Cường độ ánh sáng là gì? Cách đo độ chiếu sáng tương đối bằng thiết bị tự chế

1. Bổ sung sóng ánh sáng từ nguồn ánh sáng tự nhiên.

2. Nguồn mạch lạc. Sự can thiệp của ánh sáng.

3. Thu được hai nguồn sáng kết hợp từ một nguồn ánh sáng tự nhiên.

4. Giao thoa kế, kính hiển vi giao thoa.

5. Giao thoa trong màng mỏng. Khai sáng quang học.

6. Các khái niệm và công thức cơ bản.

7. Nhiệm vụ.

Ánh sáng có bản chất điện từ và sự lan truyền của ánh sáng là sự lan truyền của sóng điện từ. Tất cả các hiệu ứng quang học quan sát thấy trong quá trình truyền ánh sáng đều liên quan đến sự thay đổi dao động của vectơ cường độ điện trường E, được gọi là vectơ ánh sáng.Đối với mỗi điểm trong không gian, cường độ ánh sáng I tỷ lệ với bình phương biên độ của vectơ ánh sáng của sóng tới điểm này: I ~ E m 2.

20.1. Bổ sung sóng ánh sáng từ nguồn ánh sáng tự nhiên

Hãy cùng tìm hiểu điều gì sẽ xảy ra khi họ đến thời điểm này hai Sóng ánh sáng có cùng tần số và vectơ ánh sáng song song:

Trong trường hợp này, biểu thức của cường độ ánh sáng thu được

Khi thu được công thức (20.1) và (20.2), chúng ta đã không xét đến bản chất vật lý của các nguồn sáng tạo ra dao động E 1 và E 2. Theo các khái niệm hiện đại, các phân tử riêng lẻ là nguồn ánh sáng cơ bản. Sự phát xạ ánh sáng của một phân tử xảy ra khi nó chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Thời gian của bức xạ như vậy rất ngắn (~10 -8 giây) và thời điểm bức xạ là một sự kiện ngẫu nhiên. Trong trường hợp này, một xung điện từ có giới hạn thời gian được hình thành có chiều dài khoảng 3 m.

trong một chuyến tàu.

Nguồn ánh sáng tự nhiên là các vật thể được nung nóng đến nhiệt độ cao. Ánh sáng của nguồn như vậy là tập hợp của một số lượng lớn đoàn tàu phát ra từ các phân tử khác nhau vào những thời điểm khác nhau. Do đó, giá trị trung bình của cosΔφ trong các công thức (20.1) và (20.2) hóa ra bằng 0 và các công thức này có dạng sau:

Cường độ của các nguồn ánh sáng tự nhiên tại mỗi điểm trong không gian được cộng lại.

Bản chất sóng của ánh sáng không xuất hiện trong trường hợp này.

Kết quả của việc bổ sung các sóng ánh sáng sẽ khác nhau nếu độ lệch pha của tất cả các đoàn tàu đến một điểm nhất định là giá trị không đổi.Để làm được điều này cần sử dụng các nguồn sáng kết hợp.

mạch lạc là những nguồn sáng có cùng tần số đảm bảo độ lệch pha không đổi cho sóng tới một điểm nhất định trong không gian.

Sóng ánh sáng phát ra từ nguồn kết hợp còn được gọi là sóng kết hợp.

Cơm. 20.1. Bổ sung các sóng kết hợp

Hãy xem xét phép cộng hai sóng kết hợp phát ra từ nguồn S 1 và S 2 (Hình 20.1). Giả sử điểm được xem xét bổ sung các sóng này cách xa các nguồn ở khoảng cách s 1 Và s 2 theo đó, môi trường truyền sóng có chiết suất n 1 và n 2 khác nhau.

Tích của độ dài đường truyền sóng và chiết suất của môi trường (s*n) được gọi là chiều dài đường quang. Giá trị tuyệt đối của chênh lệch độ dài quang học được gọi là sự khác biệt đường dẫn quang:

Chúng ta thấy rằng khi thêm các sóng kết hợp, độ lớn của độ lệch pha tại một điểm nhất định trong không gian không đổi và được xác định bởi độ lệch pha và bước sóng quang. Tại những điểm thỏa mãn điều kiện

cosΔφ = 1, và công thức (20.2) tính cường độ sóng thu được có dạng

Trong trường hợp này, cường độ đạt giá trị tối đa có thể.

Đối với những điểm thỏa mãn điều kiện

Do đó, khi các sóng kết hợp được thêm vào, sự phân bố lại năng lượng trong không gian xảy ra - tại một số điểm năng lượng sóng tăng lên và ở những điểm khác thì năng lượng sóng giảm đi. Hiện tượng này được gọi là sự can thiệp.

Sự giao thoa của ánh sáng - việc bổ sung các sóng ánh sáng kết hợp, do đó xảy ra sự phân phối lại năng lượng trong không gian, dẫn đến sự hình thành mô hình ổn định khuếch đại hoặc suy yếu của chúng.

Đẳng thức (20.6) và (20.7) là điều kiện để có nhiễu cực đại và cực tiểu. Sẽ thuận tiện hơn khi viết chúng thông qua sự khác biệt về đường dẫn.

Cường độ tối đa Giao thoa được quan sát thấy khi độ chênh lệch đường quang bằng một số nguyên bước sóng (thậm chí số nửa sóng).

Số nguyên k được gọi là bậc của mức nhiễu cực đại.

Điều kiện tối thiểu thu được tương tự:

Cường độ tối thiểu trong quá trình giao thoa được quan sát thấy khi độ chênh lệch đường quang bằng số lẻ số nửa sóng.

Giao thoa sóng xuất hiện đặc biệt rõ ràng khi cường độ sóng ở gần nhau. Trong trường hợp này, ở vùng cực đại, cường độ cao gấp bốn lần cường độ của mỗi sóng và ở vùng tối thiểu, cường độ thực tế bằng không. Kết quả là một mô hình giao thoa của các sọc sáng được ngăn cách bởi các khoảng tối.

20.3. Tạo ra hai nguồn kết hợp từ một nguồn ánh sáng tự nhiên

Trước khi phát minh ra tia laser, các nguồn sáng kết hợp được tạo ra bằng cách chia sóng ánh sáng thành hai chùm giao thoa với nhau. Hãy xem xét hai phương pháp như vậy.

Phương pháp Young(Hình 20.2). Một tấm chắn mờ đục có hai lỗ nhỏ được lắp đặt trên đường truyền sóng từ nguồn điểm S. Những lỗ này là nguồn kết hợp S1 và S2. Vì các sóng thứ cấp phát ra từ S 1 và S 2 thuộc cùng một mặt sóng nên chúng kết hợp với nhau. Ở khu vực mà các chùm ánh sáng này chồng lên nhau, người ta quan sát thấy sự giao thoa.

Cơm. 20.2. Thu được sóng kết hợp bằng phương pháp Young

Thông thường, các lỗ trên tấm chắn mờ đục được tạo thành dưới dạng hai khe hẹp song song. Khi đó hình ảnh giao thoa trên màn hình là một hệ thống các sọc sáng được ngăn cách bởi các khoảng tối (Hình 20.3). Sọc sáng tương ứng

Cơm. 20.3. Giản đồ nhiễu tương ứng với phương pháp Young, bậc k - phổ

cực đại có bậc 0, nằm ở giữa màn sao cho khoảng cách đến các khe là như nhau. Ở bên phải và bên trái của nó là cực đại bậc nhất, v.v. Khi chiếu sáng các vết nứt bằng ánh sáng đơn sắc, các sọc sáng có màu tương ứng. Khi sử dụng ánh sáng trắng tối đa thứ tự không có trắng, và cực đại còn lại có cầu vồng màu sắc, vì cực đại có cùng thứ tự đối với các bước sóng khác nhau được hình thành ở những nơi khác nhau.

