Лекции 01-15. Волны и оптика презентация

Содержание

Поперечные и продольные волны x y Поперечная волна: направление колебаний материальных точек и направление распространения волны взаимно перпендикулярны. Продольная

Слайд 1Волны и оптика

Лекции 01_15


Февраль – Май 2014 года

Лектор: доцент НИЯУ МИФИ,


ОЛЬЧАК Андрей Станиславович

Общая физика, 4-ый семестр

Слайд 2Поперечные и продольные волны



x
y
Поперечная волна: направление колебаний материальных точек и направление

распространения волны взаимно перпендикулярны.










Продольная волна: направление колебаний материальных точек и направление распространения волны совпадают.

Волна - процесс распространения колебаний в пространстве.

Слайд 3Волны неизменного профиля, распространяющиеся с постоянной скоростью, называют бегущими волнами
Упругие волны
Волна

- процесс распространения в пространстве НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО длительных колебаний, но и коротких отклонений от средних значений некоторых физических величин в пространстве.

Слайд 4Одиночная волна или импульс представляет собой короткое возмущение, не имеющее регулярного

характера.

Цугом волн называется ограниченный ряд повторяющихся возмущений.

Если длительность цуга значительно превышает период колебаний τ/T >> 1, то такой цуг волн называется квазимонохроматической волной.

Когда τ/T → ∞ волна становится монохроматической. (если колебания происходят по гармоническому закону)

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН ПО ИХ ФОРМЕ

Слайд 5Одиночная волна или импульс представляет собой короткое возмущение, не имеющее регулярного

характера.

Цугом волн называется ограниченный ряд повторяющихся возмущений.

Если длительность цуга значительно превышает период колебаний τ/T >> 1, то такой цуг волн называется квазимонохроматической волной.

Когда τ/T → ∞ волна становится монохроматической. (если колебания происходят по гармоническому закону)

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН ПО ИХ ФОРМЕ

Слайд 6Проверка решения: ξ(x, t) = f(α), α = x - vt
Волновое

уравнение

< = >

=Δξ

Слайд 7Гармоническая волна
Фазовая скорость волны
< = >

Слайд 8Гармоническая волна

Слайд 9Плоские гармонические волны
– волновой вектор
Волновая поверхность (плоскость) – геометрическое место точек,

колеблющихся в одной фазе

Слайд 10Трехмерное волновое уравнение
Волновой вектор в любой точке перпендикулярен волновой поверхности.
Форма волновой

поверхности зависит от симметрии задачи.
Для плоских волн это плоскости
Для сферически симметричных волн – концентрические сферы
Для цилиндрически симметричных - соосные цилиндры или (в двумерном случае) концентрические окружности

Слайд 11Сферические волны
Если r >> λ и d, то источник можно считать

точечным, а волну на этих расстояниях – сферической.

Слайд 12Цилиндрические волны
ξ(ρ,t) = (a0/√ρ)cos(ωt + kρ +α)
a(ρ) =

(a0/√ρ)

Слайд 13Стоячие волны
Наложение двух распространяющихся во встречных направлениях бегущих плоских волн может

образовать стоячую волну:

Слайд 14Стоячие волны

Слайд 15



















Стоячие волны
Стоячие волны (эффект сложения двух плоских волн одной длины и

амплитуды, распространяющихся навстречу друг-другу)

A cos(ωt–kx) + A cos(ωt+kx) =
= 2A cos(kx) cos(ωt)

kl/2 = π/2 + πn – условие существования стоячей волны

На правом конце узел - А(0) = 0

На левом конце пучность - А(l) = 2А

k = 2π/λ

Слайд 16Упругие волны в газе и жидкости
Рассмотрим плоский слой объёмом

с массой

Слайд 17Упругие волны в газе и жидкости

Слайд 18Упругие волны в газе и жидкости

Слайд 19Упругие волны в газе и жидкости

Слайд 20Скорость упругих волн
Одномерное волновое уравнение
м/с
Упругие волны в газе и жидкости

Слайд 21Скорость звука в газе
Упругие волны в газе и жидкости

Слайд 22Упругие волны в газе и жидкости
Скорость звука жидкости

Слайд 23Упругие волны в твёрдом теле

Слайд 24Упругие волны в твёрдом теле
железо

Слайд 25Упругие волны в твёрдом теле
Продольная волна
Поперечная волна
Поперечная упругая волна в стержне
железо


Слайд 26Плотность энергии волны
Плотность кинетической энергии
Рассмотрим малый элемент среды:

Слайд 27Плотность энергии волны
Плотность потенциальной энергии

Слайд 28Плотность энергии волны

Слайд 29Плотность энергии волны

Слайд 30Плотность энергии волны
В бегущей волне:

Слайд 31Плотность потока энергии и интенсивность
Модуль вектора плотности потока энергии равен энергии,

проносимой волной в единицу времени через площадку единичной площади, ориентированной перпендикулярно направлению переноса энергии волны.

Плотность потока энергии

Слайд 32Плотность потока энергии и интенсивность

Слайд 33Плотность потока энергии и интенсивность

Слайд 34Плотность потока энергии и интенсивность
Идеальный газ:
Твёрдое тело:

Слайд 35Плотность потока энергии и интенсивность
Плотность потока энергии в бегущей волне
Интенсивность волны
Это

модуль средней по времени плотности потока энергии.

вектор Умова

Слайд 36Плотность потока энергии и интенсивность
Идеальный газ:
В гармонической

волне

Слайд 37Энергия гармонической волны
Плотность энергии в гармонической волне

Слайд 38Энергия гармонической волны

Слайд 39Энергия гармонической волны
Интенсивность гармонической волны
Плоская гармоническая волна

Слайд 40Энергия гармонической волны
Интенсивность гармонической волны
Плоская гармоническая волна
Сферическая гармоническая волна

Слайд 41ПОТОК ЭНЕРГИИ










поток энергии:
среднее значение:
для сферической волны:
P – мощность источника




Слайд 42Затухание волн
Плоская квазигармоническая волна

Слайд 43Затухание волн
Сферически-симметричная волна

Слайд 44Звуковые волны в газе
Шкала звуковых волн

Слайд 45



















Интенсивность звука - поток энергии, переносимый звуковой волной через единицу площади

поверхности. I = dW/dS [Вт/м2].

