- •2. Что такое интерференция света и каковы необходимые условия ее осуществления?
- •3. Дайте вывод и объяснение условий максимумов и минимумов при интерференции света.
- •4. Что такое показатель npeломления вещества, чем он обусловлен, от чего зависит и
- •5. Почему в отраженном от пленки свете интерференционная картина получается гораздо более контрастной, нежели в проходящем свете?
- •6. Как образуется интерференционная картина в экспериментальной установке
- •2. Охарактеризуйте основную задачу дифракции и способы подхода к ее решению с позиций принципа Гюйгенса - Френеля и метода зон Френеля.
- •3. Объясните соотношение между волновой и геометрической оптиками на примере анализа методом зон Френеля дифракции света на непрозрачном диске и на круглом отверстии.
- •6. Что такое дисперсия и разрешающая сила (способность) решетки и как, и почему они зависят от постоянной (периода) решетки, числа щелей в ней и порядка спектра?
- •2. Охарактеризуйте виды поляризации света и их взаимосвязь, взаимопредставления.
- •3. Охарактеризуйте методы получения поляризованного света и дайте вывод закона Малюса.
- •4. Дайте детальный физический анализ закону Брюстера.
- •5. Проанализируйте полученные в работе результаты на их физическую достоверность и соответствие целям и задачам работы.
- •2. Каковы основные закономерности внешнего фотоэффекта?
- •4. Что такое фотоны, и почему фотоэффект относят к типично квантовым оптическим явлениям?
- •2. Почему энергия электрона в атоме квантуется? Как это подтверждается экспериментом?
- •3. Чем объясняется упорядоченность линий в спектре излучения водородоподобных атомов? Почему разные серии не перекрываются друг с другом?
- •4. Объясните вывод из теории Бора обобщённой формулы Бальмера.
- •2. Как де Бройль «объяснил» правило Бора квантования орбит электрона в атоме водорода?
- •5. Чем объясняется размытость спадов анодного тока в опыте Франка – Герца, и почему в них анодный ток уменьшается не до нуля?
- •6. Почему в данной работе не наблюдается второй потенциал возбуждения?
- •2. Что такое радиоактивность? Как объясняется механизм испускания ядрами альфа-, бета- и гамма- лучей? Какие изменения происходят при этом с ядром?
- •4. Как выводится закон радиоактивного распада и почему он носит экспоненциальный характер? Какой физический смысл имеют его основные характеристики?
№ 411-3 1. Что в современной физике понимают под светом? Что представляет собою световая
волна и каковы основные характеристики бегущей монохроматической световой волны?
Под светом в узком смысле (видимым светом) понимают электромагнитные волны с длинами в интервале (0,38 - 0,76) мкм, размещающем в себе "семь цветов радуги". В более широком смысле под светом понимают электромагнитные волны с длинами, меньшими одного миллиметра. Электромагнитная волна - распространяющиеся в пространстве взаимноперпендикулярные колебания электрического и магнитного полей - описывается уравнением бегущей волны:
= cos (t - kr + ) = cos Ф и =cos (t - kr + ) = cos Ф.
На практике большинство оптико-волновых эффектов связано с электрическим полем, и поэтому в дальнейшем рассматриваются колебания только электрического поля. В силу чрезвычайно высокой частоты колебаний вектора в световой волне ( 1015 с-1) и инерционности оптических приборов (включая наш глаз), они не успевают реагировать на текущие, мгновенные изменения электрического поля. Приборы регистрируют лишь усреднённый во времени поток энергии, пропорциональный квадрату амплитуды, называемый интенсивностью J (или освещенностью, или световым потоком) света: J Е2 (угловые скобки означают усреднение величины по времени).
Фаза Ф = (t – kr + ) характеризует состояние волнового процесса в данной точке в данный момент времени. Уравнение Ф = t – kr + = const является уравнением эквифазовой поверхности волны. Эту поверхность, все точки которой колеблются в одинаковой фазе, называют еще волновой поверхностью.