Gương của Lloyd(Hình 20.4). Một nguồn điểm S đặt cách mặt gương phẳng M một khoảng ngắn. Các tia truyền trực tiếp và tia phản xạ giao thoa nhau. Các nguồn kết hợp là nguồn sơ cấp S và ảnh ảo của nó trong gương S 1 . Trong vùng mà chùm tia trực tiếp và phản xạ chồng lên nhau, người ta quan sát thấy sự giao thoa.

Cơm. 20.4. Tạo sóng kết hợp bằng gương Lloyd

20.4. Giao thoa kế, giao thoa

kính hiển vi

Hành động dựa trên việc sử dụng sự giao thoa ánh sáng giao thoa kế. Giao thoa kế được thiết kế để đo chiết suất của môi trường trong suốt; để kiểm soát hình dạng, vi chạm và biến dạng của bề mặt của các bộ phận quang học; để phát hiện tạp chất trong khí (được sử dụng trong thực hành vệ sinh để kiểm soát độ tinh khiết của không khí trong phòng và hầm mỏ). Hình 20.5 thể hiện sơ đồ đơn giản của giao thoa kế Jamin, được thiết kế để đo chiết suất của chất khí và chất lỏng, cũng như để xác định nồng độ tạp chất trong không khí.

Chùm ánh sáng trắng xuyên qua hai lỗ (phương pháp Young), rồi đi qua hai cuvet giống hệt nhau K 1 và K 2 chứa đầy các chất có chiết suất khác nhau, một trong số đó đã biết. Nếu chiết suất bằng nhau thì trắng mức tối đa nhiễu bậc 0 sẽ nằm ở giữa màn hình. Sự khác biệt về chỉ số khúc xạ dẫn đến sự xuất hiện của sự chênh lệch đường quang khi đi qua cuvet. Kết quả là, mức tối đa bậc 0 (được gọi là sắc độ) bị dịch chuyển so với tâm màn hình. Chiết suất thứ hai (chưa biết) được xác định bởi độ lớn của độ dịch chuyển. Chúng tôi trình bày không dẫn xuất công thức xác định sự khác biệt giữa các chỉ số khúc xạ:

trong đó k là số dải mà cực đại sắc độ đã dịch chuyển; tôi- chiều dài cuvet.

Cơm. 20,5.Đường đi của tia trong giao thoa kế:

S - nguồn, khe hẹp được chiếu sáng bằng ánh sáng đơn sắc; L - thấu kính, tiêu điểm của nó là nguồn; K - cuvette có chiều dài giống hệt nhau tôi; D - màng ngăn có hai khe; Màn hình điện tử

Sử dụng giao thoa kế Jamin, có thể xác định được sự khác biệt về chỉ số khúc xạ với độ chính xác lên đến chữ số thập phân thứ sáu. Độ chính xác cao như vậy giúp có thể phát hiện ngay cả những chất gây ô nhiễm không khí nhỏ.

kính hiển vi giao thoa là sự kết hợp giữa kính hiển vi quang học và giao thoa kế (Hình 20.6).

Cơm. 20.6.Đường đi của tia trong kính hiển vi giao thoa:

M - vật trong suốt; D - cơ hoành; O - thị kính kính hiển vi cho

quan sát các tia giao thoa; d - độ dày vật thể

Do sự chênh lệch chiết suất của vật M và môi trường nên các tia có độ lệch đường đi. Kết quả là, sự tương phản ánh sáng được hình thành giữa vật thể và môi trường (với ánh sáng đơn sắc) hoặc vật thể sẽ có màu (với ánh sáng trắng).

Thiết bị này được sử dụng để đo nồng độ chất khô và kích thước của các vật thể vi mô trong suốt, không sơn, không tương phản với ánh sáng truyền qua.

Sự chênh lệch hành trình được xác định bởi độ dày d của vật thể.

Sự khác biệt về đường quang có thể được đo với độ chính xác đến một phần trăm bước sóng, giúp nghiên cứu định lượng cấu trúc của tế bào sống.

20,5. Sự can thiệp vào màng mỏng. Lớp phủ quang học

Người ta biết rằng vết xăng trên bề mặt nước hoặc bề mặt bong bóng xà phòng có màu cầu vồng. Đôi cánh trong suốt của chuồn chuồn cũng có màu cầu vồng. Sự xuất hiện của màu sắc được giải thích là do sự giao thoa của các tia sáng phản xạ Cơm. 20.7.

Sự phản xạ của tia trong màng mỏng

từ mặt trước và mặt sau của màng mỏng. Hãy xem xét hiện tượng này chi tiết hơn (Hình 20.7).

Cho một chùm ánh sáng đơn sắc 1 từ không khí rơi xuống mặt trước của một màng xà phòng với một góc α nhất định. Tại điểm va chạm quan sát thấy hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Chùm tia phản xạ 2 quay trở lại không khí. Chùm tia khúc xạ được phản xạ từ mặt sau của màng và bị khúc xạ ở mặt trước, đi vào không khí (chùm tia 3) song song với chùm tia 2.

Sau khi đi qua hệ thống quang học của mắt, tia 2 và 3 giao nhau trên võng mạc, nơi xảy ra hiện tượng giao thoa của chúng. Tính toán cho thấy đối với màng xà phòng trong không khí, độ lệch đường đi giữa chùm 2 và 3 được tính theo công thức Sự khác biệt là do khi ánh sáng bị phản xạ từ một thấu kính quang học dày đặc hơn môi trường, pha của nó thay đổi một lượng π, tương đương với sự thay đổi độ dài đường quang của chùm tia 2 thêm λ/2. Khi phản xạ từ môi trường kém đậm đặc hơn thì pha không thay đổi. Một màng xăng trên mặt nước phản chiếu từ môi trường đậm đặc hơn hai lần.

Do đó, phép cộng λ/2 xuất hiện cho cả hai chùm tia giao thoa. Khi tìm thấy sự khác biệt về đường dẫn, nó sẽ bị phá hủy. Tối đa

Hình giao thoa thu được đối với những góc nhìn (α) thỏa mãn điều kiện

Nếu chúng ta nhìn vào tấm phim được chiếu sáng bằng ánh sáng đơn sắc, chúng ta sẽ thấy một số dải màu tương ứng được ngăn cách bởi các khoảng tối. Khi chiếu ánh sáng trắng vào phim, chúng ta thấy giao thoa cực đại với nhiều màu sắc khác nhau. Đồng thời, bộ phim thu được màu sắc cầu vồng.

Hiện tượng giao thoa màng mỏng được sử dụng trong các thiết bị quang học làm giảm tỷ lệ năng lượng ánh sáng phản xạ bởi hệ thống quang học và tăng lên (do định luật bảo toàn năng lượng) nên năng lượng cung cấp cho hệ thống ghi - tấm ảnh, mắt. Hiện tượng giao thoa ánh sáng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại. Một ứng dụng như vậy là “lớp phủ” quang học. Hệ thống quang học hiện đại sử dụng thấu kính đa thấu kính với số lượng lớn bề mặt phản chiếu. Mất ánh sáng do phản xạ có thể đạt tới 25% trong ống kính máy ảnh và 50% trong kính hiển vi. Ngoài ra, nhiều phản xạ làm giảm chất lượng hình ảnh, chẳng hạn như xuất hiện nền làm giảm độ tương phản của nó.