Сила звука

Сила звука (или «уровень громкости звука») измеряется по относительной шкале в децибелах [дБ]: Р = 10lg10(I/I0)

I0 - порог слышимости (= 1пВт/м2 при частоте 1 кГц)

Слайд 46ШКАЛА УРОВНЕЙ ГРОМКОСТИ ЗВУКА

Порог болевого ощущения – значение интенсивности, при котором

волна перестает восприниматься как звук, вызывая в ухе лишь ощущение боли и давления.

L – уровень громкости [Дб]

I0 – исходная интенсивность: 10-12 Вт/м2

Слайд 47



















Распространение звуковых волн
При распространении звуковых волн в среде возникают те-же характерные

эффекты, что и при распространении световых (электромагнитных) волн:
Дисперсия (зависимость скорости волны от частоты) – для звуковых волн в однородных средах выражена слабо
Затухание (потеря энергии звуковой волной за счет вязкости среды)
Дифракция (изменение направления распространения волны при огибании препятствия)
Интерференция (эффект наложения двух волн одной длины, при котором амплитуда колебаний в разных точках пространства становится разной)
Стоячие волны (эффект сложения двух волн одной длины, распространяющихся навстречу друг-другу)
Эффект Доплера (зависимость слышимой частоты звука от скорости источника или приемника звука)
…..

Слайд 48



















Эффект Доплера
Эффект Доплера (зависимость слышимой частоты
звука от скорости источника или

приемника звука) Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Слайд 49Эффект Доплера в газах

Слайд 50
Эффект Доплера в газах
Эффект Доплера имеет чисто кинематическое происхождение, возникает для

движений любой природы

Расстояние между источником и приёмником велико.

Слайд 51Волны и оптика

Лекции 4_7

Электромагнитные волны

3, 10, 17, 24 марта 2013 года

Лектор:

доцент НИЯУ МИФИ,
ОЛЬЧАК Андрей Станиславович


Общая физика, 4-ый семестр

Слайд 52Уравнения Максвелла в локальной форме
Основные уравнения электромагнитного поля в неподвижных средах.

Слайд 53Уравнения Максвелла
Свойства уравнений Максвелла
1. Уравнения выполняются во всех инерциальных системах отсчёта.

Они являются релятивистски инвариантными.

2. Уравнения линейные – отражение принципа суперпозиции для магнитных и электрических полей.

3.Уравнения содержат известные законы электродинамики: закон Кулона, закон Био-Савара-Лапласа, уравнение непрерывности и т.п.

4. Уравнения не симметричны относительно векторов E и B.

5. Из уравнений Максвелла вытекает возможность распространения электромагнитных волн в средах и в вакууме.

Слайд 54
Рассмотрим однородную, изотропную диэлектрическую среду или вакуум
Волновое уравнение для электромагнитных волн
Уравнения

стали симметричны относительно
векторов E и Н.

Слайд 55
Волновое уравнение для электромагнитных волн

Слайд 56
Волновое уравнение для электромагнитных волн

Слайд 57
Волновое уравнение для электромагнитных волн

Слайд 58Плоская электромагнитная волна
Рассмотрим волну, распространяющуюся вдоль оси x.
Вывод: электромагнитная волна –

поперечная.

Слайд 59Плоская электромагнитная волна
Электромагнитная волна – поперечная.
Направим ось Y вдоль направления

вектора Е

||

||

Вывод: электромагнитная волна – поперечная;

Слайд 60Плоская электромагнитная волна
=>

Слайд 61Плоская электромагнитная волна

Слайд 62Плоская электромагнитная волна
Свойства бегущей электромагнитной волны
электромагнитная волна – поперечная;


Слайд 63Плоская электромагнитная волна
Плоская гармоническая (монохроматическая) волна

Фазы колебаний и

совпадают, причём

Слайд 64Поляризация плоских гармонических волн
||
||
||
E = A1cos(ωt – kz + α1)ex +

A2cos(ωt – kz + α2)ey

Слайд 65Плоская (линейная)
поляризация
Плоскость поляризации сохраняет своё положение.
Поляризация плоских гармонических волн
E =

A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

=>

Слайд 66Круговая (циркулярная) поляризация
Правая круговая поляризация.
Левая круговая поляризация.
Поляризация плоских гармонических

волн

E = A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

A1 = A2 = A; δ = +π/2
Ex = Acos(ωt – kz); Ey = +Asin(ωt – kz)

=>

Слайд 67Эллиптическая поляризация
Правая эллиптическая поляризация.
Левая эллиптическая поляризация.
Поляризация плоских гармонических волн
E

= A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

=>

Слайд 68Вектор Пойнтинга
В однородной, изотропной диэлектрической среде или в вакууме

Слайд 69Рассмотрим бегущую волну:
Вектор Пойнтинга
Интенсивность бегущей волны

Слайд 70Энергия электромагнитных волн
Интенсивность плоской гармонической волны
В слабо проводящей среде:

Слайд 71Импульс электромагнитных волн

Слайд 72Давление электромагнитных волн

Слайд 73Импульс и давление электромагнитных волн

Слайд 74Излучение электромагнитных волн
Поле излучения диполя
I – ближняя зона
II – промежуточная

зона
III – волновая зона

Слайд 75Излучение электромагнитных волн

Слайд 76Излучение электромагнитных волн

Слайд 77Излучение электромагнитных волн





Слайд 78Излучение электромагнитных волн

Диаграмма направленности излучения

Слайд 79Излучение электромагнитных волн

Слайд 80Излучение электромагнитных волн
Примеры диаграмм направленности излучения разных антенн

Слайд 81Излучение электромагнитных волн
Мощность излучения

Слайд 82Излучение электромагнитных волн
Излучение зарядов, движущихся с ускорением

Слайд 83
Эффект Доплера для электромагнитных волн
Это изменение частоты или длины волны, воспринимаемой

приёмником при относительном движении источника и приёмника волн.

