1. Сложение световых волн от естественных источников света.
2. Когерентные источники. Интерференция света.
3. Получение двух когерентных источников из одного точечного источника естественного света.
4. Интерферометры, интерференционный микроскоп.
5. Интерференция в тонких пленках. Просветление оптики.
6. Основные понятия и формулы.
7. Задачи.
Свет имеет электромагнитную природу, и распространение света - это распространение электромагнитных волн. Все оптические эффекты, наблюдаемые при распространении света, связаны с колебательным изменением вектора напряженности электрического поля Е, который называют световым вектором. Для каждой точки пространства интенсивность света I пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора волны, приходящей в эту точку: I ~ Е m 2 .
20.1. Сложение световых волн от естественных источников света
Выясним, что происходит в том случае, когда в данную точку приходят две световые волны с одинаковыми частотами и параллельными световыми векторами:
При этом для интенсивности света получается выражение
При получении формул (20.1) и (20.2) мы не рассматривали вопроса о физической природе источников света, создающих колебания Е 1 и Е 2 . По современным представлениям, элементарными источниками света являются отдельные молекулы. Излучение света молекулой происходит при ее переходе с одного энергетического уровня на другой. Длительность такого излучения очень мала (~10 -8 с), а момент излучения есть событие случайное. При этом образуется ограниченный во времени электромагнитный импульс протяженностью около 3 м. Такой импульс называется цугом.
Естественными источниками света являются тела, нагретые до высоких температур. Свет такого источника представляет собой совокупность огромного числа цугов, испущенных различными молекулами в различные моменты времени. Поэтому среднее значение cosΔφв формулах (20.1) и (20.2) получается равным нулю, и эти формулы принимают следующий вид:
Интенсивности естественных источников света в каждой точке пространства складываются.
Волновая природа света в данном случае не проявляется.
20.2. Когерентные источники. Интерференция света
Результат сложения световых волн будет иным, если разность фаз для всех цугов, приходящих в данную точку, будет иметь постоянное значение. Для этого необходимо использовать когерентные источники света.
Когерентными называются источники света одинаковой частоты, обеспечивающие постоянство разности фаз для волн, приходящих в данную точку пространства.
Световые волны, испущенные когерентными источниками, также называют когерентными волнами.
Рис. 20.1.
Сложение когерентных волн
Рассмотрим сложение двух когерентных волн, испущенных источниками S 1 и S 2 (рис. 20.1). Пусть точка, для которой рассматривается сложение этих волн, удалена от источников на расстояния s 1 и s 2 соответственно, а среды, в которых распространяются волны, имеют различные показатели преломления n 1 и n 2 .
Произведение длины пути, пройденного волной, на показатель преломления среды (s*n) называется оптической длиной пути.
Абсолютная величина разности оптических длин называется оптической разностью хода:
Мы
видим, что при сложении когерентных волн величина разности фаз в данной
точке пространства остается постоянной и определяется оптической
разностью хода и длиной волны. В тех точках, где выполняется условие
cosΔφ = 1, и формула (20.2) для интенсивности результирующей волны принимает вид
В этом случае интенсивность принимает максимально возможное значение.
Для точек, в которых выполняется условие
Таким
образом, при сложении когерентных волн происходит пространственное
перераспределение энергии - в одних точках энергия волны увеличивается, а
в других уменьшается. Это явление называется интерференцией.
Интерференция света - сложение когерентных световых волн, в результате которого происходит пространственное перераспределение энергии, приводящее к образованию устойчивой картины их усиления или ослабления.
Равенства (20.6) и (20.7) являются условиями максимума и минимума интерференции. Их удобнее записывать через разность хода.
Максимум интенсивности при интерференции наблюдается тогда, когда оптическая разность хода равна целому числу длин волн (четному числу полуволн).
Целое число k называется порядком интерференционного максимума.
Аналогично получается условие минимума:
Минимум интенсивности при интерференции наблюдается тогда, когда оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.
Интерференция волн проявляется особенно отчетливо, когда интенсивности волн близки. В этом случае в области максимума интенсивность в четыре раза превышает интенсивность каждой волны, а в области минимума интенсивность практически равна нулю. Получается интерференционная картина из ярких светлых полос, разделенных темными промежутками.
20.3. Получение двух когерентных источников из одного точечного источника естественного света
До изобретения лазера когерентные источники света создавали путем расщепления световой волны на два пучка, которые интерферировали между собой. Рассмотрим два таких метода.
Метод Юнга (рис. 20.2). На пути волны, идущей от точечного источника S, установлена непрозрачная преграда с двумя небольшими отверстиями. Эти отверстия и являются когерентными источниками S 1 и S 2 . Так как вторичные волны, исходящие из S 1 и S 2 , принадлежат одному волновому фронту, то они являются когерентными. В области перекрытия этих световых пучков наблюдается интерференция.
Рис. 20.2.
Получение когерентных волн методом Юнга
Обычно отверстия в непрозрачной преграде делают в виде двух узких параллельных щелей. Тогда интерференционная картина на экране представляет собой систему светлых полос, разделенных темными промежутками (рис. 20.3). Светлая полоса, соответствующая
Рис. 20.3.
Интерференционная картина, соответствующая методу Юнга, k - порядок спектра
максимуму нулевого порядка, располагается в центре экрана таким образом, что расстояния до щелей одинаковы. Справа и слева от нее располагаются максимумы первого порядка и т.д. При освещении щелей монохроматическим светом светлые полосы имеют соответствующий цвет. При использовании белого света максимум нулевого порядка имеет белый цвет, а остальные максимумы имеют радужную окраску, так как максимумы одного порядка для разных длин волн образуются в разных местах.