Để giảm cường độ ánh sáng phản xạ, thấu kính được phủ một lớp màng trong suốt, độ dày của nó bằng 1/4 bước sóng ánh sáng trong đó:

trong đó λ П là bước sóng ánh sáng trong phim; λ là bước sóng ánh sáng trong chân không; n là chiết suất của chất màng.

Thông thường họ tập trung vào bước sóng tương ứng với phần giữa của quang phổ ánh sáng được sử dụng. Chất liệu màng được chọn sao cho chiết suất của nó thấp hơn chiết suất của thấu kính. Trong trường hợp này, công thức (20.11) được sử dụng để tính hiệu đường đi.

Phần lớn ánh sáng chiếu vào thấu kính ở những góc nhỏ. Do đó, chúng ta có thể đặt sin 2 α ≈ 0. Khi đó công thức (20.11) có dạng sau:

Do đó, các tia phản xạ từ mặt trước và mặt sau của phim là trong phản pha và trong quá trình giao thoa chúng gần như triệt tiêu lẫn nhau. Điều này xảy ra ở phần giữa của quang phổ. Đối với các bước sóng khác, cường độ của chùm tia phản xạ cũng giảm, mặc dù ở mức độ thấp hơn.

20.6. Các khái niệm và công thức cơ bản

Cuối bảng

20.7. Nhiệm vụ

1. Phạm vi không gian L của chuỗi sóng hình thành trong thời gian t chiếu sáng nguyên tử là bao nhiêu?

Giải pháp

L = c*t = 3x10 8 m/cx10 ​​​​-8 s = 3 m. Trả lời: 3m.

2. Độ chênh lệch đường truyền sóng từ hai nguồn sáng kết hợp là 0,2 λ. Tìm: a) độ lệch pha là bao nhiêu, b) kết quả của sự giao thoa là gì.

3. Độ chênh lệch đường truyền sóng từ hai nguồn sáng kết hợp tại một điểm nhất định trên màn hình là δ = 4,36 µm. Kết quả giao thoa là gì nếu bước sóng λ là: a) 670; b) 438; c) 536nm?

Trả lời: a) tối thiểu; b) tối đa; c) điểm trung gian giữa mức tối đa và mức tối thiểu.

4. Ánh sáng trắng chiếu tới một màng xà phòng (n = 1,36) với góc 45°. Ở độ dày màng tối thiểu h nào nó sẽ có màu hơi vàng? (λ = 600 nm) khi nhìn dưới ánh sáng phản xạ?

5. Một màng xà phòng có độ dày h = 0,3 μm được chiếu sáng bởi ánh sáng trắng vuông góc với bề mặt của nó (α = 0). Phim được xem dưới ánh sáng phản chiếu. Chiết suất của dung dịch xà phòng là n = 1,33. Phim sẽ có màu gì?

6. Giao thoa kế được chiếu sáng bằng ánh sáng đơn sắc λ = 589nm. Chiều dài cuvet tôi= 10 cm. Khi không khí trong một ô được thay thế bằng amoniac, mức sắc tối đa bị dịch chuyển k = 17 dải. Chiết suất của không khí n 1 = 1,000277. Xác định chiết suất của amoniac n 1.

n 2 = n 1 + kλ/ tôi = 1,000277 + 17*589*10 -7 /10 = 1,000377.

Trả lời: n 1 = 1,000377.

7. Màng mỏng được sử dụng để làm rõ quang học. Màng phải dày bao nhiêu để truyền ánh sáng có bước sóng λ = 550 nm mà không bị phản xạ? Chiết suất của màng là n = 1,22.

Trả lời: h = λ/4n = 113 nm.

8. Làm thế nào để phân biệt quang học tráng bằng bề ngoài? Trả lời: Vì không thể dập tắt ánh sáng ở mọi độ dài cùng một lúc

sóng thì chúng đạt tới sự tắt dần ánh sáng tương ứng với phần giữa của quang phổ. Quang học có màu tím.

9. Lớp phủ có độ dày quang học λ/4 được áp dụng cho thủy tinh có vai trò gì nếu chiết suất của chất phủ là hơn chiết suất của thủy tinh?

Giải pháp

Trong trường hợp này, sự mất nửa sóng chỉ xảy ra ở bề mặt phân cách phim-không khí. Do đó, hiệu đường đi hóa ra bằng λ thay vì λ/2. Đồng thời, sóng phản xạ tăng cường, hơn là tiêu diệt nhau.

Trả lời: lớp phủ phản chiếu.

10. Các tia sáng chiếu tới một tấm mỏng trong suốt hợp với nhau một góc α = 45° khi phản xạ nó có màu xanh lục. Màu sắc của tấm kính sẽ thay đổi như thế nào khi góc tới của tia sáng thay đổi?

Ở góc α = 45°, các điều kiện giao thoa tương ứng với giá trị cực đại của tia lục. Khi góc tăng thì cạnh trái giảm. Do đó, vế phải cũng sẽ giảm, tương ứng với sự tăng của λ.

Khi góc giảm thì λ sẽ giảm.

Trả lời: Khi góc tăng lên, màu của tấm sẽ dần chuyển sang màu đỏ. Khi góc giảm, màu của tấm sẽ dần chuyển sang màu tím.

Một người cần ánh sáng không chỉ để định hướng và thực hiện bất kỳ hành động nào trong bóng tối mà còn để duy trì sức khỏe tâm lý và sự thoải mái. Ngoài ra, ánh sáng nhân tạo cho phép công nhân tiếp tục thực hiện nhiệm vụ của mình vào buổi tối và ban đêm. Tuy nhiên, bạn nên chọn bộ đèn và đèn dựa trên đặc tính của chúng, trong đó quan trọng nhất là hiệu suất phát sáng, được đo bằng lumen trên watt (lm/W). Trong phòng, cũng cần phải kiểm soát mức độ chiếu sáng và tính đến điều này, chọn nguồn của nó.

Các loại ánh sáng

Tất nhiên, ánh sáng hữu ích và an toàn nhất là tự nhiên. Nó có tông màu ấm và không gây hại cho mắt.

Hãy chú ý! Xét về các thông số của chúng, loại gần nhất với loại này là đèn sợi đốt, có đặc điểm là ánh sáng đỏ. Chúng không gây kích ứng mắt và về mặt quang phổ phát ra, chúng gần giống với ánh sáng tự nhiên từ mặt trời chiếu vào nhà qua cửa sổ.

Sự phát triển của công nghệ kéo theo sự ra đời của nhiều lựa chọn về thiết bị chiếu sáng, vì vậy khi mua bạn nên chú ý đến những đặc điểm ghi trên bao bì đèn.

Thông tin bổ sung. Vì vậy, ánh sáng ấm áp được khuyến khích đặt trong các căn hộ hoặc tòa nhà dân cư, ánh sáng trung tính được khuyên dùng để chiếu sáng văn phòng, xưởng sản xuất. Lạnh - được sử dụng hiệu quả trong các phòng thực hiện công việc với các bộ phận nhỏ. Nó cũng thường được sử dụng ở vùng khí hậu cận nhiệt đới, nơi bóng râm này tạo cảm giác mát mẻ.