Слайд 84
Эффект Доплера для электромагнитных волн

Слайд 85
Эффект Доплера для электромагнитных волн

Слайд 86Шкала электромагнитных волн
В широком смысле под светом понимают не только видимый

свет, но и примыкающие к нему области инфракрасного и ультрафиолетового излучений.

Слайд 87Интенсивность света

Слайд 88Отражение и преломление плоской ЭМ волны
=

Слайд 89Отражение и преломление плоской ЭМ волны
где

Слайд 90Отражение и преломление плоской ЭМ волны

Слайд 91Отражение и преломление плоской ЭМ волны
Явление полного внутреннего отражения

Слайд 92Отражение и преломление плоской ЭМ волны

Слайд 93Отражение и преломление плоской ЭМ волны
Рефракция – отклонение света от прямолинейного

распространения в среде с переменным показателем преломления.

Слайд 94Отражение и преломление плоской ЭМ волны
Амплитуда и фаза отражённой волны при

нормальном падении

Слайд 95Отражение и преломление плоской ЭМ волны

Слайд 96Отражение и преломление плоской ЭМ волны
Коэффициенты отражения и пропускания

Слайд 97Геометрическая оптика
Условия применимости законов геометрической оптики
l – характерный размер препятствий, отверстий

и т.п.

В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно, т.е. лучи – прямые линии.
Лучи не влияют друг на друга.
Справедливы законы отражения и преломления света.

Слайд 98Геометрическая оптика
Принцип Ферма
Световая энергия распространяется из одной точки в другую по

пути, на прохождение которого требуется минимальное время (точнее экстремальное время).

Слайд 99Геометрическая оптика
Примеры использования принцип Ферма
1. Однородная среда
2. Отражение света от

зеркала

дл. SRA = дл. S’RA <
< дл. S’R’A = дл. SR’A

Слайд 100Геометрическая оптика
3. Преломление света

Слайд 101Рефракция





n
n - dn
β - dβ
β
β

наклона луча к горизонтали

n sin(π/2-β) = (n-dn)sin(π/2 -β+dβ)

n(1 – β2/2) = (n-dn)(1 – β2/2 + βdβ) =>

n cos(β) = (n-dn)cos(β-dβ)

cos(x<<1) ~= 1 – x2/2

dn(1–β2/2)=nβdβ =>dn/n=βdβ=> β2/2 = C +ln(n)

=> β2 = β02 +2ln(n/n0) = β02 - 2ln(n0/n)

n0

β0

Слайд 102Фотометрия
Световой поток
Это раздел физической оптики, в котором изучаются энергетические характеристики светового

излучения.

- спектральная плотность потока электромагнитной энергии

На видимую область спектра приходится 40% энергии излучения Солнца.

Зрительное ощущение таково, что воспринимаемая интенсивность света максимальна при λ = 0,555 мкм.

Слайд 103Фотометрия
Чувствительность глаза к интенсивности ЭМ излучения характеризуется кривой относительной спектральной чувствительности

(функция видности).

Слайд 104Фотометрия
Чувствительность среднего глаза к интенсивности ЭМ излучения характеризуется кривой относительной спектральной

чувствительности (функция видности).

Элементарный световой поток:

Слайд 105Фотометрия
Сила света
Точечный источник света
Изотропный источник света:

Слайд 106Фотометрия
Освещённость
Освещённость, создаваемая точечным источником света

Слайд 107Фотометрия
Яркость

Слайд 108Фотометрия
Светимость
Светимость ламбертовского источника

Слайд 109Волны и оптика

Лекция 7

Интерференция света

31 марта 2014 года

Лектор: доцент НИЯУ МИФИ,


ОЛЬЧАК Андрей Станиславович

Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр

Слайд 110Интерференция волн

Слайд 111Интерференция монохроматических волн

Слайд 112Интерференция монохроматических волн

Слайд 113Интерференция монохроматических волн

Слайд 114Интерференция монохроматических волн
Условия интерференционного максимума:

Слайд 115Интерференция монохроматических волн
Условия интерференционного минимума:
Волны усиливают друг друга. Амплитуда увеличивается.
Волны

ослабляют друг друга. Амплитуда уменьшается.

Слайд 116Интерференция монохроматических волн
Ширина и видность интерференционных полос

Слайд 117Интерференция монохроматических волн
Ширина интерференционной полосы – это расстояние между серединами двух

соседних интерференционных полос.

Слайд 118Интерференция монохроматических волн
Видность интерференционных полос.

Слайд 119Интерференция монохроматических волн
Видность интерференционных полос.
Реальная картина интерференционных полос.

Слайд 120Классические интерференционные опыты
Опыт Юнга

Слайд 121Бипризма Френеля

Слайд 122Бипризма Френеля

Слайд 123Бипризма Френеля

Слайд 124Зеркало Ллойда
Источник света S и его мнимое изображение S’, полученное с

помощью зеркала Ллойда AB, позволяют наблюдать интерференционную картину на экране, расположенном перпендикулярно зеркалу.

Слайд 125Временная когерентность
Схема, поясняющая как из волновых цугов, испускаемых отдельными атомами (а

и б) возникает колебание электрического поля в произвольной точке пространства (в). τц – длительность отдельного цуга.

Волновой цуг.

Слайд 126Временная когерентность
Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве двух или

нескольких колебательных или волновых процессов.