Зеркало Ллойда (рис. 20.4). Точечный источник S находится на небольшом расстоянии от поверхности плоского зеркала М. Интерферируют прямой и отраженный лучи. Когерентными источниками являются первичный источник S и его мнимое изображение в зеркале S 1 . В области перекрытия прямого и отраженного пучков наблюдается интерференция.
Рис. 20.4.
Получение когерентных волн с использованием зеркала Ллойда
20.4. Интерферометры, интерференционный
микроскоп
На использовании интерференции света основано действие интерферометров. Интерферометры предназначены для измерения показателей преломления прозрачных сред; для контроля формы, микрорельефа и деформации поверхностей оптических деталей; для обнаружения примесей в газах (используются в санитарной практике для контроля чистоты воздуха в помещениях и шахтах). На рисунке 20.5 показана упрощенная схема интерферометра Жамена, который предназначен для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе.
Лучи белого света проходят через два отверстия (метод Юнга), а затем через две одинаковые кюветы К 1 и К 2 , заполненные веществами с различными показателями преломления, один из которых известен. Если бы показатели преломления были одинаковы, то белый интерференционный максимум нулевого порядка располагался бы в центре экрана. Различие в показателях преломлений приводят к появлению оптической разности хода при прохождении кювет. В результате максимум нулевого порядка (его называют ахроматическим) смещается относительно центра экрана. По величине смещения определяют второй (неизвестный) показатель преломления. Приведем без вывода формулу для определения разности между показателями преломления:
где k - число полос, на которое сместился ахроматический максимум; l - длина кюветы.
Рис. 20.5.
Ход лучей в интерферометре:
S - источник, узкая щель, освещенная монохроматическим светом; Л - линза, в фокусе которой находится источник; К - одинаковые кюветы длины l ; Д - диафрагма с двумя щелями; Э -экран
С помощью интерферометра Жамена можно определять разницу в показателях преломления с точностью до шестого десятичного знака. Столь высокая точность позволяет обнаруживать даже небольшие загрязнения воздуха.
Интерференционный микроскоп представляет собой сочетание оптического микроскопа и интерферометра (рис. 20.6).
Рис. 20.6.
Ход лучей в интерференционном микроскопе:
М - прозрачный объект; Д - диафрагма; О - окуляр микроскопа для
наблюдения интерферирующих лучей; d - толщина объекта
В связи с разницей показателей преломления объекта М и среды лучи приобретают разность хода. В результате между объектом и средой образуется световой контраст (при монохроматическом свете) или объект станет окрашенным (при белом свете).
Этот прибор применяется для измерения концентрации сухого вещества, размеров прозрачных неокрашенных микрообъектов, которые неконтрастны в проходящем свете.
Разность хода определяется толщиной d объекта. Оптическую разность хода можно измерить с точностью до сотых долей длины волны, что дает возможность количественно исследовать структуру живой клетки.
20.5. Интерференция в тонких пленках. Просветление оптики
Хорошо известно, что пятна бензина на поверхности воды или поверхность мыльного пузыря имеют радужную окраску. Радужную окраску имеют и прозрачные крылья стрекоз. Возникновение окраски объясняется интерференцией световых лучей, отраженных
Рис. 20.7.
Отражение лучей в тонкой пленке
от передней и задней сторон тонкой пленки. Рассмотрим это явление подробнее (рис. 20.7).
Пусть луч 1 монохроматического света падает из воздуха на переднюю поверхность мыльной пленки под некоторым углом α. В точке падения наблюдаются явления отражения и преломления света. Отраженный луч 2 возвращается в воздушную среду. Преломленный луч отражается от задней поверхности пленки и, преломившись на передней поверхности, выходит в воздушную среду (луч 3) параллельно лучу 2.
Пройдя через оптическую систему глаза, лучи 2 и 3 пересекаются на сетчатке, где и происходит их интерференция. Расчеты показывают, что для мыльной пленки, находящейся в воздушной среде, разность хода между лучами 2 и 3 вычисляется по формуле
Различие связано с тем, что при отражении света от оптически более плотной
среды
его фаза изменяется на π, что равносильно изменению оптической длины
пути луча 2 на λ/2. При отражении от менее плотной среды изменения фазы
не происходит. У пленки бензина на поверхности воды отражение от более
плотной среды происходит дважды.
Поэтому добавка λ/2 появляется у обоих интерферирующих лучей. При нахождении разности хода она уничтожается.
Максимум интерференционной картины получается для тех углов зрения (α), которые удовлетворяют условию
Если бы мы смотрели на пленку, освещенную монохроматическим светом, то мы бы видели несколько полос соответствующего цвета, разделенных темными промежутками. При освещении пленки белым светом мы видим интерференционные максимумы различных цветов. Пленка при этом приобретает радужную окраску.
Явление интерференции в тонких пленках используется в оптических устройствах, уменьшающих долю световой энергии, отраженной оптическими системами, и увеличивающих (вследствие закона сохранения энергии), следовательно, энергию, поступающую к регистрирующим системам - фотопластинке, глазу.
Просветление оптики. Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является «просветление» оптики. В современных оптических системах используются многолинзовые объективы с большим числом отражающих поверхностей. Потери света при отражении могут достигать 25 % в объективе фотоаппарата и 50 % в микроскопе. Кроме того, многократные отражения ухудшают качество изображения, например, возникает фон, уменьшающий его контрастность.
