Электромагнитные волны и оптика (Лекция)

О.С. Литвинов, В.С. ГореликЭлектромагнитныеволны и оптикаДопущено Министерством образования и наукиРоссийской Федерации в качестве учебного пособиядля студентов высших учебных заведений,обучающихся по техническим направлениямподготовки и специальностямИздание второе, исправленное и дополненноеМоскваИздательство МГТУ имени Н.Э. Баумана2006ФИЗИКА В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕСерия основана в 2003 годуНаучные редакторыд-р физ.-мат. наук, проф.

Л.К. Мартинсон,д-р физ.-мат. наук, проф. А.Н. МорозовМоскваИздательство МГТУ имени Н.Э. Баумана2006УДК 530.10(075.8)ББК 22.343Л32Рецензенты: кафедра физики Российского государственно$го университета нефти и газа им. И.М. Губкина,зав. кафедрой, д$р техн. наук, проф. В.Б. Нагаев;чл.$кор. РАН, проф. Л.Д. БахрахЛ32Литвинов О.С., Горелик В.С.Электромагнитные волны и оптика: Учеб. пособие. — М.:Изд$во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.

— 448 с.: ил. (Физика втехническом университете / Под ред. Л.К. Мартинсона,А.Н. Морозова)ISBN 5$7038$2793$0Изложены основные свойства электромагнитных волн, распро$страняющихся в различных средах. Рассмотрены закономерностираспространения электромагнитных волн видимого диапазона, т. е.наиболее важные оптические явления. Объяснение эксперименталь$ных закономерностей, установленных для электромагнитных волн, да$но на основе анализа решений уравнений Максвелла в рамках класси$ческой электродинамики. В конце некоторых разделов приведены ха$рактерные задачи с решениями.Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, кото$рый авторы читают в МГТУ им. Н.Э.

Баумана.Для студентов технических университетов и вузов.УДК 530.10(075.8)ББК 22.343ISBN 5703827930© О.С. Литвинов, В.С. Горелик, 2006© Оформление. Издательство МГТУим. Н.Э. Баумана, 2006ПРЕДИСЛОВИЕРаздел «Электромагнитные волны и оптика» курса общей физи$ки составляет фундамент знаний, имеющих большое значение нетолько для формирования научного кругозора студентов, но и дляпонимания современных методов решения практических задач, свя$занных с использованием явлений электромагнетизма в промышлен$ности, сельском хозяйстве, здравоохранении, в области телекоммуни$каций, информационных и компьютерных технологий, в радиоэлек$тронике и оптоэлектронике.В предлагаемом учебном пособии описание свойств электро$магнитных волн и оптических явлений основано на анализе реше$ния системы уравнений Максвелла с помощью методов физиче$ской оптики, позволяющих не только получить качественное пред$ставление о рассматриваемых явлениях, но и дать количественнуюоценку сопровождающих их эффектов.Рассмотрение свойств электромагнитных волн и оптическихявлений в полном объеме в рамках курса общей физики затрудни$тельно, так как многоплановость эффектов взаимодействия элек$тромагнитных волн с веществом требует для описания рассматри$ваемых явлений применения широкого спектра математическихметодов.

Учитывая уровень математической подготовки студентовмладших курсов, авторы использовали самую простую постановкузадач, допускающую наглядное объяснение наблюдаемых эффек$тов в рамках волновой теории света. Это позволило сделать обос$нованные обобщения, не прибегая к изощренным расчетам, харак$терным для методов теоретической физики.Содержание учебного пособия соответствует курсу лекцийпо общей физике, который авторы читают студентам второгокурса в Московском государственном техническом университе$те имени Н.Э. Баумана.5При подготовке учебного пособия была поставлена задача сде$лать его полезным для студентов разных специальностей, в томчисле и таких, для которых знания в этой области физики являют$ся профильными.Одной из методических особенностей предлагаемого учебногопособия является поэтапное изложение многих вопросов.

На пер$вом этапе создается общее представление о рассматриваемом явле$нии. На втором этапе дается обоснование и уточнение полученныхпредставлений на основе решения соответствующих уравнений,вывода физических формул и возможного обобщения исходныхзакономерностей.

По мнению авторов, такой подход помогает сту$дентам усвоить довольно сложный материал и превращает его изу$чение в увлекательный процесс, в котором сформулированные напервом этапе интуитивные представления о свойствах волн полу$чают на следующем этапе их изучения строгое математическоеобоснование.Материал учебного пособия сгруппирован в девять глав, со$стоящих из разделов; в конце отдельных разделов помещены зада$чи. Некоторые задачи посвящены выводу используемых в текстераздела формул. Это позволяет составить более полное представ$ление об использовании математического аппарата при изучениисвойств электромагнитных волн и оптических явлений.Для понимания изложенного материала достаточно знаний,полученных студентами при изучении механики, основ молеку$лярной физики и термодинамики, а также основ электричества имагнетизма, нашедших свое отражение в компактной форме в видеуравнений Максвелла.