Vì vậy, việc lựa chọn bóng đèn không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chiếu sáng của không gian mà còn ảnh hưởng đến trạng thái đạo đức và tâm lý của nhân viên tại nơi làm việc hoặc của người trong căn hộ.

Đặc điểm quang thông

Khi mua bóng đèn, người mua thường không biết hoặc không nghĩ đến câu trả lời cho câu hỏi đo ánh sáng như thế nào, tuy nhiên vẫn có khá nhiều chỉ số như vậy:

• Sản lượng ánh sáng;
• Sức mạnh của ánh sáng;
• Cường độ;
• Độ sáng.

Tất cả đều là những đặc tính vật lý của quang thông có thể đo được bằng các thiết bị đặc biệt; chúng phải được tính đến khi lập kế hoạch chiếu sáng trong phòng (bằng cách tính toán số lượng thiết bị chiếu sáng cần thiết trong mỗi phòng hoặc văn phòng), vì điều này ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. mắt và hệ thần kinh.

Đầu ra phát sáng

Đầu ra sáng là thông số quan trọng nhất. Nó phản ánh tỷ lệ quang thông phát ra từ bóng đèn hoặc thiết bị khác với năng lượng mà nó tiêu thụ. Theo đó, đơn vị đo của nó là lumen trên watt (lm/W). Thông số này cho phép bạn đánh giá hiệu quả kinh tế của phương pháp chiếu sáng.

Hiệu suất phát sáng càng cao thì năng lượng được sử dụng càng hiệu quả, đồng nghĩa với việc chi phí tiện ích được tối ưu hóa, điều này trở nên đặc biệt quan trọng trong bối cảnh giá cước không ngừng tăng cao. Vì lý do này, đèn tiết kiệm năng lượng, cung cấp một trong những tỷ lệ lm/W cao nhất, rất phổ biến.

Sức mạnh của ánh sáng

Đặc tính của bức xạ không chỉ là lượng ánh sáng phát ra mà còn là lực mà năng lượng của nó di chuyển từ điểm này sang điểm khác trong không gian trong một khoảng thời gian nhất định. Cần phải tính đến việc cường độ ánh sáng có thể thay đổi hướng chuyển động tùy thuộc vào các điều kiện do thiết bị tạo ra dòng chảy đặt ra.

Thông số này có thể được đo bằng candela.

Quan trọng! Khi chọn đèn, bạn cũng nên chú ý đến thông số được mô tả, chỉ có điều mối quan hệ không trực tiếp như trường hợp hiệu suất phát sáng. Mức cường độ phải được chọn dựa trên giá trị tiêu chuẩn mà một đơn vị độ sáng của bề mặt phát sáng phải có. Chỉ số này có thể được tìm thấy trong các tiêu chuẩn khác nhau, cũng như các quy chuẩn xây dựng. Nó thay đổi tùy thuộc vào mục đích của căn phòng, cấu hình của nó, v.v.

Cường độ ánh sáng

Đặc tính này thường được gọi là độ sáng hoặc độ bão hòa. Nó biểu thị tỷ lệ giữa quang thông với diện tích của vật thể mà nó rơi xuống. Đơn vị độ sáng của bề mặt phát sáng này được đo bằng lux.

Độ sáng

Cường độ sáng chia cho một đơn vị diện tích được gọi là độ chói. Nó được đo bằng candela trên mét vuông. Nguồn phân phối bức xạ chiếu sáng một khu vực nhất định. Diện tích càng cao thì độ sáng của ánh sáng tương ứng càng lớn. Thông số này cũng đặc trưng cho hiệu quả của nguồn chiếu sáng và phép đo của nó là cần thiết để tính toán số lượng thiết bị chiếu sáng cần thiết trong phòng và theo đó, thiết kế vị trí và hệ thống dây điện của chúng.

Do đó, quang thông có một số thông số và không phải lúc nào cũng rõ ràng thông số nào cần chú ý khi mua thiết bị chiếu sáng. Người tiêu dùng bình thường khó có thể hiểu hiệu suất phát sáng là gì, độ bão hòa khác với độ sáng như thế nào, v.v. Hơn nữa, các đơn vị đo lường ghi trên hộp cũng không mang tính thông tin đối với người chưa quen: lm/W, cd, cd/sq.m, tất cả những thứ này trông giống như chữ tượng hình, từ đó không rõ có bao nhiêu bóng đèn và với những đặc điểm bạn cần mua. Do đó, để tính toán số lượng thiết bị chiếu sáng, nên sử dụng dịch vụ của các chuyên gia hoặc một máy tính đặc biệt có thể tìm thấy trên Internet.

Băng hình

Chúng ta hãy xem xét một khu vực cơ bản có diện tích , nằm trong không gian chứa đầy bức xạ từ các nguồn khác nhau. Chúng ta sẽ mô tả hướng của địa điểm trong không gian bằng vectơ pháp tuyến trên bề mặt của nó.

Một đặc tính quan trọng của cường độ: giá trị này đặc trưng cho đặc tính bức xạ của nguồn và không phụ thuộc vào khoảng cách mà một khu vực cơ bản được đặt từ nó. Hãy di chuyển nền tảng một khoảng cách. Thật vậy, với khoảng cách ngày càng tăng r tới nguồn, năng lượng bức xạ truyền qua địa điểm đó giảm xuống khi r 2, nhưng theo định luật tương tự, góc khối mà tại đó nguồn nhìn thấy được cũng giảm đi. Nền tảng cơ bản có thể được kết hợp với người quan sát hoặc có thể tưởng tượng nó nằm trên bề mặt của nguồn. Cường độ sẽ như nhau.

Sự định nghĩa. Cường độ bức xạ là công suất của năng lượng ánh sáng (thông lượng bức xạ trên một đơn vị thời gian) đi qua một diện tích có tiết diện đơn vị nằm vuông góc với phương đã chọn theo một góc khối đơn vị.

candela– (CANDLE INTERNATIONAL trước 1970) đơn vị đo cường độ (cường độ sáng) bằng cường độ sáng của một nguồn điểm phát ra Quang thông một lumen bên trong một đơn vị góc khối (steradian), nghĩa là 1cd = 1lm/sr

Cường độ năng lượng bức xạ có kích thước - watt/sr, erg/sec*sr

Cũng cần phải tính đến hướng của địa điểm trong không gian. Nói chung, nếu góc giữa pháp tuyến và hướng đã chọn bằng q, Cái đó

trong đó = là phần tử góc đặc.

Góc đặc mà tại đó nguồn có thể nhìn thấy được biểu thị bằng đẳng thức:

trong đó S là diện tích bị cắt bởi một hình nón trên hình cầu bán kính r. Khi góc khối bằng 1.

Đại lượng này được gọi là vô định. Mọi không gian đều có một góc đặc bằng 4p.

Như vậy, cường độ nguồn là thông lượng bức xạ trong một góc đặc bằng steradian.

Sự định nghĩa. Một nguồn được gọi là nguồn phát đẳng hướng nếu cường độ của nó không phụ thuộc vào hướng trong không gian.

Từ (2.1) chúng ta có thể thu được năng lượng bức xạ đi qua một diện tích. Để làm điều này, chúng tôi tích hợp cường độ trên góc khối.