Для уменьшения интенсивности отраженного света объектив покрывают прозрачной пленкой, толщина которой равна 1 / 4 длины волны света в ней:
где λ П - длина световой волны в пленке; λ - длина световой волны в вакууме; n - показатель преломления вещества пленки.
Обычно ориентируются на длину волны, соответствующую середине спектра используемого света. Материал пленки подбирают так, чтобы его показатель преломления был меньше, чем у стекла объектива. В этом случае для вычисления разности хода используется формула (20.11).
Основная доля света падает на объектив под малыми углами. Поэтому можно положить sin 2 α ≈ 0. Тогда формула (20.11) принимает следующий вид:
Таким образом, лучи, отраженные от передней и задней поверхностей пленки, находятся в противофазе и при интерференции почти полностью гасят друг друга. Это имеет место в средней части спектра. Для других длин волн интенсивность отраженного пучка также уменьшается, хотя и в меньшей степени.
20.6. Основные понятия и формулы
Окончание таблицы
20.7. Задачи
1. Какова пространственная протяженность L цуга волн, образующегося за время t высвечивания атома?
Решение
L = c*t = 3х10 8 м/сх10 -8 с = 3 м. Ответ: 3 м.
2. Разность хода волн от двух когерентных источников света равна 0,2 λ. Найти: а) чему равна при этом разность фаз, б) каков результат интерференции.
3.
Разность
хода волн от двух когерентных источников света в некоторой точке экрана
равна δ = 4,36 мкм. Каков результат интерференции, если длина волны λ
равна: а) 670; б) 438; в) 536 нм?
Ответ:
а) минимум; б) максимум; в) промежуточная точка между максимумом и минимумом.
4. На мыльную пленку (n = 1,36) падает белый свет под углом 45°. При какой наименьшей толщине пленки h она приобретет желтоватый оттенок (λ = 600 нм) при рассматривании ее в отраженном свете?
5.
Мыльная
пленка толщиной h = 0,3 мкм освещается белым светом, падающим
перпендикулярно ее поверхности (α = 0). Пленка рассматривается в
отраженном свете. Показатель преломления мыльного раствора равен n =
1,33. Какого цвета будет при этом пленка?
6.
Интерферометр освещается монохроматическим светом с λ
= 589 нм. Длина кювет l
=
10 см. Когда воздух в одной кювете заменили на аммиак, ахроматический
максимум сместился на k = 17 полос. Показатель преломления воздуха n 1 = 1,000277. Определить показатель преломления аммиака n 1 .
n 2 = n 1 + kλ/l = 1,000277 + 17*589*10 -7 /10 = 1,000377.
Ответ: n 1 = 1,000377.
7. Для просветления оптики применяют тонкие пленки. Какой толщины должна быть пленка, чтобы пропускать без отражения свет длины волны λ = 550 нм? Показатель преломления пленки n = 1,22.
Ответ: h = λ/4n = 113 нм.
8. Как по внешнему виду отличить просветленную оптику? Ответ: Так как нельзя одновременно погасить свет всех длин
волн, то добиваются гашения света, соответствующего середине спектра. Оптика приобретает фиолетовую окраску.
9. Какую роль выполняет покрытие с оптической толщиной λ/4, нанесенной на стекло, если показатель преломления вещества покрытия больше показателя преломления стекла?
Решение
В этом случае происходит потеря полуволны только на границе пленка-воздух. Поэтому разность хода получается равной λ вместо λ/2. При этом отраженные волны усиливают, а не гасят друг друга.
Ответ: покрытие является отражающим.
10. Лучи света, падающие на тонкую прозрачную пластинку под углом α = 45°, окрашивают ее при отражении в зеленый цвет. Как будет меняться цвет пластинки при изменении угла падения лучей?
При α = 45° условия интерференции соответствуют максимуму для зеленых лучей. При увеличении угла левая часть уменьшается. Следовательно, должна уменьшаться и правая часть, что соответствует увеличению λ.
При уменьшении угла λ будет уменьшаться.
Ответ: при увеличении угла окраска пластинки будет постепенно меняться в сторону красного цвета. При уменьшении угла окраска пластинки будет постепенно меняться в сторону фиолетового цвета.
Освещение требуется человеку не только для ориентации и совершения каких-либо действий в темноте, но и для поддержания психологического здоровья, комфорта. Кроме того, искусственное освещение позволяет работникам продолжать выполнять свои обязанности в вечернее и ночное время. Однако выбирать светильники и лампы следует, учитывая их характеристики, наиболее важной из которых является световая отдача, которая измеряется в люменах на ватты (лм/Вт). В самом помещении также необходимо контролировать уровень освещенности, и с учетом этого подбирать ее источники.
Виды света
Самым полезным и безопасным освещением является, конечно, природное. Оно обладает теплым оттенком и не наносит вреда глазам.
Обратите внимание! По своим параметрам ближе всего к данному типу находились лампы накаливания, которые характеризовались красноватым свечением. Они не вызывали раздражения глаз и по излучаемому спектру были практически идентичными естественному освещению от солнца, попадающему через окна в помещения.
Развитие технологий привело к появлению множества вариантов приборов освещения, поэтому при покупке следует обращать внимание на характеристики, которые указываются на упаковке лампы.
Дополнительная информация. Так, теплый свет рекомендуется размещать в квартирах или жилых домах, нейтральный – для освещения офисов и производственных цехов. Холодный – эффективно применяется в помещениях, где осуществляется работа с мелкими деталями. Также его часто применяют в субтропическом климате, где благодаря такому оттенку создается ощущение прохлады.