Характерное время, за которое случайные изменения фазы α(t) достигнут величины ~π , называется временем когерентности.

Слайд 127Временная когерентность
Наблюдение интерференции с помощью метода деления волнового фронта.
Для точки наблюдения

P.

Слайд 128Временная когерентность

Слайд 129Временная когерентность
Степень когерентности
|| < 1

Слайд 130Временная когерентность
– максимальный порядок интерференции
Оценка длины когерентности

Слайд 131Временная когерентность
Спектральная линия:
Излучение лазера:
Оценка длины и времени когерентности

Слайд 132Временная когерентность
Нестационарная интерференция.
Световые биения

Слайд 133Пространственная когерентность
Радиус
когерентности:

Слайд 134Интерференция на тонких пленках. Интерференция при отражении



Интерференция

Слайд 135Интерференция света при отражении
Плоскопараллельная пластина толщины b

Слайд 136Интерференция света при отражении

Слайд 137Интерференция света при отражении
Экран равномерно освещён

Слайд 138Интерференция света при отражении
Условия наблюдения
интерференции:
т.е., пластинка тонкая

Слайд 139Интерференция света при отражении
Полосы равного наклона
Схема наблюдения полос равного наклона.

Слайд 140Интерференция света при отражении
Интерференционные полосы равного наклона в форме колец возникают

при сложении лучей, падающих под одинаковыми к поверхности пластины.

Слайд 141Интерференция света при отражении
Условия интерференционного максимума:

Слайд 142Интерференция света при отражении
Плоский клин. Полосы равной толщины

Слайд 143Интерференция света при отражении
Этот вид интерференции называется «полосы равной толщины», т.к.

каждая полоса возникает в результате отражения волн от участка клина с фиксированной толщиной.

Слайд 144Интерференция света при отражении
Кольца Ньютона

Слайд 145Немного геометрии
AO2 = AC2 – R2 =
= (AD – R)2

– R2 =

= AD2 – 2AD·R =

= AD(AD – 2R) =

= AD·AB - ч.т.д.

Слайд 146Интерференция света при отражении

Слайд 147Интерференция света при отражении

Слайд 148Интерферометры
Строго параллельные поверхности тщательно отшлифованы, отклонения менее 0,01λ. Поверхности покрыты многослойным

диэлектрическим покрытием с ρ = 0,85 – 0,98.

Интерферометр Фабри -Перо

Стеклянные или кварцевые пластины

Слайд 149Интерферометры

Слайд 150Интерферометры

Слайд 151Интерферометры

Слайд 152Интерферометры

Слайд 153Интерферометры
Интерферометр Маха-Цендера
Схема интерферометра Маха-Цендера

Слайд 154Просветление оптики
Просветле́ние о́птики — это уменьшение коэффициента отражения путём нанесения на поверхность

линз, граничащих с воздухом, тонких плёнок, что приводит к деструктивной интерференции отражённого света.

Слайд 155Просветление оптики
Потери энергии в многолинзовых приборах более 50%.

Слайд 156Просветление оптики

Слайд 157Дифракция
l >>b и много отверстий (щелей) – дифракция + интерференция
l

– расстояние до точки наблюдения
b – размер отверстия (препятствия)

l <~ b
геометрическая
оптика

l ~> b
дифракция Френеля

l >> b
дифракция Фраунгофера

ВАЖНО: есть дополнительные условия, зависящие от длины волны

Слайд 158Принцип Гюйгенса – Френеля
Каждая точка волновой поверхности является источником вторичных волн.



Результирующая волна является суперпозицией волн, излучаемых вторичными источниками.

Слайд 159Принцип Гюйгенса – Френеля
Каждая точка волновой поверхности является источником вторичных волн.

Результирующая волна является суперпозицией волн, излучаемых вторичными источниками.

Слайд 160Принцип Гюйгенса – Френеля
Амплитуда первичной волны в точке, где расположен вторичный

источник

Амплитуда вторичной волны в точке наблюдения P (Френель, 1816)

(Кирхгоф, 1883)

Слайд 161Зоны Френеля
Зоны Френеля – «полуволновые» зоны на фронте волны.
Каждая следующая

граница между зонами Френеля отстоит от точки наблюдения на пол длины волны дальше, чем предыдущая
rm+1 – rm = λ/2; m = 0, 1, 2, 3, .. ; r0 = l

Слайд 162Зоны Френеля для плоской волны
Зоны Френеля – «полуволновые» зоны на фронте

волны.
Каждая следующая граница между зонами Френеля отстоит от точки наблюдения на пол длины волны дальше, чем предыдущая
rm+1 – rm = λ/2; m = 0, 1, 2, 3, .. ; r0 = l

rm2 = (l + mλ/2)2 – l2 = lmλ

λ<

Sm = πrm2 – πrm-12 = πlλ

mmax = b2 / lλ ; b – радиус отверстия

Слайд 163Зоны Френеля для сферической волны
rm2 = (l + mλ/2)2 – (l

+d)2 =
= lmλ – 2ld – d2

Sm = πrm2 – πrm-12 = πlλa/(a + l)

mmax = (a + l)b2/ alλ

rm2 = a2 – (a – d)2 = 2ad – d2

rm2 = 2ad = lmλa/(a + l)

lmλ = 2(a + l)d

d = lmλ/2(a + l) <

a – расстояние от источника до края отверстия

d – расстояние от передней точки фронта волны до центра отверстия

λ<

b – радиус отверстия

Слайд 164Зоны Френеля
Sm = kπlλ;
k = 1 для плоской волны
k

= a/(a + l) для сферической волны

rm2 = klmλ;

mmax= b2/ klλ

b2< klλ - «открыта» только первая зона Френеля или часть ее
Вторичные волны, испускаемые фронтом волны, усиливают друг-друга в точке наблюдения

b2 = 2klλ - «открыты» две зоны Френеля. Вторичные волны, испускаемые фронтом волны 2-й зоны приходят в точку наблюдения в противофазе к волнам от первой зоны. Они гасят друг-друга