Волновое число k = 2 - определяет частоту повторения волнового процесса в пространстве, являясь пространственным аналогом угловой (циклической) частоты = 2Т. Монохроматической («одноцветной») называют волну с постоянной частотой = 2 = const.
Скорость распространения волны = /k, выражает скорость распространения ее эквифазовой поверхности волны, ибо указывает, что за время равное периоду Т, поверхность постоянной фазы перемещается на расстояние, равное длине волны . Поэтому ее называют фазовой скоростью волны.
Волна, в отличие от колебания, периодична не только во времени, но и в пространстве. Поэтому у волны два периода: 1) во времени - Т и 2) в пространстве – (длина волны) и две частоты: 1) во времени - = 2/Т; 2) в пространстве - k = 2/ (волновое число). Эти сопряжённые характеристики волны просто связаны через скорость распространения волны: /Т = /k = . Длина волны представляет собой пространственный период волны, то есть расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения (вдоль вектора скорости) волны, на протяжении которого ее фаза Ф в данный момент времени изменяется на 2.
Если волна монохроматическая ("одноцветная"), то есть её частота постоянна и, кроме того, ее начальная фаза тоже с течением времени не меняется, то волна называется когерентной.
2. Что такое интерференция света и каковы необходимые условия ее осуществления?
Почему интерференцию света относят к характерным волновым оптическим явлениям?
Может ли интерферировать естественный свет?
Когерентность волн является необходимым условием для проявления ими эффекта интерференции. Интерференция это явление пространственного наложения (и сложения) волн, сопровождающееся устойчивой во времени интерференционной картиной в виде чередующихся максимумов и минимумов освещённости (светлых и тёмных полос, участков).
Обычные источники света, в которых излучение света происходит за счёт хаотического теплового возбуждения отдельных атомов среды, излучают свет практически некогерентный. Однако, вырезая из результирующего светового потока узкий пучок света, излучаемый группой близких, синфазно излучающих атомов, можно получить волну, сохраняющую постоянной начальную фазу в течение времени = 10-8 - 10-9 с. Это так называемое время когерентности естественного света - время непрерывного излучения света отдельным атомом
Свет с гораздо большей степенью когерентности создаётся в искусственных источниках света - лазерах. В них, атомы активной среды излучают свет согласованно, синфазно, строго монохроматично, и начальная фаза световой волны способна длительно сохранять постоянным своё значение в данном месте с течением времени.
3. Дайте вывод и объяснение условий максимумов и минимумов при интерференции света.
Как и почему положения интерференционных экстремумов зависят от разности хода
двух волн и их длины ?
Интерференция - явление амплитудно-фазовое. Результирующая амплитуда (и интенсивность) в какой-либо точке зависит от амплитуд и разности фаз, приходящих в данную точку волн. Простейший случай интерференции - сложение двух монохроматических бегущих волн, задаваемых уравнениями:
Е1 = Ем1 cos (t - kr1 + 1) = Ем1 cos Ф1; Е2 = Ем2 cos (t - kr2 + 2) = Ем2 cos Ф2.
С
Изобразим на векторной диаграмме два гармонических колебания Е1 и Е2, возбуждаемых складываемыми при интерференции волнами. По правилу параллелограмма результирующий вектор Е изображается диагональю параллелограмма, и его длина Ем определится по теореме косинусов:
Е2м = Е2м1 + Е2м2 - 2Ем1 Ем2cos ( - Ф) = Е2м1 + Е2м2 + 2Ем1Ем2cos Ф
С учетом того, что Ф = Ф2 - Ф1 = [k(r1 - r2) + 2 - 1], для интенсивности J = Е2м результирующей волны получим:
J = J1 + J2 + 2J1J2cos [k(r1 – r2) + 2 - 1]
Для некогерентных волн, разность начальных фаз (2 - 1) которых хаотически изменяется с течением времени, среднее значение косинуса cos [k(r1 - r2) + 2 - 1] равно нулю. Соответственно равно нулю и всё интерференционное слагаемое 2J1J2cos [k(r1 - r2) + 2 - 1]. И результирующая интенсивность некогерентных волн равна сумме интенсивностей: J = J1 + J2.