Таким образом, выбор лампочки влияет не только на освещенность пространства, но и на морально-психологическое состояние сотрудника на производстве или человека в квартире.
Характеристики светового потока
Приобретая лампочки, покупатели часто не знают или не задумываются над ответом на вопрос, в чем измеряется свет, а между тем таких показателей довольно много:
- Светоотдача;
- Сила света;
- Интенсивность;
- Яркость.
Все это физические свойства светового потока, которые могут быть измерены специальными приборами, их следует учитывать в обязательном порядке при планировании освещения помещения (осуществляя расчет необходимого количества приборов освещения в каждой комнате или кабинете), ведь это влияет на здоровье глаз и нервной системы.
Светоотдача
Световая отдача является самым важным параметром. Она отражает соотношение светового потока, который излучается лампочкой или другим прибором, к потребляемой им мощности. Соответственно, его единицами измерения являются люмены на ватт (лм/Вт). Данный параметр позволяет оценить экономическую эффективность способа освещения.
Чем выше световая отдача, тем более эффективно расходуется энергия, а значит, оптимизируются расходы на коммунальные услуги, что приобретает особую актуальность в условиях постоянного роста тарифов. По этой причине высокой популярностью пользуются энергосберегающие лампы, которые обеспечивают одно из самых высоких соотношений лм/Вт.
Сила света
Характеристикой излучения является не только световая отдача, но и сила, с которой его энергия перемещается из одной точки пространства в другую в течение определенного временного промежутка. Необходимо учитывать, что сила света может изменять направление движения в зависимости от условий, задаваемых прибором, формирующим поток.
Измерить данный параметр можно в канделах.
Важно! Выбирая лампу, на описываемый параметр следует также обращать внимание, только зависимость не настолько прямая, как в случае со световой отдачей. Уровень силы следует подбирать, исходя из нормативного значения, которое должна иметь единица яркости светящейся поверхности. Данный показатель можно найти в различных стандартах, а также строительных нормах и правилах. Он изменяется в зависимости от назначения помещения, его конфигурации и так далее.
Интенсивность освещения
Данная характеристика часто называется освещенностью или насыщенностью. Она представляет собой соотношение светового потока к площади объекта, на который он падает. Данная единица яркости светящейся поверхности измеряется в люксах.
Яркость
Сила света, деленная на единицу площади, называется яркостью. Измеряется она в канделах на квадратный метр. Источник распространяет излучение, которое освещает определенную площадь. Чем выше такая площадь, тем, соответственно, больше яркость света. Данный параметр также характеризует эффективность источника освещения, а ее измерение требуется, чтобы посчитать необходимое количество световых приборов в помещении и, соответственно, спроектировать их расположение и проводку.
Таким образом, у светового потока есть несколько параметров, и не всегда понятно, на какие из них обращать внимание в процессе приобретения приборов освещения. Рядовому потребителю сложно разобраться, что такое световая отдача, чем отличается насыщенность от яркости и так далее. Более того, единицы измерения, которые указаны на коробках, тоже являются малоинформативными для непосвященного человека: лм/Вт, кд, кд/кв.м, все это похоже на иероглифы, из которых не понятно, сколько лампочек и с какими характеристиками необходимо приобрести. Поэтому, чтобы рассчитать количество приборов освещения, рекомендуется либо воспользоваться услугами профессионалов, либо специальным калькулятором, который можно найти в сети Интернет.
Видео
Рассмотрим элементарную площадку с площадью , расположенную в пространстве, заполненном излучением от разных источников. Будем характеризовать ориентацию площадки в пространстве вектором нормали к ее поверхности.
Важное свойство интенсивности: эта величина характеризует излучательные свойства источника и не зависит от того, на каком расстоянии от него поместить элементарную площадку. Отодвинем площадку на некоторое расстояние. Действительно с ростом расстояния r до источника мощность излучения, проходящего через площадку, падает как r 2 , но по такому же закону падает и телесный угол, под которым виден источник. Элементарную площадку можно совместить с наблюдателем, а можно представить находящейся на поверхности источника. Интенсивность будет той же самой.
Определение. Интенсивность излучения – это мощность световой энергии (поток излучения за единицу времени), проходящей через площадку единичного сечения, расположенную перпендикулярно выбранному направлению в единичном телесном угле.
Кандела – (СВЕЧА МЕЖДУНАРОДНАЯ до 1970) единица измерения интенсивности (силы света), равная силе света такого точечного источника, который испускает световой поток в один люмен внутри единичного телесного угла (стерадиана), то есть 1кд =1лм/ср
Интенсивность лучистой энергии имеет размерность – вт/ср, эрг/сек*ср
Надо еще учесть ориентацию площадки в пространстве. В общем случае, если угол между нормалью и выбранным направлением равен q, то
где = - элемент телесного угла.
Телесный угол, под которым виден источник, выражается равенством:
где S –площадь вырезаемая конусом на сфере радиусом r . При телесный угол равен 1.
Эта величина называется стерадианом . Все пространство имеет телесный угол, равный 4p.
Таким образом, интенсивность источника это поток излучения в пределах телесного угла равного стерадиану.
Определение. Источник называют изотропно излучающим, если его интенсивность не зависит от направления в пространстве.
Из (2.1) можно получить мощность излучения, проходящего через единичную площадку. Для этого проинтегрируем интенсивность по телесному углу.
Для изотропного поля излучения получаем полный поток через площадку по формуле = 0. Для изотропно излучающей бесконечной площади интегрирование по полусфере дает поток
Освещенность.