Đối với trường bức xạ đẳng hướng, chúng ta thu được thông lượng tổng qua diện tích bằng công thức = 0. Đối với một khu vực vô hạn bức xạ đẳng hướng, tích phân trên bán cầu sẽ cho thông lượng

Chiếu sáng.

Chúng ta hãy xem xét dòng chảy từ nguồn tại vị trí quan sát. Trong trường hợp không có sự hấp thụ, thông lượng giảm theo khoảng cách do góc khối mà tại đó có thể nhìn thấy nguồn giảm. Do đó, thông lượng có thể coi là độ rọi tại vị trí quan sát do nguồn tạo ra.

Sự định nghĩa. Độ sáng E là quang thông trên một đơn vị diện tích.

Xét đến (2.2), ta có:

Nếu diện tích giới hạn hình nón nằm ở một góc q so với pháp tuyến thì ở dạng tổng quát, biểu thức tính độ rọi của diện tích có thể được viết dưới dạng:

Một lux được lấy làm đơn vị chiếu sáng - khi một dòng quang bằng 1 lumen đi qua diện tích 1 m 2. 1lx = 1lm/m2

Chiếu sáng theo đơn vị năng lượng - W/cm 2, erg/giây*cm 2

Từ một nguồn điểm, kính thiên văn chỉ có thể ghi lại dòng bức xạ chứ không thể ghi lại cường độ. Chúng ta hãy xem xét bức xạ từ một ngôi sao có bán kính R, có thể được biểu diễn dưới dạng nguồn đẳng hướng đối xứng hình cầu nằm ở khoảng cách r. Thông lượng đo trực tiếp từ ngôi sao sẽ là:

trong đó là cường độ tại điểm thu (kính thiên văn) và = là góc đặc mà tại đó ngôi sao có thể nhìn thấy được. Thông lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt từ ngôi sao đối với cường độ đẳng hướng chỉ đơn giản là = . Trong trường hợp không có sự hấp thụ = . Do đó, đối với đại lượng đo được, chúng tôi tìm thấy:

= (2.7)

Vì , sự chuyển đổi từ đại lượng được đo trực tiếp sang cường độ chỉ có thể thực hiện được nếu biết đường kính góc R/r của nguồn, nghĩa là nếu nó không được coi là một điểm.

Mục tiêu học tập: giới thiệu và hình thành các khái niệm về cường độ, áp suất và xung của sóng điện từ; chứng minh các khái niệm này về mặt lý thuyết và thực nghiệm.

Mục tiêu phát triển: cải thiện tư duy phê phán và khả năng suy luận bằng cách loại suy; năng vận dụng kiến ​​thức lý thuyết để giải thích các hiện tượng vật lý.

Mục tiêu giáo dục: phát triển các đặc điểm tính cách có ý chí mạnh mẽ, năng động và khoan dung.

Công cụ giáo khoa:

1. Myakishev G.Ya. Vật lý: Sách giáo khoa. cho lớp 11 giáo dục phổ thông tổ chức/ G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev.– M.: Giáo dục, 2004.
2. Kasyanov V.A. Vật lý. Lớp 11: Giáo dục. cho lớp 11 giáo dục phổ thông sách giáo khoa các cơ sở. – M.: Bustard, 2002.
3. Phiên bản điện tử của bản tóm tắt bài học; các video clip thí nghiệm trình diễn.
4. Bộ nghiên cứu sóng điện từ (do Công ty cổ phần NPK Computerlink sản xuất), vôn kế, ampe kế, nguồn điện áp điều chỉnh.

5.1. Giới thiệu

Giáo viên. Hôm nay chúng ta sẽ tiếp tục làm quen với các đặc tính quan trọng nhất của sóng điện từ với tư cách là một vật chất. Năng lượng truyền bằng sóng được đặc trưng bởi một đại lượng đặc biệt gọi là cường độ. Sóng điện từ chạm vào vật cản sẽ gây áp suất lên vật đó. Trong trường hợp này, vật cản lấy được động lượng nên bản thân bức xạ điện từ cũng có động lượng. Áp suất và động lượng của sóng điện từ mà chúng ta có được là không đáng kể nên chúng ta sẽ không thể đo chúng trong các thí nghiệm giáo dục. Tuy nhiên, chúng ta sẽ có thể giải thích sự tồn tại của chúng và ước tính giá trị của các đại lượng tương ứng.

5.2. Cường độ sóng điện từ

Giáo viên. Hãy nhớ cách viết sóng hài về mặt toán học và cách biểu diễn năng lượng của nó.

Sinh viên. Phương trình cường độ điện trường trong sóng điện từ điều hòa có dạng Ở đâu

và mật độ năng lượng của nó:

ω = ε 0 ε E 2 . (5.2)

Giáo viên. Tích của mật độ năng lượng và tốc độ sóng được gọi là mật độ dòng năng lượng bề mặt j= ω υ .

Sinh viên. Chúng ta có thực sự phải nhớ điều này lâu dài không?!

Giáo viên. Tất nhiên là không. Nhưng vì lý do nào đó, các tác giả sách giáo khoa phổ thông rất yêu thích nó, vì vậy nếu bạn muốn học cao hơn, bạn sẽ phải nhớ thuật ngữ này và biến thể quen thuộc của nó là “mật độ dòng năng lượng”, dù bạn có muốn hay không.

Sinh viên. Sau đó, ít nhất bạn cần phải hiểu nó đến từ đâu.

Giáo viên. Sóng truyền bình thường qua một diện tích Sđúng lúc t, chiếm thể tích V = sυt(Hình 5.1). Vì mật độ năng lượng bằng năng lượng trên một đơn vị thể tích: ω = W/V, - thì mật độ dòng năng lượng bề mặt có thể được viết là:

Tỷ lệ năng lượng sóng W theo thời gian t trong thời gian nó đi qua bề mặt được gọi là dòng năng lượng. Và tỷ lệ giữa dòng năng lượng với diện tích bề mặt mà nó đi qua có thể được gọi một cách tự nhiên là mật độ dòng năng lượng bề mặt.

Sinh viên. Bây giờ rõ ràng đây chỉ đơn giản là năng lượng được truyền bởi sóng trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích, hay năng lượng bức xạ truyền qua một đơn vị diện tích.

Giáo viên. Tìm hiểu mật độ dòng năng lượng bề mặt của sóng điện từ phụ thuộc vào tần số của nó như thế nào.

Sinh viên. Từ các công thức (5.1), (5.2) và (5.3) ta thu được:

Vì cosin ở đây bình phương nên mật độ dòng năng lượng bề mặt của sóng điện từ dao động ở tần số gấp đôi tần số của sóng. Làm thế nào để đo lường giá trị này?

Giáo viên. Chúng không đo giá trị tức thời mà đo giá trị trung bình theo thời gian của mật độ dòng năng lượng, được gọi là cường độ sóng. Bạn biết rõ rằng giá trị trung bình của bình phương cosin là 1/2. Thay thế nó vào công thức trước đó và tính đến các biểu thức của ừm(5.1) và sau những biến đổi nhỏ có thể thu được cường độ của sóng hài bằng

Ở đâu K– hệ số không đổi. Phân tích kết quả này.

Sinh viên. Từ công thức (5.4), suy ra rằng cường độ sóng điện từ phát ra từ một bộ dao động điều hòa, các yếu tố khác không đổi, tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của tần số và tỷ lệ nghịch với bình phương quãng đường mà sóng truyền đi.

Giáo viên.Đưa ra một phương án khác để xác định cường độ sóng và giải thích một cách định tính tại sao cường độ của sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa 4 của tần số.

