей главы, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн. В дальнейшем мы будем говорить о свойствах только видимого излучения, чтобы не выступать за рамки темы курсовой работы.

4.1 Свет и цвет. Дисперсия света

Данные таблицы 3.1 позволяют сделать вывод о том, что человеческий глаз способен различать электромагнитные волны, чья длина находится в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Конечно, эти границы довольно неопределённы, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколько более короткие (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 нм). Свойства этих волн, как уже сказано, различаются в зависимости от их длин.

Для разделения волн различной длины обычно применяют какой-либо способ разложения (см. раздел 5.1) света сложного излучения в спектр (см. далее в разделе 4.1.3). В случае видимого света для этого можно воспользоваться призмой или дифракционной решёткой.

Рис. 4.1. Диапазоны электромагнитного излучения. Видимое излучение.

4.1.1 Состояние вопроса о цвете тел до исследований Ньютона

Вопрос о причине различной окраски тел занимал человека давно. Много было наблюдений в распоряжении исследователей, и житейских, и научных, но вплоть до работ Ньютон (начавшихся около 1666 г.) в этом вопросе царила неопределённость. Считали, что цвет есть свойство самого тела, хотя люди видели, что цвет сильно меняется в зависимости от времени дня и условий освещения. Было мнение, что цвета получаются как «смесь» света и темноты, т.е. смешивались два существенно различающихся понятия - цвет и освещённость (см. раздел 5.2). С незапамятных времён наблюдались превосходные (радужные) цвета радуг и даже было известно, что образование радуги связано с освещением дождевых капель. Так, французский физик Рене Декарт (1596-1650) наблюдал искусственную радугу на водяной пыли фонтанов и производил опыты по получению радуги со стеклянными шарами, наполненными водой. В 1637 г. Декарт объяснил форму и угловые размеры радуги на небесном своде, но причины цветов радуги и их последовательности ему остались неясны. Точно так же была всем хорошо известна игра цветов в гранёных алмазах и стеклянных призмах.

4.1.2 Открытие Ньютоном дисперсии света

Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света, в связи с попытками усовершенствования телескопов. Стремясь получить линзы возможно лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, он сделал свои величайшие оптические открытия.



Рис. 4.2. Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона). Зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны.

В своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 г., он опубликовал результаты своих опытов (1671-1672) разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не привносится призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII веке. Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света - преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом (см. рис. 4.3.).

Рис. 4.3. Схема основного опыта Ньютона по дисперсии света

Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

ь у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;

ь у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Однако в некоторых веществах (например, в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света. Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр - равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.



Рис.4.4. Два представления оптического спектра: сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу - как зависимость интенсивности от длины волны. Показан комбинированный спектр излучения Солнца.

4.2 Дифракция света

Дифракция света (Д.с.), явления, наблюдающиеся при распространении света мимо резких краёв непрозрачных или прозрачных тел, сквозь узкие отверстия. При этом происходит нарушение прямолинейности распространения света, т. е. отклонение от законов геометрической оптики. Вследствие Д.с. при освещении непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где, согласно законам геометрической оптики, должен был бы происходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд светлых и тёмных дифракционных полос. Поскольку дифракция свойственна всякому волновому движению, открытие Д.с. в 17 в. итальянским физиком и астрономом Ф. Гримальди и её объяснение в начале 19 в. французским физиком О. Френелем явились одним из основных доказательств волновой природы света.

Д.с. играет существенную роль при рассеянии света в мутных средах, например на пылинках, капельках тумана и т.п. На Д.с. основано действие спектральных приборов с дифракционной решёткой (дифракционных спектрометров). Д.с. определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.).

Дифракционная решётка (Д.р.) - это оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесённых на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, Д.р. представляет собой периодическую структуру: штрихи с определённым и постоянным для данной решётки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток d, называется периодом Д.р. В Д.р. происходит дифракция света. Основное свойство Д.р. - способность разлагать падающий на неё пучок света по длинам волн, т. е. в спектр, что используется в спектральных приборах. Если штрихи нанесены на плоскую поверхность, то Д.р. называются плоскими, если на вогнутую (обычно сферическую) поверхность - вогнутыми. Различают отражательные и прозрачные Д.р. У отражательных штрихи наносятся на зеркальную (обычно металлическую) поверхность и наблюдение ведётся в отражённом свете. У прозрачных штрихи наносятся на поверхность прозрачной (обычно стеклянной) пластинки (или вырезаются в виде узких щелей в непрозрачном экране) и наблюдение ведётся в проходящем свете. В современных спектральных приборах применяются главным образом отражательные Д.р.

Рис.4.5. Дифракция лазерного луча с длиной волны 650 нм, прошедшего через отверстие диаметром 0,2 мм

Рис.4.6. Тень винта, окруженная дифракционными полосами

4.3 Интерференция света

Интерференция света - нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691) и Робертом Гуком (1635-1703). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Интерференция света - это явление перераспределения энергии в пространстве.

Рис. 4.7. Интерференция света - опыт Юнга

Глава 5. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

5.1 Основные законы геометрической оптики

Прямолинейное распространение света. В однородной среде свет распространяется вдоль прямых линий. Ряд опытов, иллюстрирующих это положение, общеизвестен. При освещении предмета точечным источником получается резкая тень, форма которой подобна форме некоторого сечения предмета, параллельного плоскости экрана; размеры же тени определяются взаимным расположением источника, предмета и экрана в полном соответствии с проецировании при помощи прямых линий. Так же, если мы поставим на пути света непрозрачный картон с отверстиями, которые, конечно, во много раз превосходят длину световой волны, мы увидим путь света в комнате в виде узких каналов, опирающихся на края отверстий. При любом положении картона эти каналы имеют одно и то же направление, указывая на Солнце. Если же в тёмной комнате поставить внутри тёмного ящика с несколькими отверстиями яркую лампочку, то путь выходящего света обрисуется в запылённом воздухе в виде расходящихся в разные стороны пучков, при этом пучки эти сходятся в том месте, где находится нить лампы. Геометрические линии, указывающие направление распространения света, называются световыми лучами. Эти лучи в рассмотренных примерах будут почти параллельны линиям, направленным на Солнце, или радиусам, перпендикулярным поверхности сферы, описанной из места расположения нити лампочки. Вдоль этих лучей и распространяется световая волна. Польза, которую мы извлекаем из геометрического понятия световых лучей, состоит в том, что с его помощью мы можем устанавливать направление распространения лучей. Законы, определяющие изменение направления лучей, позволяют решать очень важные в оптике задачи об изменении направления распространения световой энергии.