Рассмотрим поток от источника в месте наблюдения. При отсутствии поглощения поток падает с расстоянием как из-за уменьшения телесного угла, под которым виден источник. Поэтому поток можно рассматривать как освещенность в месте наблюдения, создаваемая источником.
Определение. Освещенность E – это световой поток на единицу площади.
С учетом (2.2) получаем:
Если площадка, ограничивающая конус, расположена под углом q к нормали, то в общем виде можно записать выражение для освещенности площадки в виде:
За единицу освещенности принимается люкс – когда через площадку 1м 2 проходит поток равный 1 люмену. 1лк = 1лм/м 2
Освещенность в энергетических единицах - вт/см 2 , эрг/сек*см 2
От точечного источника телескоп может регистрировать только поток излучения, а не интенсивность. Рассмотрим излучение от звезды радиуса R , которую можно представить в виде сферически-симметричного изотропного источника, находящегося на расстоянии r. Непосредственно измеряемый поток от звезды будет:
где - интенсивность в точке приемника (телескопа), а = - телесный угол под которым видна звезда. Поток с единицы поверхности от звезды для изотропной интенсивности есть просто = . В отсутствии поглощения = . Поэтому для измеряемой величины находим:
= (2.7)
Так как , то переход от непосредственно измеряемой величины к интенсивности возможен, если только известен угловой диаметр R/r источника, то есть если он не воспринимается как точечный.
Цели обучения: ввести и сформировать понятия интенсивности, давления и импульса электромагнитной волны; теоретически и экспериментально обосновать эти понятия.
Цели развития: совершенствовать критичность мышления, умения рассуждать по аналогии; способности применять теоретические знания для объяснения физических явлений.
Цели воспитания: развивать волевые, мотивационные и толерантные характеристики личности.
Дидактические средства:
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. – М.: Просвещение, 2004.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2002.
- Электронная версия опорного конспекта урока; видеофрагменты демонстрационных опытов.
- Комплект для изучения электромагнитных волн (выпускается ЗАО НПК «Компьютерлинк»), вольтметр, миллиамперметр, регулируемый источник напряжения.
5.1. Введение
Учитель. Сегодня мы продолжим знакомство с важнейшими характеристиками электромагнитной волны как материального объекта. Перенос энергии волной характеризуется специальной величиной, которая называется интенсивностью . Электромагнитная волна, падая на препятствие, оказывает на него давление. При этом препятствие приобретает импульс, следовательно, импульсом обладает само электромагнитное излучение. Давление и импульс доступной нам электромагнитной волны ничтожно малы, поэтому мы не сможем измерить их в учебных опытах. Однако мы сумеем объяснить их существование и оценить значения соответствующих величин.
5.2. Интенсивность электромагнитной волны
Учитель. Вспомните, как математически записывается гармоническая волна и как выражается её энергия.
Учащиеся.
Уравнение для напряжённости электрического поля в гармонической электромагнитной волне имеет вид 
где
а плотность её энергии:
ω = ε 0 εE 2 . (5.2)
Учитель. Произведение плотности энергии на скорость волны называется поверхностной плотностью потока энергии j = ωυ .
Учащиеся. Неужели мы должны запомнить этот длинный термин?!
Учитель. Нет, конечно. Но авторы школьных учебников почему-то очень любят его, поэтому, если вы хотите получить высшее образование, познакомиться с этим термином и его фамильярным вариантом «плотность потока энергии», хочешь-не хочешь, а запомнить придётся.
Учащиеся. Тогда нужно по крайней мере понять, откуда он взялся.
Учитель. Волна, проходящая по нормали через площадку S за время t , занимает объём V = sυt (рис. 5.1). Так как плотность энергии равна энергии в единице объёма: ω = W/V , – то поверхностную плотность потока энергии можно записать в виде:
Отношение энергии волны W ко времени t , в течение которого она проходит через поверхность, называется потоком энергии. А отношение потока энергии к площади поверхности, через которую он проходит, естественно назвать поверхностной плотностью потока энергии .
Учащиеся. Теперь понятно, что это просто энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, или мощность излучения, проходящая через единицу площади.
Учитель. Выясните, как зависит поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны от её частоты.
Учащиеся. Из формул (5.1), (5.2) и (5.3) получаем:
Так как косинус здесь получился в квадрате, то поверхностная плотность потока энергии электромагнитной волны колеблется с частотой, в два раза превышающей частоту волны. Как измерить эту величину?
Учитель. Измеряют не мгновенное, а среднее по времени значение плотности потока энергии, которое называют интенсивностью волны . Вы хорошо знаете, что среднее значение квадрата косинуса равно 1/2. Подставляя его в предыдущую формулу и учитывая выражения для E m (5.1) и для после небольших преобразований можно получить, что интенсивность гармонической волны равна
где K – постоянный коэффициент. Проанализируйте этот результат.
Учащиеся. Из формулы (5.4) следует, что интенсивность электромагнитной волны, испускаемой гармоническим осциллятором, при прочих равных условиях пропорциональна четвёртой степени её частоты и обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного волной.
Учитель. Дайте ещё один вариант определения интенсивности волны и качественно объясните, почему интенсивность электромагнитной волны пропорциональна четвёртой степени её частоты.
Учащиеся. Интенсивность волны есть средняя по времени энергия W cр, проходящая через единицу площади за единицу времени:
Значит, интенсивность пропорциональна энергии волны J ~ W cр. А энергия пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля W cр ~E m 2 . В свою очередь напряжённость электрического поля пропорциональна ускорению излучающего волну заряда E m ~ a m , а ускорение пропорционально квадрату частоты колебаний заряда a m ~ ω 2 . Отсюда следует, что интенсивность пропорциональна четвёртой степени частоты:
J ~ W cр ~ E m 2 ~ a m 2 ~ ω 4 . (5.6)
Учитель. Уточните, какие значения напряжённости и ускорения вы имеете в виду.
