Волновые свойства света и геометрическая оптика

Введение

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.
Раздел физики, изучающий свойства, физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом, называется оптика. Ее раздел волновая оптика, изучает явления, в которых проявляются волновые свойства света.
Актуальность темы реферата заключается в том, что свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света.
Цель работы – более полное изучение волновых свойств света и геометрической оптики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть сущность и природу света, волновые свойства света, такие как интерференция света, дифракция, поляризация, а также дисперсия света и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.
1. Сущность и природа света
Первые теории о природе света - корпускулярная и волновая - появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.
Согласно волновой теории, свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство - светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса.
Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира.
Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.
Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.
Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).1
Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу

. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.
Волновые явления:
• интерференция;
• дифракция;
• поляризация;
• дисперсия.
Квантовые явления:
• фотоэффект;
• давление света;
• линейчатость спектров испускания и поглощения.
В настоящее время установлено, что корпускулярно - волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.
Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи - вещества и поля.
Таким образом, световая волна - это электромагнитная волна видимого диапазона длин волн.
2. Волновые свойства света
2.1 Интерференция света
Интерференция света – это сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей.
Интерференция света возникает только в случае, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны.
Явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.2
Интерференция возникает при условии, что:
1. Частоты интерферирующих волн одинаковы.
2. Возмущения, если они имеют векторный характер, направлены вдоль одной прямой.
3. Складываемые колебания происходят непрерывно в течение всего времени наблюдения.
2.2 Дифракция света
Дифракция - явление отклонения световых волн от прямолинейного распространения при прохождении света мимо края препятствия. При этом лучи могут попадать в область геометрической тени от препятствия.
Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате наложения (суперпозиции) волн. По историческим причинам отклонение от закона независимости световых пучков, возникающее в результате суперпозиции когерентных волн, принято называть интерференцией волн. Отклонение от закона прямолинейного распространения света, в свою очередь, принято называть дифракцией волн.
Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором возникает дифракционная картина (Рисунок 2.1).3
Рисунок 2.1 – Дифракция света
Свойства дифракции:
• Дифракция волн – характерная особенность распространения волн независимо от их природы.
• Волны могут попадать в область геометрической тени (огибать препятствия, проникать через не­большие отверстия в экранах)