Если «открыто» четное число зон Френеля – интенсивность волны близка к нулю. Если нечетное – она максимальна ( I ~ 4Io)

Слайд 165Дифракция
l – расстояние до точки наблюдения
b – размер отверстия (препятствия)
l

~ b2/λ
дифракция Френеля

l >> b2/λ
дифракция Фраунгофера

l << b2/λ
Геометрическая оптика

l ~ 1 м; λ ~ 10-6м
b >> 10-3 м

l ~ 1 м; λ ~ 10-6м
b ~ 10-3 м

l ~ 1 м; λ ~ 10-6м
b << 10-3 м

Слайд 166Дифракция Френеля на круглом отверстии
Спираль
Френеля
⌠

Слайд 167Пример. Для точки наблюдения P открыты 1,5 зоны Френеля.
Дифракция Френеля на

круглом отверстии

Дифракция Френеля на круглом отверстии по мере приближения к экрану с отверстием.

Число открытых полуволновых зон увеличивается слева направо с 2 до 6. Размер картины уменьшается, приближаясь к диаметру отверстия.

Слайд 168Если точка P находится не в центре, то зоны Френеля располагаются

не симметрично

Дифракционные картины при нечётном (а) и четном (б) числе открытых зон Френеля

Дифракция Френеля на круглом отверстии

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

Слайд 169Зонная пластинка Френеля. Площади зон одинаковы
Синусоидальная зонная пластинка Френеля. Этот тип

пластин имеет одну фокальную точку.

Дифракционные линзы и зонные пластины

Есои открыть только четные или только нечетные зоны Френеля – волны будут усиливаться и фокусироваться

Слайд 170Зонная (a), фазовая (b) пластинки и фазовая линза (c) Френеля.
Дифракционные линзы

и зонные пластины

Слайд 171Идея голографии
=>
=>
=>


Слайд 172Дифракция Френеля на препятствии

Слайд 173Дифракция Френеля на непрозрачном диске.
В центре пятно Пуассона
Дифракция Френеля на

препятствии

Слайд 174На рисунке изображена блок-схема для получения увеличенной картины дифракции Френеля на

различного рода препятствиях. Установка состоит из лазера (ЛГ-52), микрообъектива (М), точечной диафрагмы (S), объекта (О), на котором наблюдается дифракция, и плоскости наблюдения

Дифракция Френеля на препятствии

Слайд 175Дифракция на шарике диаметром 2,4 мм.
Шарик аккуратно приклеивался пластилином к

плоскопараллельной стеклянной пластинке и устанавливался в расходящийся пучок света.

Распределение освещенности при дифракции от шарика

Дифракция Френеля на препятствии

Слайд 176Зоны Шустера для плоской волны

Слайд 177Спираль Корню

Слайд 178Дифракция Френеля на крае полуплоскости

Слайд 179Дифракция Френеля на щели

Слайд 180Дифракция Френеля на щели

Слайд 181Дифракция Френеля на узкой и широкой щели
Дифракция Френеля на щели

Слайд 182Дифракция Френеля на крае полуплоскости

Слайд 183Дифракция Френеля на круглом отверстии

Слайд 184Дифракция Френеля на круглом отверстии

Слайд 185Дифракция Френеля на круглом отверстии
Найдём амплитуду волны, излучаемой всей волновой поверхностью

в отсутствие преграды.

Слайд 186Дифракция Френеля на круглом отверстии
Найдём амплитуду волны, создаваемой m-ой зоной Френеля

в точке P. Для этого используем формулу:

Слайд 187Дифракция Френеля на круглом отверстии

Слайд 188Дифракция Френеля на круглом отверстии
Графическое сложение амплитуд. Спираль Френеля

Слайд 189Дифракция Френеля на крае полуплоскости

Слайд 190Дифракция Френеля на крае полуплоскости
Интегралы Френеля:

Слайд 191Дифракция Френеля на крае полуплоскости

Слайд 192Дифракция Фраунгофера на щели
Действие первой линзы:
Действие второй линзы:
Пусть фаза центральной зоны

равна нулю.

Слайд 193Дифракция Фраунгофера на щели

Слайд 194Дифракция Фраунгофера на щели

Слайд 195Дифракция Фраунгофера на щели
Распределение интенсивности на экране

Слайд 196Дифракция Фраунгофера на щели
Условие минимума:

Слайд 197Дифракция Фраунгофера на щели
Угловой размер центрального максимума

Слайд 198Дифракция Фраунгофера на отверстии

Слайд 199Дифракция Фраунгофера на отверстии

Слайд 200Дифракция Фраунгофера на отверстии
Разрешающая сила оптического прибора
Пучок параллельных лучей собирается линзой

не в точку, а в пятно.

Слайд 201Дифракция Фраунгофера на отверстии

Слайд 202Принципы работы дифракционной решётки

Слайд 203Принципы работы дифракционной решётки
Многолучевая интерференция N волн

Слайд 204Принципы работы дифракционной решётки

Слайд 205Принципы работы дифракционной решётки

Слайд 206Принципы работы дифракционной решётки
Главные максимумы
Главные максимумы определяют направления, в которых излучение

от всех щелей приходит в фазе (разность фаз кратна 2π).

m – называется порядком главного максимума.

Слайд 207Принципы работы дифракционной решётки

Слайд 208Дифракционная картина

Слайд 209Угловая ширина главных максимумов

Слайд 210Дифракционная картина

Слайд 211Дифракция Фраунгофера на отверстии
Длиной дифракционной расходимости называется характерная длина, на которой

пучок света расширяется на величину порядка размера щели или радиуса отверстия.