Учащиеся. Мы говорим об амплитуде напряжённости электрического поля E m электромагнитной волны и амплитуде ускорения a m гармонически колеблющегося заряда.
Учитель. А почему интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния?
Учащиеся. Потому, что напряжённость электрического поля электромагнитной волны, созданной колеблющимся зарядом, обратно пропорциональна расстоянию до заряда, а интенсивность волны пропорциональна квадрату напряжённости.
5.3. Экспериментальное исследование излучения диполя
Учитель. На опыте исследуем зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния до излучающего вибратора. Для этого рядом с лампой приёмного диполя (2,5 В; 0,15 А) расположим точно такую же лампу накаливания, через амперметр подключим её к регулируемому источнику постоянного напряжения и параллельно этой эталонной лампе включим вольтметр. Установим расстояние между излучающим и приёмным диполями 10 см и, регулируя напряжение источника, добьёмся, чтобы яркость эталонной лампы стала равна яркости приёмной (рис. 5.2, а ). Тогда можно утверждать, что в эталонной лампе выделяется та же мощность, что и в приёмной. Вычислите её.
Учащиеся. Приборы показывают, что сила тока и напряжение на эталонной лампе соответственно равны I 1 = 0,111 А и U 1 = 1,8 В, значит, искомая мощность P 1 = U 1 I 1 = 0,20 Вт.
Учитель. Теперь удалим приёмный диполь на расстояние 20 см от излучающего, повторим измерения и сделаем выводы.
Учащиеся. Получилось I 2 = 0,087 А и U 2 = 1,2 В (рис. 5.2, б ), поэтому P 2 = U 2 I 2 = 0,10 Вт. Отношение P 1 / P 2 равно двум, а не четырём, как следовало ожидать! Неужели в теории ошибка?
Учитель. Прежде чем менять теорию, посмотрим соответствуют ли её исходным данным условия эксперимента. Вспомним, при рассмотрении распространения энергии от излучающего диполя мы молчаливо предполагали, что она во все стороны излучается одинаково. Иначе говоря, мы допускали, что диполь является изотропным источником . В таком случае электромагнитная энергия равномерно распределяется по сферической поверхности. Так как площадь сферы S = 4πr 2 пропорциональна квадрату её радиуса, то мощность, приходящаяся на единицу площади, т.е. интенсивность волны, обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Учащиеся. Нужно исследовать, как излучает диполь по разным направлениям, и тогда сделать вывод об интенсивности излучения.
Учитель. Параллельно излучающему диполю располагаю приёмный так, чтобы яркость его лампы стала максимальной, и перемещаю его по окружности с центром в центре излучающего диполя (рис. 5.3). Сделайте вывод из результата эксперимента.
Учащиеся. Во всех точках окружности лампа приёмного диполя горит с одинаковым накалом. Значит, во всех направлениях, перпендикулярных излучающему диполю, интенсивность электромагнитной волны одинакова.
Учитель. Теперь я перемещаю и поворачиваю приёмный диполь в плоскости, проходящей через излучающий диполь (рис. 5.4). Делаю это так, чтобы приёмный диполь, двигаясь по окружности с центром в излучающем диполе, был направлен по касательной к этой окружности. Что вы наблюдаете и к какому выводу приходите?
Учащиеся. Лампа горит всё слабее по мере того, как приёмный диполь поворачивается относительно излучающего. Значит, соединённый с генератором диполь даёт максимум излучения в направлении, перпендикулярном диполю, и совершенно не излучает в направлении самого диполя.
Учитель. Если в полярной системе координат построить график зависимости интенсивности электромагнитной волны от угла между диполем и направлением излучения, то получится диаграмма направленности полуволнового диполя, подобная показанной на рис. 5.4 (длина стрелок пропорциональна интенсивности). Вернитесь теперь к опыту, в котором мы измеряли зависимость интенсивности электромагнитной волны от расстояния, и попробуйте объяснить его результат.
Учащиеся. Проделанный только что опыт показывает, что диполь не является изотропным источником электромагнитной волны: излучение распространяется в основном в плоскости, перпендикулярной излучающему диполю и проходящей через его центр. Значит, излучаемая энергия вблизи диполя приходится не на сферическую, а на цилиндрическую поверхность. Площадь боковой поверхности цилиндра пропорциональна его радиусу. Поэтому и интенсивность излучения диполя обратно пропорциональна не квадрату расстояния, а просто расстоянию до источника.
Учитель. Заметьте, что и приёмник не является изотропным: его чувствительность также зависит от направления, под которым на него падает волна. В теоретической модели мы полагали источник и приёмник точечными и изотропными. Нетрудно сообразить, что условия этой модели будут выполнены, если расстояние между источником и приёмником значительно превышает их размеры.
5.4. Давление и импульс электромагнитной волны
Учитель. Опыты показывают, что электромагнитная волна переносит энергию, значит, падая на препятствия, она должна оказывать на них давление. Корректно вывести соответствующую формулу довольно сложно, поэтому воспользуемся гидродинамической аналогией. Представьте, что по трубе, площадь сечения которой S со скоростью u течёт вода (рис. 5.5). Плотность энергии в движущейся воде очевидно равна ω = W/V = mu 2 /(2V ) = ρu 2 /2, где ρ – плотность воды. Внезапно отверстие трубы перекрывают заслонкой. Что при этом происходит?