Sinh viên. Cường độ sóng là năng lượng trung bình theo thời gian W cp đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian:

Điều này có nghĩa là cường độ tỷ lệ thuận với năng lượng sóng J ~ W xem. Và năng lượng tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường W Thứ Tư ~ ừm 2. Ngược lại, cường độ điện trường tỷ lệ thuận với gia tốc của điện tích phát sóng ừm ~ là và gia tốc tỉ lệ với bình phương tần số dao động của điện tích là~ ω 2 . Theo đó cường độ tỷ lệ thuận với lũy thừa thứ tư của tần số:

J ~ W Thứ Tư ~ ừm 2 ~ là 2 ~ ω 4. (5.6)

Giáo viên. Làm rõ ý nghĩa của các giá trị lực căng và gia tốc.

Sinh viên. Chúng ta đang nói về biên độ của cường độ điện trường ừm sóng điện từ và biên độ gia tốc làđiện tích dao động điều hòa.

Giáo viên. Tại sao cường độ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách?

Sinh viên. Vì cường độ điện trường của sóng điện từ tạo ra bởi một điện tích dao động tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến điện tích, còn cường độ sóng tỉ lệ với bình phương cường độ.

5.3. Nghiên cứu thực nghiệm bức xạ lưỡng cực

Giáo viên. Chúng ta sẽ nghiên cứu thực nghiệm sự phụ thuộc của cường độ sóng điện từ vào khoảng cách tới máy rung bức xạ. Để làm điều này, bên cạnh đèn lưỡng cực thu (2,5 V; 0,15 A), chúng ta sẽ đặt chính xác cùng một đèn sợi đốt, nối nó qua ampe kế với nguồn điện áp không đổi có thể điều chỉnh và bật vôn kế song song với đèn tham chiếu này. Hãy đặt khoảng cách giữa các lưỡng cực phát và nhận là 10 cm và bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn, đảm bảo rằng độ sáng của đèn tham chiếu bằng với độ sáng của đèn thu (Hình 5.2, MỘT). Khi đó chúng ta có thể nói rằng công suất được giải phóng trong đèn tham chiếu giống như trong đèn thu. Hãy tính toán nó.

Sinh viên. Các dụng cụ cho thấy dòng điện và điện áp trên đèn chuẩn tương ứng bằng nhau TÔI 1 = 0,111 A và bạn 1 = 1,8 V, nghĩa là công suất cần thiết P 1 = bạn 1 TÔI 1 = 0,20 W.

Giáo viên. Bây giờ chúng ta hãy di chuyển lưỡng cực thu đến khoảng cách 20 cm so với lưỡng cực phát, lặp lại các phép đo và rút ra kết luận.

Sinh viên. Nó hoạt động TÔI 2 = 0,087 A và bạn 2 = 1,2 V (Hình 5.2, b), Đó là lý do tại sao P 2 = bạn 2 TÔI 2 = 0,10 W. Thái độ P 1 / P 2 bằng hai chứ không phải bốn như bạn mong đợi! Có thực sự có một sai lầm trong lý thuyết?

Giáo viên. Trước khi thay đổi lý thuyết, chúng ta hãy xem liệu các điều kiện thí nghiệm có tương ứng với dữ liệu ban đầu của nó hay không. Chúng ta hãy nhớ rằng khi xét sự truyền năng lượng từ một lưỡng cực bức xạ, chúng ta ngầm giả định rằng nó được bức xạ như nhau theo mọi hướng. Nói cách khác, chúng ta giả sử rằng lưỡng cực là nguồn đẳng hướng. Trong trường hợp này, năng lượng điện từ được phân bố đều trên bề mặt hình cầu. Vì diện tích của hình cầu S= 4π r 2 tỷ lệ với bình phương bán kính của nó, khi đó công suất trên một đơn vị diện tích, tức là Cường độ sóng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Sinh viên. Cần nghiên cứu xem lưỡng cực bức xạ theo các hướng khác nhau như thế nào rồi rút ra kết luận về cường độ của bức xạ.

Giáo viên. Tôi đặt lưỡng cực thu song song với lưỡng cực phát sao cho độ sáng của đèn của nó đạt cực đại và di chuyển nó quanh một vòng tròn có tâm nằm ở tâm của lưỡng cực phát (Hình 5.3). Rút ra kết luận từ kết quả thí nghiệm.

Sinh viên. Tại tất cả các điểm của vòng tròn, đèn lưỡng cực thu sáng đều có cường độ như nhau. Điều này có nghĩa là theo mọi hướng vuông góc với lưỡng cực bức xạ, cường độ của sóng điện từ là như nhau.

Giáo viên. Bây giờ tôi di chuyển và quay lưỡng cực thu trong mặt phẳng đi qua lưỡng cực phát (Hình 5.4). Tôi làm điều này sao cho lưỡng cực thu, chuyển động theo đường tròn có tâm nằm trong lưỡng cực phát, hướng tiếp tuyến với đường tròn này. Bạn quan sát được điều gì và bạn đi đến kết luận gì?

Sinh viên.Đèn càng lúc càng cháy ít hơn khi lưỡng cực thu quay so với lưỡng cực phát. Điều này có nghĩa là một lưỡng cực nối với máy phát tạo ra bức xạ tối đa theo hướng vuông góc với lưỡng cực và hoàn toàn không bức xạ theo hướng của lưỡng cực.

Giáo viên. Nếu trong một hệ tọa độ cực, chúng ta vẽ biểu đồ sự phụ thuộc của cường độ sóng điện từ vào góc giữa lưỡng cực và hướng của bức xạ, chúng ta sẽ thu được giản đồ bức xạ của lưỡng cực nửa sóng tương tự như trong Hình 2. 5.4 (độ dài của mũi tên tỷ lệ thuận với cường độ). Bây giờ hãy quay lại thí nghiệm trong đó chúng ta đã đo sự phụ thuộc của cường độ sóng điện từ vào khoảng cách và cố gắng giải thích kết quả của nó.

Sinh viên. Thí nghiệm vừa thực hiện cho thấy lưỡng cực không phải là nguồn đẳng hướng của sóng điện từ: bức xạ truyền chủ yếu trong mặt phẳng vuông góc với lưỡng cực bức xạ và đi qua tâm của nó. Điều này có nghĩa là năng lượng bức xạ gần lưỡng cực không rơi xuống hình cầu mà rơi trên bề mặt hình trụ. Diện tích bề mặt bên của hình trụ tỷ lệ thuận với bán kính của nó. Do đó, cường độ của bức xạ lưỡng cực tỷ lệ nghịch không phải với bình phương khoảng cách mà chỉ tỷ lệ với khoảng cách tới nguồn.

Giáo viên. Lưu ý rằng máy thu không đẳng hướng: độ nhạy của nó cũng phụ thuộc vào hướng sóng truyền vào nó. Trong mô hình lý thuyết, chúng tôi giả sử nguồn và máy thu là điểm và đẳng hướng. Không khó để nhận ra rằng các điều kiện của mô hình này sẽ được đáp ứng nếu khoảng cách giữa nguồn và máy thu vượt quá đáng kể kích thước của chúng.