Поскольку свойства электромагнитныхволн, с помощью которых объясняются оптические явления, пред$ставляют собой следствия уравнений Максвелла, в начале первойглавы приведены краткие сведения о системе уравнений Максвел$ла. Кроме того, в первой главе содержится материал вводного ха$рактера, напоминающий студентам основные свойства колебанийи волн.Рассмотрение в книге некоторых вопросов выходит за рамкитрадиционного курса общей физики. Это касается изучения меха$низма излучения электромагнитных волн неравномерно движу$щимся зарядом, приложений голографии, взаимодействия света сосредой, а также нелинейных оптических эффектов.

При включе$нии этих вопросов в учебное пособие прежде всего преследовалась6цель расширения кругозора студентов в тех разделах современнойфизики и ее технических приложений, которые в настоящее времянаходят широкое применение на практике. Кроме того, дополни$тельная информация может быть использована студентами во вне$аудиторной работе при составлении рефератов и подготовке к эк$заменам и зачетам.Главы 1—6 и 8, введение и заключение написаны О.С. Литви$новым. Глава 7 написана В.С.

Гореликом, а глава 9 и предисловие —результат совместного труда авторов.Авторы выражают признательность заведующему кафедройфизики МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессору А.Н. Морозову ипрофессору Л.К. Мартинсону за внимательное прочтение рукопи$си и ее редактирование, а также профессору К.Б. Павлову за полез$ное обсуждение рассматриваемых в книге вопросов.Авторы благодарят рецензентов — члена$корреспондента РАН,профессора Л.Д. Бахраха и заведующего кафедрой физики Россий$ского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губ$кина, профессора В.Б.

Нагаева — за сделанные замечания и указан$ные погрешности рукописи, исправление которых способствовалоее улучшению. Авторы признательны Н.А. Бею — профессору ка$федры «Радиоэлектронные устройства» МГТУ им. Н.Э. Баумана —за предоставленную фотографию зеркальной антенны радиотеле$скопа РТ—7.5.ВВЕДЕНИЕВ традиционных курсах общей физики свойства электромаг$нитных волн и оптические явления изучаются в разделе физиче$ской оптики. Особенности излучения электромагнитных волн и ихраспространения в диэлектрических и проводящих средах, включаяплазму, позволяют объяснить работу многих радиоэлектронных иоптических приборов, без которых невозможно представить суще$ствование современной цивилизации.

Лазеры, телескопы, микро$скопы, телевизоры, компьютеры, фотоаппараты, видеокамеры, сис$темы космической связи, медицинские томографы, средства бескон$тактной диагностики — вот далеко не полный перечень приборов, воснове работы которых лежат принципы физической оптики.Конечно же, нельзя не отметить, что работа некоторых пере$численных устройств и систем допускает объяснение с помощьюметодов геометрической оптики. Однако оптические явления, ко$торые могут быть рассмотрены в рамках геометрической оптики, вфизической оптике получают свое объяснение с помощью пре$дельного перехода при стремлении длины волны к нулю и предпо$ложении, что она во много раз меньше размеров неоднородностейсреды распространения волны.

Поэтому в данном учебном посо$бии не рассматриваются методы геометрической оптики, но в тоже время достаточно подробно обсуждается физический смысл по$нятия луча, а также определяются границы применимости методовгеометрической оптики для анализа функционирования различ$ных оптических приборов. Кроме того, на основе решения задач одифракции плоской электромагнитной волны на плоской границераздела двух диэлектриков (без потерь) и фазовом экране (с квад$ратичным законом изменения фазы проходящей плоской волны)устанавливается общность таких хорошо известных законов гео$метрической оптики, как законы отражения и преломления свето$8вого луча, а также формирования оптического изображения объек$тов с помощью тонкой линзы.Физическая оптика, изучающая широкий круг явлений взаи$модействия света со средой, оказывается теснейшим образом свя$занной практически со всеми разделами современной физики.

Содной стороны, эффекты взаимодействия электромагнитных, и вчастности световых, волн со средой зависят от состояния среды,определяемого совокупностью физических параметров — темпера$туры, плотности, давления, проводимости. Поэтому такие эффек$ты имеют многоплановый характер, и для их исследования необхо$димо привлечение методов и идей из арсенала средств всей совре$менной физики. С другой стороны, методы физической оптики,применяемые для исследования взаимодействия света со средой,благодаря простоте их реализации и высокой точности широко ис$пользуются во многих других разделах физики, не связанных не$посредственно с оптикой и ее приложениями.

Примерами могутслужить методы оптической интерферометрии, применяемые дляконтроля качества обработки поверхности в машиностроении, иметоды высокоточных измерений показателей преломления ве$ществ при решении различных исследовательских задач.Для физической оптики характерно изучение всех рассматри$ваемых в ней явлений с точки зрения теории электромагнитныхволн. Электромагнитные волны в порядке убывания длины волныподразделяются на радиоволны, инфракрасное, оптическое, ульт$рафиолетовое, рентгеновское и гамма$излучение. Несмотря на раз$нообразие эффектов, сопровождающих распространение и взаимо$действие с веществом различных электромагнитных волн, ихисследование и понимание возможно с единых позиций — на осно$ве электромагнитной теории Максвелла.Необходимо отметить, что физическая оптика имеет огромныезаслуги в развитии физики. Две господствующие теории, опреде$ляющие облик современной физики, — теория относительности иквантовая теория — сформировались благодаря исследованиямоптических явлений.