Слайд 212Дифракция Фраунгофера на отверстии
Условия для наблюдения дифракций Френеля и Фраунгофера

Слайд 213Дифракция Фраунгофера на отверстии

Слайд 214Белый свет
порядок спектра
Дифракционная решетка
как спектральный прибор

Слайд 215Дифракционная решётка как спектральный прибор
Дисперсионной областью спектрального прибора называется максимальная ширина

спектрального интервала Δλ, при спектры разных порядков ещё не пересекаются.

Слайд 216где dϕ - угловое расстояние между близкими спектральными линиями, длины волн

которых различаются на dλ.

Угловая дисперсия

Слайд 217где δλ - наименьшая разность длин волн двух близких спектральных линий

λ и λ+ δλ, при которой эти линии видны раздельно.

Критерий Рэлея

Точка А

Разрешающая сила (способность)

Слайд 218Качества дифракционной решётки

Слайд 219Лауэ, 1912 г.
Дифракция рентгеновского излучения

Слайд 220Дифракция на пространственных структурах

Слайд 221Дифракция на пространственных структурах
Лауэграмма ориентированного кристалла каменной соли. Ось падающего пучка

параллельна оси симметрии четвертого порядка.

Лауэграмма берилла

Слайд 222Дифракция на пространственных структурах
1. Рентгеновская спектроскопия используется для анализа спектра рентгеновского

излучения и измерения длин волн. Используются монокристаллы известной структуры.

2. Рентгеноструктурный анализ – метод исследования структуры вещества, основанный на дифракции рентгеновского излучения на исследуемом объекте. Используются поликристаллы и монохроматическое излучение (Метод Дебая – Шеррера).

Применение дифракции рентгеновского излучения

Слайд 223Дифракция на пространственных структурах
дифракция на одном из монокристаллов
Метод Дебая - Шеррера

Слайд 224Дифракция на пространственных структурах
Дебаеграмма меди.

Слайд 225Волны и оптика

Лекции 13.14.15



Лектор: доцент НИЯУ МИФИ,
ОЛЬЧАК Андрей Станиславович


Курс общей

физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр

Слайд 226Плоская электромагнитная волна
Плоская гармоническая (монохроматическая) волна

Фазы колебаний и

совпадают, причём

Слайд 227Поляризация плоских гармонических волн
||
||
||
E = A1cos(ωt – kz + α1)ex +

A2cos(ωt – kz + α2)ey

Слайд 228Плоская (линейная)
поляризация
Плоскость поляризации сохраняет своё положение.
Поляризация плоских гармонических волн
E =

A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

=>

Слайд 229Круговая (циркулярная) поляризация
Правая круговая поляризация.
Левая круговая поляризация.
Поляризация плоских гармонических

волн

E = A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

A1 = A2 = A; δ = +π/2
Ex = Acos(ωt – kz); Ey = +Asin(ωt – kz)

=>

Слайд 230Эллиптическая поляризация
Правая эллиптическая поляризация.
Левая эллиптическая поляризация.
Поляризация плоских гармонических волн
E

= A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

=>

Слайд 231Поляризованный и естественный свет
E = A1cos(ωt – kz + α1)ex +

A2cos(ωt – kz + α2)ey

Слайд 232Поляризованный и естественный свет
Частично поляризованный свет представляет собой смесь естественного и

поляризованного света.

Пример: Смесь естественного и плоскополяризованного света.

E = A1cos(ωt – kz + α1)ex + A2cos(ωt – kz + α2)ey

Слайд 233Поляризаторы. Закон Малюса
Поляризатором называется любой прибор, служащий для получения поляризованного света.
В

кристалле поляризатора есть выделенное направление O′O′′ или оптическая ось анизотропного кристалла.

Слайд 234Длинные молекулы вытянуты перпендикулярно оптической оси поляризационного фильтра. Составляющая

электрического поля волны, параллельная оптической оси и перпендикулярная этим молекулам, проходит через фильтр, в то время как составляющая , параллельная этим молекулам, поглощается.

Поляризаторы. Закон Малюса

Слайд 235Схематическое изображение продольных колебаний электронов в длинных молекулах. Эти колебания поглощают

энергию и уменьшают интенсивность соответствующей компоненты поля.

Поперечные колебания электронов в длинной молекуле более слабые.

Поляризаторы. Закон Малюса

Слайд 2361). Плоскополяризованный свет падает по нормали на поверхность поляризатора.
Поляризаторы. Закон Малюса

Слайд 2372). Падает естественный свет
Поляризаторы. Закон Малюса

Слайд 2383). Естественный свет падает на два скрещенных поляризатора
Поляризаторы. Закон Малюса

Слайд 2394). Измерение степени поляризации при падении смеси естественного и плоскополяризованного света
Поляризаторы.

Закон Малюса

Слайд 240Поляризация света при отражении и преломлении
на границе двух диэлектриков. Закон

Брюстера

Слайд 241
При падении света под углом Брюстера отражённый свет полностью поляризован.
Поляризация света

при отражении и преломлении
на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера

Слайд 242Вращение плоскости поляризации
При прохождении света через оптически активные вещества плоскость поляризации

поворачивается на некоторый угол

Естественное вращение (оптическая активность)

Слайд 243Вращение плоскости поляризации
Пример оптически активных веществ: кварц (вдоль оптической оси), скипидар,

водный раствор сахара.

Левовращающее вещество

Правовращающее вещество

Слайд 244Вращение плоскости поляризации
Хиральность (др. греч. χειρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться

в пространстве со своим зеркальным отражением.

Слайд 245Вращение плоскости поляризации
Плоскополяризованную волну представим как сумму левой и правой круговых

поляризаций.

