В.А.Горбаренко - Физическая оптика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТРАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКАУЧЕБНОЕ ПОСОБИЕМОСКВА 2002Антонина Ивановна БугроваВалентин Александрович ГорбаренкоЕлена Дмитриевна МишинаЮрий Иванович ТусновФЗИЧЕСКАЯ ОПТИКАУчебное пособиеРедактор В.А.ГорбаренкоЛитературный редактор Л.В.ОмельяновичПодписано в печать 16.04.2002. Формат 60х84 1/16Бумага офсетная. Печать офсетная.Усл.

печ. л. 4,88. Усл. кр.-отт. 19,52. Уч.-изд.л. 5,25.Тираж 1000 экз. С 339Московский государственный институт радиотехникиЭлектроники и автоматики (технический университет)117454 москва, просп. Вернадского, 78ББК 22.34+22.38Ф 48УДК 539.I+535Рецензенты: д.ф.м.н., проф. В.Г.Бочаровк.ф.м.н., доцент С.А.ХартовФ 48 Бугрова А.И., Горбаренко В.А., Мишина Е.Д., Туснов Ю.И.Физическая оптика. Учеб.пособие /Моск.гос.ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет).М.,2002.

– 84 с.В пособии излагаются основы волновой и корпускулярной оптики, рассматривается связь волновой оптики с фундаментальнымипроблемами физики. В соответствии с программой курса общей физики излагается теория интерференции, дифракции и поляризациисвета.Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей дневной, вечерней и заочной формы обучения.Табл. нет. Ил. 64. Библиогр.: назв.

нетПечатается по решению редакционно-издательского советаМосковского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет).ISBN 5-7339-0035-531. ФОРМИРОВАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОКОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЕ СВЕТА1.1. Теория световых корпускул XVII-XIX вв. Элементарныезаконы геометрической оптикиВ физике XVII-XIX столетий господствовала теория световых корпускул. Основываясь на опытном факте прямолинейногораспространения света, Ньютон предположил, что свет испускается источником в виде мельчайших световых частиц - корпускул, летящих прямолинейно.

Попадая на сетчатку глаза, они вызывают ощущение света.В основу построения изображения были положены четыреосновных опытных закона:1.Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям.Одним из доказательств этого закона служат резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света.2. Закон независимости световых пучков: распространениевсякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того,есть ли в ней другие пучки света или нет.

Это означает, что припересечении пучков действиеодного пучка не возмущаетдействия другого.α β3. Закон отражения. Условимся понимать под лучомконечный, но достаточно узкий световой пучок. Теперьγсформулируем закон отражения. Луч падающий и луч отраженный лежат в однойплоскости с нормалью, восРис.1.1.Рис. 1.1становленной к границе раздела в точке падения (этаплоскость называется плоскостью падения), причем угол паденияравен углу отражения (рис.1.1).44.

Закон преломления. Был установлен экспериментальноСнеллиусом. Согласно этому закону преломленный луч лежит вплоскости падения, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не зависит от угла падения и является дляданных двух сред величиной постоянной, т.е.sin α n2= = n21 .(1.1)sin β n1Величина n21 называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютнымпоказателем преломления и обозначают обычно через n (n1 и n2 абсолютные показатели преломления первой и второй сред).

Вещество с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотным.Закон преломления можно переписать в видеn1 sin α = n2 sin γ .(1.2)Из (1.2) видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n1>n2), преломленный лучбудет удаляться от нормали к поверхности и, наконец, при углепаденияα0 = arcsin n21(1.3)преломленный луч не возникает вообще, так как γ=π/2, а sinγ=1.Таким образом, для углов падения α≥α0 свет не проходит вовторую среду и полностью отражается.

Это явление называетсяполным отражением, а угол α0 - предельным углом полного отражения.Теория световых корпускул была отвергнута в первой половине XIX столетия после открытия явления интерференции исоздания волновой теории света.51.2. Волновая теория света в XVIII-XIX ввСущность волновой теории, впервые высказанной, хотя и внезаконченной форме, Гюйгенсом в XVII веке, состоит в предположении, что свет представляет собой особого рода колебания.Процесс распространения света состоит в том, что колебания эти,возникнув в какой-либо точке пространства, в свою очередь возбуждают колебания в смежных с нею точках и т.д.Ж.Френель поставилS2*S1следующий опыт. Узкая*щель (см.

рис. 1.2.) освещалась солнечным светом.Световой поток, прошед*Sший через нее, отражалсяот двух плоских зеркал, поставленных почти параллельно друг другу. Отраженный от них свет падална экран Э, поверхностькоторого оказалась неравномерно освещенной. Наней был виден ряд темныхЭ и светлых полос. Освещение экрана становилосьРис. 1.2Рис.1.2.равномерным, если одно иззеркал было закрыто.Это явление необъяснимо с точки зрения корпускулярнойтеории света. Если каждое из зеркал в отдельности отбрасывает кэкрану известное число световых частиц, то совместное действиеобоих зеркал может привести лишь к увеличению числа падающих на экран частиц, т.е.