Учащиеся. Вода возле заслонки останавливается и сжимается. Фронт сжатия распространяется со скоростью перемещения упругой деформации υ навстречу движущейся воде. Скорость υ – это скорость упругой волны или скорость звука в воде.
Учитель. Верно. Применим к рассматриваемому явлению закон сохранения импульса. За небольшое время τ заслонкой останавливается объём воды Sυ τ массой ρSυ τ, который передаёт заслонке импульс ρSυ τu . При этом на заслонку действует сила F , импульс которой равен F τ. Приравнивая два последних выражения, после сокращения на время τ получаем равенство ρSυu = F . Отсюда давление внезапно остановленного потока воды равно P = F/S = ρuυ .
Учащиеся. Но скорость звука в воде равна 1500 м/с, неужели так сильно растёт давление?
Учитель. Именно так, и это явление называется гидродинамическим ударом. К слову сказать, его теорию создал наш соотечественник Н.Е.Жуковский. Но не будем отвлекаться. Допустим, что вода в трубе течёт со скоростью упругой волны u = υ . Что отсюда следует?
Учащиеся. Тогда возникающее давление равно P = ρuυ = ρu 2 . Так как плотность энергии в текущей воде ω = ρu 2 /2, то мы должны заключить, что давление при внезапной остановке воды составляет P = 2ω.
Учитель. Вы только что нашли формулу для давления, которое оказывает на полностью отражающее препятствие падающая на него нормально упругая волна. Но если эта формула справедлива для упругих волн, то почему бы не предположить, что она будет справедлива и для электромагнитных?
Учащиеся. Тогда можно считать, что электромагнитная волна оказывает на отражающее её препятствие или зеркало давление, равное удвоенной плотности энергии падающей волны. Если волна распространяется в вакууме, то её скорость υ = c и с учётом выражения для интенсивности J = ω cр υ = ω cр с . (5.5) имеем:
P = 2ω cр = 2J/c . (5.7)
Учитель. Поскольку электромагнитная волна оказывает давление, она должна обладать импульсом. Попробуйте найти формулу для импульса электромагнитного излучения. Для этого рассмотрите отражение короткого всплеска электромагнитного излучения от зеркала.
Учащиеся. Если импульс электромагнитной волны p, то при полном отражении её от зеркала за время t изменение импульса составляет 2p . Зеркало за то же время t получает импульс Ft = PSt = 2p . Так как давление P = 2J/c (5.7), то, подставляя это выражение в предыдущую формулу, получаем, что импульс электромагнитной волны p = J/c · St .
Учитель. Ещё раз вспоминая выражение для интенсивности J = W cр / St (5.5), получаем
p = W cр /с . (5.8)
Таким образом, импульс электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме, равен средней по времени энергии волны, делённой на скорость света в вакууме.
5.5. Почему электромагнитная волна оказывает давление?
Учитель. Нам теперь нужно установить физическую причину, по которой электромагнитная волна оказывает давление. Напротив излучающего диполя я располагаю приёмный с лампой накаливания. Докажите, что в электромагнитном поле на диполь действует сила в направлении распространения волны.
Учащиеся. Под действием электрического поля волны электроны в приёмном диполе приходят в колебательное движение. При этом по диполю идёт переменный электрический ток, о чём свидетельствует свечение лампы. Но откуда берётся сила?
Учитель. Не забывайте, что в электромагнитной волне помимо электрического имеется магнитное поле.
Учащиеся. Тогда понятно! На ток в проводнике со стороны магнитного поля действует сила Ампера (рис. 5.6). Чтобы определить её направление, применим правило левой руки. Получается, что сила F на диполь действует в направлении распространения электромагнитной волны. В следующий полупериод переменного тока в диполе направление индукции сменится на противоположное, но направление силы Ампера не изменится.
Учитель. Вычисления, которые мы проводить не будем, показывают, что среднее по времени значение действующей на электроны силы Лоренца, которая приходится на единицу площади отражающего проводника, в точности совпадает с выражением (5.7). Поэтому гидродинамическая аналогия (рис. 5.5), использованная нами в теоретической модели, вполне уместна.
5.6. Заключение
Учитель. Что нового вы узнали на этом уроке? Чему вы научились? Что произвело на вас наибольшее впечатление?
Учащиеся. Мы узнали, что такое интенсивность, давление и импульс электромагнитной волны, а также, как они связаны друг с другом. Выяснили, как интенсивность зависит от частоты и расстояния, проходимого волной. Научились экспериментально определять интенсивность электромагнитного излучения. Очень интересна аналогия между течением воды и распространением волны. Убедительны опыты, в которых определяется пространственное распределение интенсивности электромагнитного излучения диполя.
Учитель. Как обычно, домашнее задание даётся тем, кому интересно его выполнять, или тем, кто хочет повторить пройденное, узнать новое, углубить свои знания и умения. Материал для выполнения задания вы найдёте в учебниках физики и в электронной версии опорного конспекта урока.
Статья подготовлена при поддержке банка лекций www.Siblec.Ru. Если Вы решили приобрести или расширить свои знания в разных областях науки и техники, то оптимальным решением станет зайти на сайт www.Siblec.Ru. Перейдя по ссылке: «лекции по физике », вы сможете, не потратив много времени, получить доступ к лекциям по физике и по другим научным дисциплинам. Банк лекций www.Siblec.Ru постоянно обновляется, поэтому вы всегда сможете найти свежий и актуальный материал.
