Свет как электромагнитная волна кратко

Интерференция света

Для наблюдений интерференции волн на поверхности воды использовались два источника волн (два шарика, закрепленные на колеблющемся стерженьке). Получить интерференционную картину (чередование минимумов и максимумов освещенности) с помощью двух обычных независимых источников света, например двух электрических лампочек, невозможно. Включение еще одной лампочки лишь увеличивает освещенность поверхности, но не создает чередования минимумов и максимумов освещенности.

Для того чтобы при наложении световых волн наблюдалась устойчивая интерференционная картина, необходимо, чтобы волны были когерентны, т. е. имели одинаковую длину волны и постоянную разность фаз.

Почему световые волны от двух источников не когерентны?

Интерференционная картина от двух источников, которую мы описали, возникает только при сложении монохроматических волн одинаковых частот. У монохроматических волн разность фаз колебаний в любой точке пространства постоянна.

Волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными.

Только когерентные волны, налагаясь друг на друга, дают устойчивую интерференционную картину с неизменным расположением в пространстве максимумов и минимумов колебаний. Световые же волны от двух независи-мых источников не являются когерентными. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными «обрывками» (цугами) синусоидальных волн. Длительность непрерывного излучения атома около 10 с. За это время свет проходит путь длиной около 3 м (рис. 1).

Эти цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. Разность фаз колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент времени цуги от различных источников сдвинуты друг относительно друга. Волны от различных источников света некогерентны из-за того, что разность начальных фаз не остается постоянной. Фазыφ₀₁иφ₀₂меняются случайным образом, и из-за этого случайным образом меняется разность фаз результирующих колебаний в любой точке пространства.

При случайных обрывах и возникновениях колебаний разность фаз меняется беспорядочно, принимая за время наблюденияτвсевозможные значения от 0 до 2π. В результате за времяτмного большее времени нерегулярных изменений фазы (порядка 10 -8 с), среднее значение cos (φ₁–φ₂) в формуле

I = 4 I_0 cos^2 dfrac<2= 2 I_0 [1 + cos (varphi_1 – varphi_2)]).

равно нулю. Интенсивность света оказывается равной сумме интенсивностей от отдельных источников, и никакой интерференционной картины наблюдаться не будет. В некогерентности световых волн заключается главная причина того, что свет от двух источников не дает интерференционной картины. Это главная, но не единственная причина. Другая причина заключается в том, что длина световой волны, как мы скоро увидим, очень мала. Это сильно затрудняет наблюдение интерференции, если даже располагать когерентными источниками волн.

Условия максимумов и минимумов интерференционной картины

В результате наложения двух или более когерентных волн в пространстве возникает интерференционная картина, представляющая собой чередование максимумов и минимумов интенсивности света, а значит, и освещенности экрана.

Интенсивность света в данной точке пространства определяется разностью фаз колебанийφ₁–φ₂. Если колебания источников синфазны, тоφ₀₁–φ₀₂= 0 и

Delta varphi = varphi_1 – varphi_2 = 2 pi dfrac). (1)

Разность фаз определяется разностью расстояний от источников до точки наблюдения Δr=r₁–r₂(разность расстояний называется разностью хода). В тех точках пространства, для которых выполняется условие

Delta r = r_1 – r_2 = k lambda; k = 0, 1, 2, ldots). (2)

волны, складываясь, усиливают друг друга, и результирующая интенсивность в 4 раза превосходит интенсивность каждой из волн, т.е. наблюдаетсямаксимум. Напротив, при

Delta r = r_1 – r_2 = dfrac<2(2k + 1)). (3)

волны гасят друг друга (I= 0), т.е. наблюдаетсяминимум.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Волновая теория основывается на принципе Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 2). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, объясняет явление дифракции, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса – Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии – такая же, как при отсутствии экрана. Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света.