Слайд 246Вращение плоскости поляризации
При распространении плоскополяризованного света вдоль внешнего магнитного поля в

некоторых веществах возникает вращение плоскости поляризации

Магнитное вращение (эффект Фарадея)

Слайд 247Вращение плоскости поляризации

Слайд 248Двойное лучепреломление
Распространение света в одноосном кристалле

Слайд 249Двойное лучепреломление
Кристаллы, в которых есть только одно выделенное направление z называются

оптически одноосными.

Обыкновенные и необыкновенные волны

1) Направление луча параллельно плоскости x,y.

Главным сечением называется плоскость, параллельная лучу и оптической оси z.

Слайд 250Двойное лучепреломление
2) Луч параллелен оптической оси z.
В необыкновенной (extraordinary) волне вектор

колеблется в плоскости главного сечения.

Обе волны (o и e) линейно поляризованные

Поляризация волны может быть любой: линейной, круговой, эллиптической.

Слайд 251Двойное лучепреломление
3) Луч направлен под углом θ к оптической оси.

Слайд 252Двойное лучепреломление

Слайд 253Двойное лучепреломление
Это пространственное разделение обыкновенной и необыкновенной волн в одноосном кристалле.

Слайд 254Двойное лучепреломление
Положительный кристалл
Отрицательный кристалл

Слайд 255Двойное лучепреломление

Слайд 256Двойное лучепреломление
Наклонное падение света на одноосный кристалл

Слайд 257Двойное лучепреломление
Двухосные кристаллы

Слайд 258Поляризация света при прохождении через кристалл
Оптическая разность хода обыкновенного и необыкновенного

лучей

Монохроматический свет падает по нормали на пластинку, вырезанную параллельно оптической оси отрицательного кристалла.

Главное сечение

Слайд 259Поляризация света при прохождении через кристалл
а) падает естественный свет
б) поляризованный свет
На

выходе поляризованный свет, но тип поляризации зависит от δ.

Слайд 260Поляризация света при прохождении через кристалл
Пластинка в четверть длины волны
а) Линейно

поляризованный свет

Слайд 261Поляризация света при прохождении через кристалл
б) Падает свет круговой поляризации (например,

правой)

Слайд 262Поляризация света при прохождении через кристалл
На выходе линейная поляризация
Если падающий свет

имел левую круговую поляризацию, то на выходе также линейная поляризация

На выходе естественный свет.

в) Падает естественный свет

Вывод: Чтобы отличить естественный свет от света с круговой поляризацией, надо использовать пластинку в четверть длины волны.

Слайд 263Поляризация света при прохождении через кристалл
Вращая пластинку, можно совместить одну ось

эллипса поляризации с оптической осью ОО′ пластинки.
За пластиной ставим поляризатор.

г) Падает эллиптически поляризованный свет

Вращая пластинку, и поляризатор можно добиться полного затемнения

д) Падает частично поляризованный свет

Никакими поворотами пластинки и поляризатора нельзя добиться полного затемнения.
Вывод: Чтобы отличить эллиптически поляризованный свет от частично поляризованного надо использовать пластинку в четверть длины волны.

Слайд 264Поляризация света при прохождении через кристалл
Если на пластину падает линейно поляризованный

свет, то происходит поворот плоскости поляризации на угол 2ϕ.

Пластинка в полдлины волны

Общий случай. Если линейно поляризованный свет падает на пластину произвольной толщины, то на выходе будет эллиптически поляризованный свет.

Слайд 265Поляризация света при прохождении через кристалл
Кристаллическая пластинка между двумя поляризаторами
Отражением света

и поглощением в пластине пренебрегаем

Свет монохроматический

Слайд 266Поляризация света при прохождении через кристалл
В пластине:
1) Поляризатор
и анализатор

параллельны.

Слайд 267Поляризация света при прохождении через кристалл

Слайд 268Поляризация света при прохождении через кристалл
2) Поляризатор и анализатор перпендикулярны.
Знаки проекций

E1 и E2 различны.

Слайд 269Поляризация света при прохождении через кристалл

Слайд 270Искусственное двойное лучепреломление
Фотоупругость (пьезооптический эффект)
Фотоупругость это возникновение оптической анизотропии под действием

механических напряжений в веществе.

Искусственная оптическая ось параллельна приложенной силе.

Соотношение Брюстера для упругих деформаций

Слайд 271Искусственное двойное лучепреломление
Эффект Керра
Эффект Керра (квадратичный электрооптический эффект) это возникновение двойного

лучепреломления в изотропных веществах под действием электрического поля.

Оптическая ось направлена вдоль электрического поля

Слайд 272Искусственное двойное лучепреломление
Ячейка Керра – устройство, применяемое в качестве оптического затвора

или модулятора света

Слайд 273Вращение плоскости поляризации
Время установления ориентации молекул вдоль поля порядка 10−10 с

(полярные молекулы) или 10−12 с (неполярные).

Ячейка Керра – наиболее быстродействующее устройство для управления интенсивностью светового потока.

Слайд 274Дисперсия и затухание волн
Пример слабопроводящей среды.
Понятие о дисперсионном уравнении

Слайд 275Дисперсия и затухание волн

Слайд 276Дисперсия и затухание волн

Слайд 277Дисперсия и затухание волн
Дисперсией волн называется зависимость фазовой скорости гармонической волны

от частоты

Дисперсия световых волн:

Слайд 278Дисперсия и затухание волн
Групповая скорость волн
Волновой пакет – это распространяющееся волновое

возмущение, занимающее в каждый момент времени ограниченную область пространства.

Слайд 279Дисперсия и затухание волн

Слайд 280Дисперсия и затухание волн

Слайд 281Дисперсия и затухание волн
Скорость, с которой волновой пакет движется как целое,

называется групповой скоростью

Групповая скорость определяет скорость переноса энергии в волне.