5.4. Áp suất và động lượng sóng điện từ

Giáo viên. Thí nghiệm cho thấy sóng điện từ truyền năng lượng, nghĩa là khi rơi vào chướng ngại vật thì phải tác dụng lực lên chúng. Rất khó để rút ra chính xác công thức tương ứng, vì vậy chúng ta sẽ sử dụng tương tự thủy động lực học. Hãy tưởng tượng nước chảy qua một đường ống có tiết diện S với tốc độ u (Hình 5.5). Mật độ năng lượng trong nước chuyển động hiển nhiên bằng ω = W/V = mu 2 /(2V.) = ρ bạn 2/2, trong đó ρ là mật độ của nước. Đột nhiên lỗ ống được đóng lại bằng một van. Điều gì xảy ra?

Sinh viên. Nước gần van dừng lại và co lại. Mặt trước nén lan truyền với tốc độ biến dạng đàn hồi υ về phía dòng nước đang chuyển động. Tốc độ υ là tốc độ của sóng đàn hồi hoặc tốc độ âm thanh trong nước.

Giáo viên. Phải. Chúng ta hãy áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hiện tượng đang xét. Trong một thời gian ngắn τ van dừng khối lượng nước Sυτ có khối lượng ρ Sυτ, truyền xung ρ tới bộ giảm chấn Sυτ bạn. Trong trường hợp này, một lực tác dụng lên bộ giảm chấn F, động lượng của nó bằng nhau Fτ. Đánh đồng hai biểu thức cuối, sau khi giảm theo thời gian τ ta thu được đẳng thức ρ Sυu = F. Do đó áp suất của dòng nước ngừng đột ngột bằng P = F/S = ρ bạn.

Sinh viên. Nhưng tốc độ âm thanh trong nước là 1500 m/s, áp suất có thực sự tăng đến mức đó không?

Giáo viên.Đúng vậy, hiện tượng này gọi là sốc thủy động lực. Nhân tiện, lý thuyết của ông được tạo ra bởi người đồng hương của chúng tôi là N.E. Nhưng chúng ta đừng để bị phân tâm. Giả sử nước trong ống chảy với tốc độ sóng đàn hồi u = υ . Điều gì tiếp theo từ điều này?

Sinh viên. Khi đó áp suất thu được là P = ρ bạn = ρ bạn 2. Vì mật độ năng lượng trong nước chảy là ω = ρ bạn 2/2 thì ta phải kết luận rằng áp suất khi nước đột ngột dừng lại là P= 2ω.

Giáo viên. Bạn vừa tìm ra công thức tính áp suất tác dụng lên một vật cản phản xạ hoàn toàn bởi một sóng đàn hồi thông thường tác dụng lên nó. Nhưng nếu công thức này đúng với sóng đàn hồi thì tại sao lại không giả sử rằng nó cũng đúng với sóng điện từ?

Sinh viên. Khi đó chúng ta có thể giả sử rằng sóng điện từ tác dụng lên vật cản hoặc gương phản chiếu nó một áp suất bằng hai lần mật độ năng lượng của sóng tới. Nếu sóng truyền trong chân không thì tốc độ của nó υ = c và có tính đến biểu thức cho cường độ J= ω cр υ = ω cр Với. (5.5) ta có:

P= 2ω cр = 2 J/c. (5.7)

Giáo viên. Vì sóng điện từ gây ra áp suất nên nó phải có động lượng. Hãy thử tìm công thức tính xung của bức xạ điện từ. Để làm điều này, hãy xét sự phản xạ của một chùm bức xạ điện từ ngắn từ gương.

Sinh viên. Nếu xung của sóng điện từ là p thì khi nó bị phản xạ hoàn toàn khỏi gương trong thời gian t thì độ biến thiên động lượng là 2 P. Gương cùng một lúc t lấy đà Ft = PSt = 2P. Kể từ khi áp lực P = 2J/c(5.7), sau đó, thay biểu thức này vào công thức trước đó, chúng ta thu được xung của sóng điện từ p = J/c St.

Giáo viên. Một lần nữa nhắc lại biểu thức về cường độ J = W cf / St(5.5), chúng ta nhận được

P = W cf / Với. (5.8)

Do đó, động lượng của sóng điện từ truyền trong chân không bằng năng lượng trung bình theo thời gian của sóng chia cho tốc độ ánh sáng trong chân không.

5.5. Tại sao sóng điện từ lại gây ra áp suất?

Giáo viên. Bây giờ chúng ta cần thiết lập lý do vật lý tại sao sóng điện từ lại gây ra áp suất. Đối diện với lưỡng cực phát ra, tôi đặt một lưỡng cực thu bằng đèn sợi đốt. Chứng minh rằng trong điện từ trường, một lực tác dụng lên một lưỡng cực theo phương truyền sóng.

Sinh viên. Dưới tác dụng của điện trường của sóng, các electron trong lưỡng cực thu bắt đầu dao động. Trong trường hợp này, một dòng điện xoay chiều chạy qua lưỡng cực, được chứng minh bằng sự phát sáng của đèn. Nhưng sức mạnh đến từ đâu?

Giáo viên.Đừng quên rằng trong sóng điện từ, ngoài sóng điện còn có từ trường.

Sinh viên. Vậy thì rõ ràng rồi! Dòng điện trong dây dẫn chịu tác dụng của lực Ampe từ phía của từ trường (Hình 5.6). Để xác định hướng của nó, ta áp dụng quy tắc bàn tay trái. Hóa ra sức mạnh đó F lưỡng cực tác dụng theo hướng truyền sóng điện từ. Trong nửa chu kỳ tiếp theo của dòng điện xoay chiều trong lưỡng cực, chiều cảm ứng sẽ đổi chiều ngược lại nhưng chiều của lực Ampe không đổi.

Giáo viên. Các tính toán mà chúng tôi sẽ không thực hiện cho thấy giá trị trung bình theo thời gian của lực Lorentz tác dụng lên các electron, tính trên một đơn vị diện tích của dây dẫn phản xạ, hoàn toàn trùng khớp với biểu thức (5.7). Vì vậy, phép loại suy thủy động lực học (Hình 5.5) mà chúng tôi sử dụng trong mô hình lý thuyết là khá phù hợp.

5.6. Phần kết luận

Giáo viên. Bạn học được điều gì mới trong bài học này? Bạn đã học được gì? Điều gì làm bạn ấn tượng nhất?

Sinh viên. Chúng ta đã biết cường độ, áp suất và động lượng của sóng điện từ là gì và chúng liên hệ với nhau như thế nào. Chúng tôi đã tìm ra cường độ phụ thuộc như thế nào vào tần số và khoảng cách mà sóng truyền đi. Chúng tôi đã học cách xác định bằng thực nghiệm cường độ của bức xạ điện từ. Sự tương tự giữa dòng nước và sự lan truyền của sóng rất thú vị. Các thí nghiệm trong đó xác định sự phân bố không gian của cường độ bức xạ điện từ từ một lưỡng cực là rất thuyết phục.

Giáo viên. Như thường lệ, bài tập về nhà được giao cho những người thích làm việc đó hoặc cho những người muốn lặp lại những gì đã học, học những điều mới và đào sâu kiến ​​thức và kỹ năng của mình. Bạn sẽ tìm thấy tài liệu để hoàn thành nhiệm vụ trong sách giáo khoa vật lý và trong phiên bản điện tử của bản tóm tắt bài học.