Способы получения интерференционной картины

Идея Огюстена Френеля

Для получения когерентных источников света французский физик Огю-стен Френель (1788—1827) нашел в 1815 г. простой и остроумный способ.Надо свет от одного источника разделить на два пучка и, заставив их пройти различные пути, свести вместе. Тогда цуг волн, испущенных отдельным атомом, разделится на два когерентных цуга. Так будет для цугов волн, испускаемых каждым атомом источника. Свет, испускаемый одним атомом, дает определенную интерференционную картину. При наложении этих картин друг на друга получается достаточно интенсивное распределение освещенности на экране: интерференционную картину можно наблюдать.

Имеется много способов получения когерентных источников света, но суть их одинакова. С помощью разделения пучка на две части получают два мнимых источника света, дающих когерентные волны. Для этого используют два зеркала (бизеркала Френеля), бипризму (две призмы, сложенные основаниями), билинзу (разрезанную пополам линзу с раздвинутыми половинами) и др.

Кольца Ньютона

Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лаборатор-ных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших названиеколец Ньютона(рис. 3 а, б).

Что такое свет в физике – определение, свойства и природа света

Вопрос, что такое свет в физике, является ключевым для многих отраслей деятельности науки и техники, он вызывает живой интерес как специалистов, так и просто любителей все знать. Использование слова «свет» в физике достаточно условно, так как оно не передает никаких свойств и характеристик отдельно взятого типа излучения. Это общее определение, которое удобно использовать для такого же общего описания природного явления.

Свет – это то явление, с которым мы сталкиваемся постоянно, и благодаря чему вообще существует все живое на земле. Частицы так называемого «света» движутся от Солнца через огромные комические просторы на Землю, освещают ее и придают предметам, окружающим человека, видимость и многие свойства. На это явление можно смотреть далеко не с одной точки зрения, поэтому данный вопрос стоит рассмотреть более подробно.

Что такое свет в физике

Споры вокруг того, что же такое свет, шли в физике и научной среде многие века. Различные деятели выдвигали самые разные теории, что представляет собой данное явление природы, но никак не могли сойтись в едином мнении. Теории появлялись, как грибы после дождя, то опровергая, то дополняя друг друга.

Был создан целый раздел физики – оптика, задача которого стояла в изучении рассматриваемого явления.

К изучению природы света приложили свои талантливые руки все видные деятели науки, начиная с 17 века. Такие европейские светила, как Декарт, Гук, Юнг, Ньютон, Гейгенс, Ампер и многие другие предпринимали многие попытки понять, чем является видимое нам излучение: волной или же потоком частиц.

Именно это противоречие, к которому приводили опыты, ставило исследователей в тупик. Ученым была никак не понятна сочетаемость: как в одном эксперименте явление может вести себя, как поток частиц, а в другом – как электромагнитное излучение.

На сегодня данный вопрос в известной степени решен. Все новые знания позволили вникнуть в суть вещей более глубоко. Корпускулярную и волновую теорию позже дополнила электромагнитная, далее специальная теория относительности Эйнштейна, позже квантовая теория и, наконец, квантовая электродинамика.

Волновые свойства света

То, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами, начали предполагать многие ученые еще в 17-18 веках. Опыты Юнга, Френеля, Ньютона явственно показали, что волновые характеристики выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции. Именно они имеют значения при доказательстве того, что мы имеем дело с волной.

Луч видимого диапазона излучения способен как бы огибать препятствия любой формы и засвечивать даже ту область, которая якобы находится в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для твердых частиц, получило название дифракции.

Также доказано, что излучение может накладываться друг на друга и как бы дополнять волны аналогичной природы, либо же «тушить», уменьшать их интенсивность. Это явление получило название интерференции.

Оно активно применяется, к примеру, при производстве автомобильных фар – в их стеклах есть специальная фактура, которая позволяет использовать интерференцию и максимально увеличивать интенсивность свечения.

Но утверждение, что свет – это только волна, также находит протесты. Так как другие опыты, скажем, русского ученого Вавилова, показывают, что ему свойственна двойственная характеристика.