к увеличению яркости освещения экрана. Наблюдаемое на экране изменение яркости (интерференциясвета) могло быть объяснено тем, что мы имеем дело с волновыми процессами, поскольку только наложение двух волн можетпривести к усилению или ослаблению яркости освещения экрана.6С волновой точки зрения можно было объяснить и явлениеогибания светом различных препятствий. Гримальди назвал этоявление дифракцией. Его может наблюдать любой человек, посмотрев на яркую светящуюся лампу, находящуюся на расстоянии 20-40м от него, через два пальца, плотно прижатых друг кдругу так, чтобы между ними оставалась узкая щель. Вместо одной светящейся щели можно увидеть поперечную щели полосу,состоящую из яркой центральной и чередующихсябоковых темных и светлыхполос.Успехом волновой теории явилось и объяснениесвойства света, названногоНьютоном поляризацией.

ЭтоРис.1.3.свойство проявляется, наприРис.1.3мер, в том, что, проходя черезнекоторые кристаллы, световой луч, преломляясь, разделяется на два луча, распространяющихся в кристалле по различным направлениям и, следовательно,выходящих из него в различных точках пространства (рис.1.3).Это явление может быть объяснено, если считать, что накристалл падает поперечная световая волна, т.е. направление колебаний светового вектора лежит в плоскости, перпендикулярнойнаправлению распространения света, но в пределах этой плоскости может иметь любое направление. Тогда кристалл разлагаетпадающий на него естественный свет на два пучка, в каждом изкоторых колебания светового вектора происходят только в одномопределенном направлении.Но, если свет представляет собой волновой процесс (поперечную волну), то эти волны, казалось бы, должны распространяться в некой среде, как, например, волны упругости распространяются в твердом теле.

Для объяснения наблюдаемых фактовбыло введено понятие особой материальной среды - светового(мирового) эфира, упругие колебания которого воспринимаютсякак световые. Однако такой эфир должен рассматриваться, как7твердое тело, так как поперечные волны могут распространятьсялишь в твердых телах. Продольные волны представляют собойволны растяжения и сжатия (или сгущения и разрежения). Чтобыони были возможны в данной среде, необходимо, чтобы средабыла абсолютно несжимаемая, либо беспредельно сжимаемая.Однако эфир с такими свойствами невозможно представить реально существующим.

Создалась тупиковая ситуация.1.3. Электромагнитная теория светаВо второй половине XIX века Максвелл, анализируя опытыФарадея и Ампера в области электромагнетизма, приходит к выводу, что их физические представления можно записать в формематематических уравнений: rrrrr dDdBrot H = j +; rot E = ;dtdtrrdiv B = 0;div D = ρ;(1.4)rr rrD = εε0E ; B = μμ0H ,r rгде E и H r- векторынапряженности электрического и магнитноrго полей,D и H - векторы электрической и магнитной индукrции, j - вектор тока проводимости, ε и μ - относительные электрическая и магнитная проницаемости, ε0 и μ0 - электрическая имагнитная постоянные.Эти уравнения составляют основу системы взглядов, которая получила название “максвелловской теории электромагнитного поля”.Рассмотрим первые два уравнения системы (1.4).

Из уравнений видно, что любой ток создает магнитное поле в окружающихточках пространства. Постоянный ток создает постоянное магнитное поле. Вокруг переменного тока создается переменноемагнитное поле, способное создавать в "следующем" элементепространства электрическое поле, которое, в свою очередь, создает новое магнитное поле и т.д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света ввиде незатухающей поперечной волны (рис.1.4).8Предсказанные Максвеллом электромагнитные волны былиобнаружены Г.Герцем и исследованы на опыте. Колебания возбуждались вибратором, состоящим из двух цинковых шариков,разделенных искровым промежутком.

Было показано, что возбуждаемые волны являются поперечными и обнаруживают явлениядифракции, поляризации, интерференции.ЧтокасаетсяXотличий,сущестEвующихмеждуэлектромагнитнымиволнами,обнаруZженными Герцем, иHсветовыми, то ониYмогут быть объяснены только отлиРис. 1.4Рис.1.4.чием длин волн.Можно было утверждать, что явления оптические представляютсобой частный случай более общего класса электромагнитныхявлений.Видимый свет, непосредственно воспринимаемый человеческим глазом, занимает узкий интервал длин электромагнитныхволн от 0,40 до 0,76 мкм.

В этом диапазоне лежит максимум интенсивности электромагнитных волн, излучаемых Солнцем. Повидимому, в этом состоит биологическая причина чувствительности глаза именно в этой области спектра. Со стороны длинныхволн к видимому излучению примыкает инфракрасное (ИК) излучение. Оно испускается нагретыми телами. Длины волн ИК излучения в вакууме лежат в пределах от 1 мм до 0,76 мкм. За нимследует диапазон радиоволн, длина которых в вакууме больше 50мкм.