Bài viết được biên soạn với sự hỗ trợ của ngân hàng bài giảng www.Siblec.Ru. Nếu bạn quyết định tiếp thu hoặc mở rộng kiến ​​​​thức của mình trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau, thì giải pháp tốt nhất là truy cập trang web www.Siblec.Ru. Bằng cách nhấp vào liên kết: “bài giảng về vật lý”, bạn có thể truy cập vào các bài giảng về vật lý và các ngành khoa học khác mà không mất nhiều thời gian. Ngân hàng bài giảng www.Siblec.Ru được cập nhật liên tục, vì vậy bạn luôn có thể tìm thấy tài liệu mới và phù hợp.

1. Xác định mật độ thông lượng bức xạ bề mặt. Ý nghĩa của nguồn bức xạ điện từ điểm? Mật độ dòng bức xạ phụ thuộc vào tần số và khoảng cách tới nguồn như thế nào? [ G.Ya.Myakishev, § 50; V.A.Kasyanov, § 49.]
2. Cường độ của sóng điện từ là gì? Cường độ phụ thuộc vào tần số sóng như thế nào? Cường độ sóng điện từ do một nguồn điểm phát ra giảm theo định luật nào? [ G.Ya.Myakishev, § 50; V.A.Kasyanov, § 49.]
3. Áp suất và động lượng của sóng điện từ được xác định như thế nào? Bản chất của thí nghiệm xác định áp suất ánh sáng của P.N. [ G.Ya.Myakishev, § 92; V.A.Kasyanov, § 50.]
4. Suy ra công thức (5.4) về cường độ sóng điện từ điều hòa. [ĐƯỢC RỒI.]
5. Làm thế nào để chứng minh bằng thực nghiệm rằng lưỡng cực bức xạ không phải là nguồn đẳng hướng của sóng điện từ? [ĐƯỢC RỒI.]
6. Công suất bức xạ của một nguồn sóng điện từ đẳng hướng điểm là 2 W. Cường độ ở điểm cách nguồn 1m là bao nhiêu?
7. Trong một diện tích nhất định, cường độ bức xạ điện từ là 1 W/m2. Cường độ điện trường và cảm ứng từ trường trong vùng này là bao nhiêu?

Vì vậy, trong quang học hình học, sóng ánh sáng có thể được coi là một chùm tia. Tuy nhiên, bản thân các tia chỉ xác định hướng truyền ánh sáng tại mỗi điểm; Câu hỏi vẫn là về sự phân bố cường độ ánh sáng trong không gian.

Chúng ta hãy chọn một phần tử vô cùng nhỏ trên bất kỳ bề mặt sóng nào của chùm tia đang xét. Từ hình học vi phân, người ta biết rằng tại mỗi điểm nói chung có hai bán kính cong chính khác nhau.

Gọi (Hình 7) là các phần tử của các đường cong chính được vẽ trên một phần tử nhất định của bề mặt sóng. Khi đó các tia đi qua điểm a và c sẽ cắt nhau tại tâm cong tương ứng, còn các tia đi qua b và d sẽ cắt nhau ở tâm cong khác.

Đối với các góc mở nhất định, các tia phát ra từ độ dài của các đoạn tỷ lệ với bán kính cong tương ứng (tức là độ dài và); diện tích của một phần tử bề mặt tỷ lệ thuận với tích các chiều dài, tức là tỷ lệ thuận với nhau, nói cách khác, nếu chúng ta coi một phần tử của bề mặt sóng bị giới hạn bởi một số tia nhất định, thì khi di chuyển dọc theo chúng, diện tích của ​yếu tố này sẽ thay đổi tương ứng.

Mặt khác, cường độ, tức là mật độ dòng năng lượng, tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt mà một lượng năng lượng ánh sáng nhất định đi qua. Vì vậy, chúng tôi đi đến kết luận rằng cường độ

Công thức này nên được hiểu như sau. Trên mỗi tia cho trước (AB trong Hình 7) có một số điểm nhất định và , là tâm cong của tất cả các bề mặt sóng giao nhau với tia này. Khoảng cách và từ điểm O giao điểm của mặt sóng với tia tới các điểm là bán kính cong của mặt sóng tại điểm O. Như vậy, công thức (54.1) xác định cường độ ánh sáng tại điểm O trên một tia cho trước như là một hàm của khoảng cách tới các điểm nhất định trên tia này. Chúng tôi nhấn mạnh rằng công thức này không phù hợp để so sánh cường độ tại các điểm khác nhau trên cùng một bề mặt sóng.

Vì cường độ được xác định bằng bình phương mô đun trường, nên để thay đổi trường dọc theo tia chúng ta có thể viết:

trong đó hệ số pha R có thể được hiểu là cả hai và các đại lượng chỉ khác nhau một hệ số không đổi (đối với một chùm tia cho trước), vì hiệu , khoảng cách giữa cả hai tâm cong, là không đổi.

Nếu cả hai bán kính cong của mặt sóng trùng nhau thì (54.1) và (54.2) có dạng

Đặc biệt, điều này luôn xảy ra trong trường hợp ánh sáng được phát ra từ một nguồn điểm (các bề mặt sóng khi đó là những quả cầu đồng tâm và R là khoảng cách đến nguồn sáng).

Từ (54.1) chúng ta thấy rằng cường độ tiến tới vô cùng tại các điểm, tức là tại tâm cong của các bề mặt sóng. Áp dụng điều này cho tất cả các tia trong một chùm tia, chúng ta thấy rằng cường độ ánh sáng trong một chùm tia nhất định tiến tới vô cùng, nói chung, trên hai bề mặt - quỹ tích hình học của tất cả các tâm cong của bề mặt sóng. Những bề mặt này được gọi là chất ăn da. Trong trường hợp cụ thể của chùm tia có bề mặt sóng hình cầu, cả hai tụ quang hợp nhất thành một điểm (tiêu điểm).

Lưu ý rằng, theo tính chất quỹ tích tâm cong của một họ bề mặt được biết đến từ hình học vi phân, các tia tiếp xúc với tụ quang.

Cần phải lưu ý rằng (với các bề mặt sóng lồi), tâm cong của các bề mặt sóng có thể không nằm trên bản thân các tia mà nằm trên phần mở rộng của chúng ngoài hệ thống quang học mà chúng phát ra. Trong những trường hợp như vậy, chúng ta nói đến tụ quang tưởng tượng (hoặc tiêu điểm tưởng tượng). Trong trường hợp này, cường độ ánh sáng không đạt đến vô cùng.

Về việc chuyển cường độ sang vô cực, tất nhiên trong thực tế, cường độ tại các điểm của tụ quang trở nên lớn nhưng vẫn hữu hạn (xem bài toán ở § 59). Việc chuyển đổi chính thức sang vô cực có nghĩa là phép tính gần đúng quang học hình học trong mọi trường hợp trở nên không thể áp dụng được gần tụ quang. Trường hợp tương tự cũng liên quan đến thực tế là sự thay đổi pha dọc theo tia chỉ có thể được xác định theo công thức (54.2) ở những phần tia không bao gồm các điểm tiếp xúc với chất ăn da. Dưới đây (trong § 59) sẽ chứng minh rằng trong thực tế, khi đi qua một tụ quang, pha trường giảm đi . Điều này có nghĩa là nếu trong phần của tia trước khi chạm vào tụ quang đầu tiên, trường tỷ lệ với hệ số nhân - tọa độ dọc theo tia), thì sau khi truyền qua tụ quang, trường sẽ tỷ lệ tương tự ở gần điểm của tụ quang. tiếp xúc của chất ăn da thứ hai, và ngoài điểm này, trường sẽ tỷ lệ thuận