Электромагнитная природа света

То, что обычный солнечный луч является электромагнитной волной, является доказанным научным фактом. Над этим трудились многие умы, в частности, Эйнштейн, Вавилов и другие. Не один раздел физики посвящен доказательству того факта, что свет возникает в результате различных возбуждений в атомах и молекулах.

Это может быть тепловое, химическое или электромагнитное воздействие. При прохождении различных процессов в атоме он излучает кванты энергии во всем видимом диапазоне.

Определение электромагнитной природы излучения доказано многими экспериментами, а также теорией. Наиболее полное описание данных вопросов дал известный ученый Максвелл в своих уравнениях по электромагнетизму.

Спектральный состав света

Как показал в своих экспериментах английский естествоиспытатель Ньютон, обычный белый свет – это набор многих цветов, то есть волн с различной длиной, которые в результате взаимодействия складываются в один белый. Длина волн видимого спектра лежит в диапазоне 380-780 нанометров.

Наука смогла доказать, что практически любой вариант излучения не является монохроматичным – то есть, состоящим из волн только одной длины. Почти любой источник света испускает определенный спектр излучения, в котором есть разброс по длинам волн.

Если излучение имеет более короткие волны, нежели 380 нм, то они относятся к ультрафиолетовому свету, если большие 780 нм – инфракрасному. За их пределами сверху и снизу есть и другие типы излучения: гамма-лучи, рентгеновские волны, микроволновой диапазон.

Закон прямолинейного распространения света

Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х10 8 м/с. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!

Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.

Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д.

И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.

Электромагнитная природа света

Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:

Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.

Электромагнитная природа света

Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ frac= sqrt= n$, где $C$ и $V$ – скорости распространения света в среде с магнитной $mu $ и диэлектрической $xi $ проницаемостью в вакууме.

Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $mu $ и $xi$ – это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.

Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.

Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.

Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:

В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:

$A^2 = A_<1^ <2+ A_<2^ <2+ 2A_1 a_2 cos$, где $sigma = alpha_2 – alpha_1$

Если разность фаз $sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.

Интерференция световых волн

Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.

Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд. За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения. Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.

Оптическая длина пути

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$. До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$. В точке $O$ фаза колебаний равна $omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos+ alpha_1 right) $.

Вторая волна создает колебание: $A_2 cos+ alpha_2 right) $, где

• $V_1 = frac$
• $V_2 = frac$ – это фазовая скорость первой и второй волны.

Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $delta = m lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $sigma = 2m pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе. Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $delta = (2m +1)frac<2$, то $sigma = (2m+1) pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.

В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл. Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света. Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).

Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.

Так и не нашли ответ на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе нужна помощь

Свет как электромагнитная волна кратко

Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения — его спектральным составом.

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Скорость света в вакуумес= 299 792 458 м/с (точно, так как с 1983 года единица длины в СИ — метр — определяется как расстояние, проходимое светом за определённый промежуток времени).

Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае — от времени и координаты); в анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т.н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.

Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Скорость света

Скорость света в вакууме определяется в точности 299792458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают двигаются с точно такой же скоростью в вакууме.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером, датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио. Отмечая различия в очевидной период орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. [2] Тем не менее, её размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227000000 м/с.

Другой, более точный способ, измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направлен луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращаося к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения, луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313000000 м/с.

Леон Фуко использовал эксперимент, который использовал вращающееся зеркало, чтобы получить значение 298000000 м/с в 1862 году. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты на определение скорости света с 1877 г. до своей смерти в 1931 году. Он улучшил метод Фуко в 1926 году с использованием усовершенствованных вращающихся зеркал для измерения времени которое потребовалось свету, чтобы попутешествовать с горы Уилсон до горы Сан – Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скоростью 299796000 м/с.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе.

Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось “полностью остановить” свет, пропуская ее через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, [3] Тем не менее слово “остановить” в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет “остановился”, он перестал быть светом.