Включение второго источника света лишь равномерно (монотонно) повышает общую освещенность (интенсивность) всех точек пространства, и никакой интерференционной» картины в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности не возникает.
Если же складываемые волны когерентны, у них разность фаз в каждом месте с течением времени остаётся неизменной (поддерживается постоянной). Для них интерференционное слагаемое 2J1J2cos [k(r1 - r2) + 2 - 1] в зависимости от разности хода (r1 - r2) в той или иной области пространства может быть и положительным, и отрицательным. Получим условия соответствующих максимумов и минимумов при интерференции когерентных волн. Для простоты положим разность (2 - 1) начальных фаз складываемых волн равной нулю.
М
Ф = k(r1 - r2) = 2m, где m . Так как k = 2/ , то из (2/)(r1 - r2) = 2m r1 - r2 = m
Разность хода (r1 - r2) волн в максимуме должна быть кратной целому числу длин волн. При этом результирующая интенсивность равна: J = J1 + J2 + 2J1J2. В частном случае, если J1 = J2 = J, то J = 4J.
М
Итак, для минимума разность хода двух волн должна составлять нечётное число длин полуволн или, иначе - полуцелое число длин волн. При этом результирующая интенсивность в минимуме равна:
J = J1 + J2 - 2J1J2.
Для случая волн с равными интенсивностями J1 = J2, J = 0 «свет плюс свет дает тьму».
Э квивалентная схема интерференционного опыта представляет собой два точечных источника света S1 и S2, разделённых расстоянием d и удалённых на расстояние l от экрана, на котором наблюдается интерференционная картина.
Волны, приходящие от источников S1 и S2 в некоторую точку М на экране, имеют разность хода r = r2 - r1. Выразим эту разность хода через параметры схемы l, d и .
Так как r12 = l2 - (у + d/2)2 и r22 = l2 + (у + d/2)2, то r22 - r12 = (r2 – r1)(r1 + r2) = 2уd. Обычно l d, и тогда (r1 + r2) 2l, а r = r2 – r1 уd/l.
Из условия максимума: r = m, получим координаты максимумов: уm макс = ml/d , где m .
В центре экрана, при у = 0 и m = 0, имеем светлое пятно (максимум) для любых длин волн. Остальные же (боковые) максимумы с номерами m 0 в белом1 свете окрашиваются, ибо положение уm макс зависит от длины волны .
Из условия минимума: r = r2 – r1 = (m + 1/2) координаты минимумов уm мин = (m + ½)l/d.
Интерференционная картина характеризуется двумя параметрами:
шириной b интерференционной полосы, равной расстоянию между соседними тёмными полосами (минимумами): b = уm, мин - уm-1, мин = l/d;
расстоянием между соседними полосами: у = уm макс - уm-1 макс = l/d.
Формула у = l/d для расстояния между соседними полосами часто кладется в основу метода определения длины световой волны. Чем больше , тем реже, с большим у располагаются интерференционные полосы. Это связано с тем, что при переходе от одного максимума к следующему разность хода волн должна изменяться на : большей же разности хода должно соответствовать большее смещение координаты по оси У.
С ростом l та же разность хода r, разделяющая, например соседние максимумы, обеспечивается при большем удалении координаты У. Рост d, наоборот, приводит к сближению соседних экстремумов, так как здесь то же изменение разности хода на r = достигается при меньшем угле и меньшем разносе соседних экстремумов вдоль оси на экране.
Для заметного разноса у полос на экране удаление l экрана от источников должно быть много больше расстояния d между источниками света: l d.
Если какая-либо из волн (или обе) проходят часть или весь путь r1 (и/или r2) не в вакууме (воздухе), а в среде с показателем преломления n1 (n2), отличным от единицы, то геометрическую разность хода r необходимо заменять на оптическую. Оптический путь в n раз больше геометрического.