- Дайте определение поверхностной плотности потока излучения. Что понимают под точечным источником электромагнитного излучения? Как плотность потока излучения зависит от частоты и расстояния до источника? [Г.Я.Мякишев , § 50; В.А.Касьянов , § 49.]
- Что такое интенсивность электромагнитной волны? Как зависит интенсивность от частоты волны? По какому закону убывает интенсивность электромагнитной волны, испускаемой точечным источником? [Г.Я.Мякишев , § 50; В.А.Касьянов , § 49.]
- Как определяются давление и импульс электромагнитной волны? В чём суть опытов П.Н.Лебедева по определению давления света? [Г.Я.Мякишев , § 92; В.А.Касьянов , § 50.]
- Сделайте вывод формулы (5.4) для интенсивности гармонической электромагнитной волны. [ОК.]
- Как экспериментально доказать, что излучающий диполь не является изотропным источником электромагнитной волны? [ОК.]
- Мощность излучения точечного изотропного источника электромагнитной волны 2 Вт. Чему равна интенсивность на расстоянии 1 м от источника?
- В некоторой области интенсивность электромагнитного излучения составляет 1 Вт/м 2 . Чему равны напряжённость электрического и индукция магнитного полей в этой области?
Таким образом, в геометрической оптике световую волну можно рассматривать как пучок лучей. Лучи, однако, сами по себе определяют лишь направление распространения света в каждой точке; остается вопрос о распределении интенсивности света в пространстве.
Выделим на какой-либо из волновых поверхностей рассматриваемого пучка бесконечно малый элемент. Из дифференциальной геометрии известно, что всякая поверхность имеет в каждой своей точке два, вообще говоря, различных главных радиуса кривизны.
Пусть (рис. 7) - элементы главных кругов кривизны, проведенные на данном элементе волновой поверхности. Тогда лучи, проходящие через точки а и с, пересекутся друг с другом в соответствующем центре кривизны а лучи, проходящие через b и d, пересекутся в другом центре кривизны .
При данных углах раствора лучей, исходящих из длины отрезков пропорциональны соответствующим радиусам кривизны (т. е. длинам и ); площадь элемента поверхности пропорциональна произведению длин , т. е. пропорциональна Другими словами, если рассматривать элемент волновой поверхности, ограниченный определенным рядом лучей, то при движении вдоль них площадь этого элемента будет меняться пропорционально .
С другой стороны, интенсивность, т. е. плотность потока энергии, обратно пропорциональна площади поверхности, через которую проходит данное количество световой энергии. Таким образом, мы приходим к выводу, что интенсивность
Эту формулу надо понимать следующим образом. На каждом данном луче (АВ на рис. 7) существуют определенные точки и , являющиеся центрами кривизны всех волновых поверхностей, пересекающих данный луч. Расстояния и от точки О пересечения волновой поверхности с лучом до точек являются радиусами кривизны волновой поверхности в точке О. Таким образом, формула (54,1) определяет интенсивность света в точке О на данном луче как функцию от расстояний до определенных точек на этом дуче. Подчеркнем, что эта формула непригодна для сравнения интенсивностей в разных точках одной и той же волновой поверхности.
Поскольку интенсивность определяется квадратом модуля поля, то для изменения самого поля вдоль луча мы можем написать:
где в фазовом множителе под R может поразумеваться как так и величины отличаются друг от друга только постоянным (для данного луча) множителем, поскольку разность , расстояние между обоими центрами кривизны, постоянна.
Если оба радиуса кривизны волновой поверхности совпадают, то (54,1) и (54,2) имеют вид
Это имеет место, в частности, всегда в тех случаях, когда свет испускается точечным источником (волновые поверхности являются тогда концентрическими сферами, a R - расстоянием до источника света).
Из (54,1) мы видим, что интенсивность обращается в бесконечность в точках т. е. в центрах кривизны волновых поверхностей. Применяя это ко всем лучам в пучке, находим, что интенсивность света в данном пучке обращается в бесконечность, вообще говоря, на двух поверхностях - геометрическом месте всех центров кривизны волновых поверхностей. Эти поверхности носят название каустик. В частном случае пучка лучей со сферическими волновыми поверхностями обе каустики сливаются в одну точку {фокус).
Отметим, что, согласно известным из дифференциальной геометрии свойствам геометрического места центров кривизны семейства поверхностей, лучи касаются каустик.
Надо иметь в виду, что (при выпуклых волновых поверхностях) центры кривизны волновых поверхностей могут оказаться лежащими не на самих лучах, а на их продолжениях за оптическую систему, от которой они исходят. В таких случаях говорят о мнимых каустиках (или мнимых фокусах). Интенсивность света при этом нигде не обращается в бесконечность.
Что касается обращения интенсивности в бесконечность, то в действительности, разумеется, интенсивность в точках каустики делается большой, но остается конечной (см. задачу к § 59). Формальное обращение в бесконечность означает, что приближение геометрической оптики становится во всяком случае неприменимым вблизи каустик. С этим же обстоятельством связано и то, что изменение фазы вдоль луча может определяться формулой (54,2) только на участках луча, не включающих в себя точек его касания с каустиками. Ниже (в § 59) будет показано, что в действительности при прохождении мимо каустики фаза поля уменьшается на . Это значит, что если на участке луча до его касания первой каустики поле пропорционально множителю - координата вдоль луча), то после прохождения мимо каустики поле будет пропорционально То же самое произойдет вблизи точки касания второй каустики, и за этой точкой поле будет пропорционально