Модуль 4. Оптика

При изучении темы «Колебания» следует параллельно рассматривать механические и электромагнитные колебания. Что способствует выработке у студента единого подхода к колебаниям различной физической природы. Здесь следует четко уяснить понятия фаз, разности фаз, амплитуды, частоты, периода колебаний. И там, где это необходимо, использовать графический метод представления линейной системы всегда можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами.

Изучение темы «Волны» целесообразно начинать с механических волн, распространяющихся в упругих средах. Здесь следует обратить внимание на картину мгновенного распределения смещений и скоростей в бегущей волне, различие между бегущей и стоячей волнами, зависимость фазовой скорости от частоты колебаний, найти связь между групповой и фазовой скоростями и показать их равенство в отсутствии дисперсии волн. Особое внимание студент должен уделить условию интерференции волн, энергетическому соотношению при интерференции волн, понять и объяснить перераспределение энергии при образовании минимумов и максимумов интенсивности. Переходя к изучению электромагнитных волн, студенту следует ясно представить себе физический смысл уравнений Максвела и, опираясь на них,рассмотреть свойства этих волн. Нужно четко представлять, что переменные электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, они поддерживают друг друга и могут существовать независимо от источника, их породившего, распространяясь в пространстве в виде электромагнитной волны. Другими словами, электромагнитная волна– это распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. Под энергией электромагнитного поля следует подразумевать сумму энергий электрического и магнитного полей. Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является колеблющийся электрический диполь. Следует помнить, что если диполь совершает гармонические колебания,то он излучает монохроматическую волну.

В настоящее время волновая оптика является частью общего учения о распространении волн. При изучении явлений интерференции и дифракции, объясняемых с позиций волновой природы света, студент должен обратить внимание на общность этих явлений для волн любой природы. Но световые волны имеют специфические особенности, когерентность, монохроматичность, которые обусловлены конечной длительностью свечения отдельного атома.
При изучении интерференции света особое внимание следуют обратить на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы равной толщины и равного наклона. Следует помнить, что при интерференции света имеет место суперпозиция, связанная с перераспределение энергии, а не с взаимодействием волн.

Рассматривая явление дифракции, необходимо уяснить метод зон Френеля, уметь пользоваться графических методом сложения амплитуд, что будет способствовать пониманию дифракции на одной щели, дифракционной решетке. Кроме того, необходимо изучить дифракцию на пространственной решетке и уметь пользоваться формулой Вульфа– Брэгга, являющейся основной в рентгеноструктурном анализе, имеющем важнейшее практическое применение.

Изучение явлений интерференции и дифракции света должно подготовить студента к пониманию основ волновой (квантовой) механики и физики твердого тела.

Поперечность световых волн была экспериментально установлена на изучении явления поляризации света, которое имеет большое практическое применение. При изучении этого явления особое внимание следует обратить на способы получения поляризованного света и применение законов Брюстера, Малюса, на явление вращения плоскости поляризации в кристаллах и растворах, эффект Керра.

Изучая явление дисперсии света, необходимо уяснить сущность электронной теории этого явления,отличие нормальной дисперсии от аномальной.

Следует представлять, что при движении заряженных частиц в веществе в том случае, когда их скорость движения превышает фазовую скорость световых волн в этой среде, возникает излучение Вавилова – Черенкова, которое нужно рассматривать как классическое явление.

Переход от классической физики к квантовой связан с проблемой теплового излучения и, в частности. С вопросом распределения энергии по частотам в спектре абсолютно черного тела. Изучая тему «Квантовая природа излучения», необходимо знать гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов и уяснить, что на основании формулы Планка могут быть получены законы Стефана– Больцмана и Вина.

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света получили название фотонов. С позиций квантовой теории света объясняются такие явления, как фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. При изучении фотоэффекта следует знать формулу Эйнштейн и на ее основе уметь объяснить закономерности, установленные Столетовым.

Рассматривая эффект Комптона, необходимо обратить внимание на универсальный характер законов сохранения, которые оказываются справедливыми в каждом отдельном акте взаимодействия фотона с электроном.

Изучая световое давление, важно понять, что это явление может быть объяснено как на основеволновыхпредствалений о свете, так и сточки зрения квантовой теории.

В итоге изучения этого модуля у студента должно сформироваться предстваление о том, что электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно– волновую природу (корпускулярно– волновой дуализм). Корпускулярно– волновой дуализм является проявлением взаимосвязи двух основных форм материи: вещества и поля.

Вопросы для самоподготовки

1. Гармонические колебания. Амплитуда, циклическая частота и фаза колебаний. Скорость, ускорение и энергия гармонических колебаний мате­риальной точки.

2. Собственные колебания пружинного, физического и математического маятников. Период колебаний маятников. Приведённая длина физического маятника.

3. Собственные колебания в электрическом контуре без активного сопротивления. Формула Томсона, Электрическая и магнитная энергия контура.

4. Сложение гармонических колебаний одного направления. Случай одина­ковых частот. Амплитуда результирующего колебания. Случай близких частот. Частота биений.

5. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний одинако­вой частоты. Эллиптически, циркулярно и линейно поляризованные коле­бания.

6. Затухающие колебания при наличии трения. Амплитуда и частота коле­баний. Коэффициент затухания и время релаксации. Логарифмический дек­ремент затухания. Добротность колебательной системы.

7. Затухающие колебания в электрическом контуре с активным сопротив­лением. Коэффициент затухания и частота колебаний. Добротность коле­бательного контура.

8. Вынужденные колебания под действием гармонической силы. Время установления колебаний. Амплитуда вынужденных колебаний. Резонанс. Резонансная частота.

9. Вынужденные колебания в электрических цепях, переменный ток. Индуктивное и ёмкостное сопротивление. Реактивное и полное сопротивле­ние. Мощность переменного тока.

10. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны. Волновая повер­хность и фронт волны. Длина волны. Уравнение плоской гармонической волны. Волновое висло. Фазовая скорость волны. Скорость звука в газах.

11. Электромагнитные волны и их основные свойства. Скорость электро­магнитных волн. Энергия и поток энергии электромагнитной волны. Интен­сивность волны.

12. Принцип суперпозиции волн. Волновой пакет. Групповая скорость и её связь с фазовой скоростью. Дисперсия волн.

13. Интерференция волн. Когерентность. Образование стоячих волн. Уравнение стоячей волны. Узлы и пучности стоячей волны.

14. Интерференция света. Условия интерференционных максимумов и ми­нимумов. Интерференционная картина от двух когерентных источников,

15. Интерференция света в тонких плёнках. Полосы равного наклона и равной толщины, Кольца Ньютона.

16. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.

17. Дифракция Фраунгофера на одной щели и дифракционной решётке. Раз­
решающая способность дифракционной решётки.

18. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решётке. Форму­ла Вульфа-Бреггов.

19. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляриза­ция света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

20. Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Поляризаторы. Закон Малюса.

21. Вращение плоскости поляризации. Оптически активные вещества. Сахариметрия.

22. Дисперсия света. Дисперсия вещества. Области нормальной и аномаль­ной дисперсии. Поглощение света. Закон Бугера.

Студент должен самостоятельно изучить тему: «Нелинейные процессы в оптике»