Слайд 282Дисперсия и затухание волн

Слайд 283Дисперсия и затухание волн
Формулы, применяемые в разделе «Оптика»

Слайд 284Дисперсия и затухание волн

Слайд 285Элементарная теория дисперсии света
Оценим воздействие электромагнитной волны на электроны.
Электрон рассматриваем как

одномерный осциллятор

Взаимодействие света с веществом

Слайд 286Элементарная теория дисперсии света

Слайд 287Элементарная теория дисперсии света
плазменная частота

Слайд 288Элементарная теория дисперсии света
Комплексный показатель преломления

Слайд 289 плазменная частота
Комплексный показатель преломления

Слайд 290 Закон Бугера (Бугера – Ламберта -Бера)
Взаимодействие света с веществом

Слайд 291 Для бесцветных газов (воздух, H2) и стекла ω0 относится к

УФ.

Дисперсия и затухание волн

Слайд 292Элементарная теория дисперсии света
8) Спектр поглощения крови (оксигемоглобина); 9) Спектр поглощения

хлорофилла

1) Солнечный спектр; 2) Спектр звезды Сириуса;
3) Спектр звезды Геркулеса; 4) Спектр водорода;
5) Спектр азота; 6) Спектр рубидия; 7) Спектр цезия;

Слайд 293Рассеяние света

Слайд 294Рассеяние света
Рассеяние солнечного света происходит на молекулах воздуха.
Почему небо голубое?
Закон

Рэлея

Слайд 295Рассеяние света
Закон Рэлея

Слайд 296Рассеяние света

Слайд 297ОБЗОР
Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

Слайд 298Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

Механические волны
 
1. Стоячие волны в струне с двумя закрепленными концами.
2. Интерференция плоских волн.
3. Поток энергии в упругой волне. Вектор Умова.
4. Плоские и сферические волны (без затухания и с затуханием).
5. Связь избыточного давления с интенсивностью звуковой волны в газе.
6. Эффект Доплера для звуковых волн.
7. Волновое уравнение для продольных упругих волн в тонком стержне.
8. Колебания струны с двумя закрепленными концами.
9. Скорость продольных и поперечных упругих волн в тонком стержне.
10. Волновое уравнение для звука в газе. Скорость звука в газе.
 

Слайд 299Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

Электромагнитные волны
 
1.Плоская монохроматическая электромагнитная волна.
2. Свойства плоской монохроматической электромагнитной волны. Виды
поляризации.
3.Волновое уравнение для электромагнитных волн в однородном изотропном диэлектрике. Скорость электромагнитных волн.
4. Энергия электромагнитных волн. Вектор Пойнтинга.
5. Импульс электромагнитной волны и давление на стенку.
6. Эффект Доплера для электромагнитных волн.
7. Коэффициент отражения и пропускания плоской электромагнитной волны.

Слайд 300Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

3. Геометрическая оптика и фотометрия.
 
1.Понятие о световом луче. Оптическая длина пути. Принцип Ферма.
2.Принцип Ферма. Законы отражения и преломления.
3.Кардинальные точки и плоскости центрированной оптической системы. Формула Ньютона.
4. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы.
5. Сила света и освещенность.
6 Светимость и яркость. Ламбертовский источник.
7. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза.
8. Поток энергии и световой поток.

Слайд 301Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

4. Интерференция света.
1. Явление интерференции. Сложение двух электромагнитных волн. Интенсивность суммарной волны.
2. Способы наблюдения интерференции света. Бизеркала или бипризма Френеля
3. Интерференционные полосы равной толщины.
4. Интерференционные полосы равного наклона.
5. Кольца Ньютона.
6. Многолучевая интерференция.
7. Интерференция света на тонких пленках. Просветление оптики
8. Временная когерентность, длина когерентности (на примере опыта Юнга с узкой щелью).
9. Пространственная когерентность, радиус когерентности. (На примере опыта Юнга с монохроматическим протяженным источником).
10. Интерферометры Майкельсона и Фабри-Перро.

Слайд 302Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

 
5. Дифракция Френеля.
 
1. Принцип Гюйгенса-Френеля и его аналитическое выражение в виде интеграла или ряда.
2. Графическое сложение амплитуд. Зоны Френеля.
3. Дифракция Френеля на щели. Спираль Корню.
4. Дифракция Френеля на круглом отверстии и на диске.
5 Дифракция Френеля на крае полуплоскости.
 

Слайд 303Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

 
6. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка.
 
1. Дифракция Фраунгофера на щели.
2. Дифракционная решетка.
3. Положение и угловая ширина главных дифракционных максимумов дифракционной решетки.
4. Дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки.
5. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Брэгга-Вульфа.
6. Дифракция на моно- и поликристаллах. Лауэграммы и дабаеграммы (качественно).
 

Слайд 304Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

 
7. Поляризация и двойное лучепреломление.
 
1. Эллиптическая и круговая поляризация света.
2. Частично поляризованный свет. Степень поляризации.
3. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах.
4. Ход лучей в одноосном кристалле.
5. Поляризация при отражении и преломлении (качественно). Угол Брюстера.
6. Кристаллическая пластинка между двумя поляризаторами.
7. Прохождение плоско поляризованного света через кристаллическую пластинку. Пластинка в четверть длины волны.
 

Слайд 305Курс общей физики НИЯУ МИФИ – 4-ый семестр
Курс общей физики НИЯУ

МИФИ – 4-ый семестр

8. Дисперсия света и затухание электромагнитных волн.
 
1. Элементарная теория дисперсии.
2. Фазовая и групповая скорости волн.
3. Комплексный показатель преломления вещества.
 
9. Излучение электромагнитных волн.
 
1. Излучение ускоренно движущегося заряда. Мощность дипольного излучения.
2. Излучение дипольного осциллятора. Диаграмма направленности.
.
 

Похожие презентации

Основы устройства строительных машин 403
Уравнения Максвелла 1095
Электроснабжение консервного цеха 257
Магнитное поле в вакууме 570
Michael Faraday 637
Простейшие движения твердых тел 288

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика