Sifat cahaya
Gagasan pertama tentang sifat cahaya muncul di kalangan orang Yunani dan Mesir kuno. Dengan penemuan dan peningkatan berbagai instrumen optik (cermin parabola, mikroskop, teleskop) ide-ide ini berkembang dan berubah. DI DALAM akhir XVII abad ini, dua teori cahaya muncul: sel darah(I.Newton) dan melambai(R.Hooke dan H.Huygens).
Teori gelombang memandang cahaya sebagai proses gelombang, serupa gelombang mekanik. Teori gelombang didasarkan pada Prinsip Huygens. Penghargaan besar atas pengembangan teori gelombang adalah milik fisikawan Inggris T. Young dan fisikawan Prancis O. Fresnel, yang mempelajari fenomena interferensi dan difraksi. Penjelasan komprehensif mengenai fenomena ini hanya dapat diberikan berdasarkan teori gelombang. Penting konfirmasi eksperimental Validitas teori gelombang diperoleh pada tahun 1851, ketika J. Foucault (dan secara independen darinya A. Fizeau) mengukur kecepatan cahaya dalam air dan memperoleh nilainya υ < C.
Meskipun untuk pertengahan abad ke-19 abad, teori gelombang diterima secara umum, pertanyaan tentang sifat gelombang cahaya masih belum terselesaikan.
Di tahun 60an tahun XIX berabad-abad didirikan oleh Maxwell hukum umum medan elektromagnetik, yang membawanya pada kesimpulan bahwa cahaya itu ada gelombang elektromagnetik. Konfirmasi penting dari sudut pandang ini adalah kebetulan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan konstanta elektrodinamik:
\(~c = \dfrac(1)(\sqrt(\varepsilon_0 \mu_0))\) .
Sifat elektromagnetik cahaya dikenali setelah percobaan G. Hertz (1887–1888) dalam studi gelombang elektromagnetik. Pada awal abad ke-20, setelah percobaan P. N. Lebedev dalam mengukur tekanan cahaya (1901), teori elektromagnetik cahaya berubah menjadi fakta yang mapan.
Peran paling penting dalam menjelaskan sifat cahaya dimainkan oleh penentuan eksperimental kecepatannya. Sejak akhir abad ke-17, upaya berulang kali telah dilakukan untuk mengukur kecepatan cahaya berbagai metode(metode astronomi A. Fizeau, metode A. Michelson). Teknologi laser modern memungkinkan pengukuran kecepatan cahaya Dengan akurasi sangat tinggi berdasarkan pengukuran panjang gelombang independen λ dan frekuensi cahaya ν (C = λ · ν ). Dengan cara ini nilainya ditemukan C= 299792458 ± 1,2 m/s, yang akurasinya melebihi semua nilai yang diperoleh sebelumnya lebih dari dua kali lipat.
Cahayanya menyala dengan luar biasa peran penting dalam hidup kita. Seseorang menerima sejumlah besar informasi tentang dunia di sekitarnya dengan bantuan cahaya. Namun, dalam optik sebagai salah satu cabang fisika, cahaya tidak hanya dipahami cahaya tampak, tetapi juga rentang spektrum radiasi elektromagnetik yang luas - inframerah(IR) dan UV(UV). Menurut mereka sendiri properti fisik cahaya pada dasarnya tidak dapat dibedakan dari radiasi elektromagnetik dalam rentang lain - bagian spektrum yang berbeda berbeda satu sama lain hanya dalam panjang gelombang λ dan frekuensi ν .
Untuk mengukur panjang gelombang dalam rentang optik, digunakan satuan panjang 1 nanometer(nm) dan 1 mikrometer(µm):
1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm = 10 -3 m.
Cahaya tampak menempati rentang dari sekitar 400 nm hingga 780 nm, atau 0,40 µm hingga 0,78 µm.
Medan elektromagnetik yang berubah secara berkala yang merambat di ruang angkasa adalah gelombang elektromagnetik.
Sifat paling penting dari cahaya sebagai gelombang elektromagnetik
- Saat cahaya merambat, perubahan medan listrik dan magnet yang berulang secara berkala terjadi di setiap titik dalam ruang. Perubahan ini mudah digambarkan dalam bentuk osilasi vektor tegangan medan listrik\(~\vec E\) dan induksi medan magnet \(~\vec B\) pada setiap titik dalam ruang. Lampu - gelombang transversal, karena \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) dan \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
- Osilasi vektor \(~\vec E\) dan \(~\vec B\) pada setiap titik gelombang elektromagnetik terjadi dalam fase yang sama dan dalam dua fase yang saling menguntungkan. arah tegak lurus\(~\vec E \perp \vec B\) di setiap titik dalam ruang.
- Periode cahaya sebagai gelombang elektromagnetik (frekuensi) sama dengan periodenya(frekuensi) osilasi sumber gelombang elektromagnetik. Untuk gelombang elektromagnetik hubungan \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) valid. Dalam ruang hampa \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) – panjang gelombangnya paling panjang dibandingkan dengan λ di lingkungan yang berbeda, karena ν = const dan hanya perubahan υ Dan λ ketika berpindah dari satu lingkungan ke lingkungan lain.
- Cahaya merupakan pembawa energi, dan perpindahan energi terjadi searah dengan rambat gelombang. Kepadatan Massal energi medan elektromagnetik ditentukan oleh ekspresi \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot \mu \cdot \mu_0 )\)
- Cahaya, seperti gelombang lainnya, merambat lurus dalam medium homogen, mengalami pembiasan ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya, dan dipantulkan dari penghalang logam. Mereka dicirikan oleh fenomena difraksi dan interferensi.
Interferensi cahaya
Untuk mengamati interferensi gelombang pada permukaan air digunakan dua sumber gelombang (dua bola dipasang pada batang osilasi). Tidak mungkin memperoleh pola interferensi (pencahayaan minimum dan maksimum bergantian) dengan menggunakan dua sumber cahaya independen biasa, misalnya dua bola lampu. Menyalakan bola lampu lain hanya meningkatkan penerangan permukaan, tetapi tidak menciptakan pergantian penerangan minimum dan maksimum.
Agar pola interferensi yang stabil dapat diamati ketika gelombang cahaya ditumpangkan, gelombang tersebut harus koheren, yaitu memiliki panjang gelombang yang sama dan beda fasa yang konstan.
Mengapa gelombang cahaya dari dua sumber tidak koheren?
Pola interferensi dari dua sumber yang telah kami uraikan muncul hanya jika gelombang monokromatik dengan frekuensi yang sama ditambahkan. Untuk gelombang monokromatik, perbedaan fasa antara osilasi pada titik mana pun dalam ruang adalah konstan.
Gelombang yang frekuensinya sama dan beda fasa tetap disebut koheren.
Hanya gelombang yang koheren, saling menumpangkan, memberikan pola interferensi yang stabil dengan lokasi konstan dalam ruang osilasi maksimum dan minimum. Gelombang cahaya dari dua sumber independen tidak koheren. Atom-atom sumber memancarkan cahaya secara independen satu sama lain dalam “potongan” (rangkaian) gelombang sinusoidal yang terpisah. Durasi radiasi terus menerus suatu atom adalah sekitar 10 detik. Selama waktu ini, cahaya menempuh jalur sepanjang sekitar 3 m (Gbr. 1).
Rangkaian gelombang dari kedua sumber ini saling bertumpukan. Perbedaan fase osilasi di titik mana pun di ruang angkasa berubah secara kacau seiring waktu, bergantung pada caranya saat ini waktu kereta dari berbagai sumber bergeser relatif satu sama lain. Gelombang dari sumber cahaya yang berbeda tidak koheren karena perbedaan fase awal tidak tetap. Fase φ 01 dan φ 02 berubah secara acak, dan karena itu, perbedaan fasa dari osilasi yang dihasilkan berubah secara acak di setiap titik dalam ruang.
Jika terjadi jeda acak dan terjadinya osilasi, perbedaan fasa berubah secara acak, memakan waktu pengamatan τ semua nilai yang mungkin dari 0 hingga 2 π . Akibatnya, seiring berjalannya waktu τ jauh lebih lama dibandingkan waktu perubahan fasa tidak beraturan (sekitar 10 -8 detik), nilai rata-rata cos ( φ 1 – φ 2) dalam rumus
\(~I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac(\varphi_1 - \varphi_2)(2) = 2 I_0 \) .
sama dengan nol. Intensitas cahayanya ternyata sama dengan jumlahnya intensitas dari sumber individual, dan tidak ada pola interferensi yang akan diamati. Inkoherensi gelombang cahaya adalah alasan utama bahwa cahaya dari dua sumber tidak menghasilkan pola interferensi. Ini adalah alasan utama, tetapi bukan satu-satunya alasan. Alasan lainnya adalah panjang gelombang cahaya, seperti yang akan segera kita lihat, sangat pendek. Hal ini membuat sangat sulit untuk mengamati interferensi, meskipun kita memiliki sumber gelombang yang koheren.
Kondisi maksimum dan minimum pola interferensi
Akibat superposisi dua atau lebih gelombang koheren dalam ruang, a pola interferensi, yang merupakan pergantian intensitas cahaya maksimum dan minimum, dan karenanya pencahayaan layar.
Intensitas cahaya pada suatu titik tertentu dalam ruang ditentukan oleh perbedaan fase osilasi φ 1 – φ 2. Jika osilasi sumber berada dalam satu fase, maka φ 01 – φ 02 = 0 dan
\(~\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 2 \pi \dfrac(r_2 - r_1)(\lambda)\) . (1)
Perbedaan fasa ditentukan oleh perbedaan jarak dari sumber ke titik pengamatan Δ R = R 1 – R 2 (perbedaan jarak disebut perbedaan pukulan ). Pada titik-titik dalam ruang yang kondisinya terpenuhi
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = k \lambda ; k = 0, 1, 2, \ldots\) . (2)
gelombang-gelombang tersebut bila dijumlahkan akan saling menguatkan, dan intensitas yang dihasilkan 4 kali lebih besar dari intensitas masing-masing gelombang, yaitu. diamati maksimum . Sebaliknya, kapan
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = \dfrac(\lambda)(2) (2k + 1)\) . (3)
gelombang saling meniadakan ( SAYA= 0), yaitu diamati minimum .
Prinsip Huygens – Fresnel
Teori gelombang didasarkan pada prinsip Huygens: setiap titik yang dicapai gelombang berfungsi sebagai pusat gelombang sekunder, dan selubung gelombang ini memberikan posisi muka gelombang pada saat berikutnya.
Membiarkan gelombang pesawat jatuh secara normal ke dalam lubang di layar buram (Gbr. 2). Menurut Huygens, setiap titik pada bagian muka gelombang yang diisolasi oleh lubang berfungsi sebagai sumber gelombang sekunder (dalam keadaan homogen). lingkungan isotropik mereka berbentuk bola). Setelah membangun selubung gelombang sekunder pada saat tertentu, kita melihat bahwa muka gelombang memasuki wilayah bayangan geometris, yaitu gelombang mengelilingi tepi lubang.
Prinsip Huygens hanya memecahkan masalah arah rambat muka gelombang, menjelaskan fenomena difraksi, tetapi tidak membahas masalah amplitudo, dan akibatnya, intensitas gelombang yang merambat ke arah yang berbeda. Fresnel memperkenalkan prinsip Huygens arti fisik, melengkapinya dengan gagasan interferensi gelombang sekunder.
Menurut Prinsip Huygens – Fresnel, gelombang cahaya, yang dibangkitkan oleh beberapa sumber S, dapat direpresentasikan sebagai hasil superposisi gelombang sekunder koheren yang “dipancarkan” oleh sumber fiktif.
Sumber tersebut dapat berupa elemen yang sangat kecil dari setiap permukaan tertutup yang melingkupi sumber S. Biasanya, salah satu dari berikut ini dipilih sebagai permukaan ini: permukaan gelombang, oleh karena itu semua sumber fiktif bertindak secara bertahap. Jadi, gelombang yang merambat dari sumbernya merupakan hasil interferensi semua gelombang sekunder yang koheren. Fresnel mengesampingkan kemungkinan terjadinya gelombang sekunder mundur dan berasumsi bahwa jika terdapat layar buram dengan lubang antara sumber dan titik pengamatan, maka pada permukaan layar amplitudo gelombang sekunder adalah nol, dan pada permukaan layar. lubangnya sama dengan tidak adanya layar. Mempertimbangkan amplitudo dan fase gelombang sekunder memungkinkan dalam setiap kasus tertentu untuk menemukan amplitudo (intensitas) gelombang yang dihasilkan di titik mana pun dalam ruang, yaitu untuk menentukan pola rambat cahaya.
Metode untuk mendapatkan pola interferensi
Ide oleh Augustin Fresnel
Untuk mendapatkan sumber cahaya yang koheren fisikawan Perancis Augustin Fresnel (1788-1827) menemukan metode yang sederhana dan cerdik pada tahun 1815. Penting untuk membagi cahaya dari satu sumber menjadi dua sinar dan memaksanya untuk lewat cara yang berbeda, satukan. Kemudian rangkaian gelombang memancar atom terpisah, akan dipecah menjadi dua kereta yang koheren. Hal ini akan terjadi pada rangkaian gelombang yang dipancarkan oleh setiap atom sumber. Cahaya yang dipancarkan oleh satu atom menghasilkan pola interferensi tertentu. Ketika pola-pola ini ditumpangkan satu sama lain, diperoleh distribusi iluminasi yang cukup intens pada layar: pola interferensi dapat diamati.
Ada banyak cara untuk mendapatkan sumber cahaya yang koheren, namun esensinya sama. Dengan membagi berkas menjadi dua bagian, diperoleh dua sumber cahaya imajiner yang menghasilkan gelombang koheren. Untuk melakukan ini, gunakan dua cermin (cermin ganda Fresnel), sebuah biprisma (dua prisma terlipat di alasnya), sebuah bilens (lensa dipotong menjadi dua dengan bagiannya dipisahkan), dll.
cincin Newton
Eksperimen pertama yang mengamati interferensi cahaya dalam kondisi laboratorium dilakukan oleh I. Newton. Ia mengamati pola interferensi yang terjadi ketika cahaya dipantulkan dalam celah udara tipis antara pelat kaca datar dan lensa plano-cembung. radius besar lengkungan. Pola interferensinya berbentuk cincin konsentris yang disebut cincin Newton(Gbr. 3 a, b).
Newton tidak dapat menjelaskan secara istilah teori sel darah mengapa cincin muncul, tetapi dia memahami bahwa ini disebabkan oleh periodisitas tertentu dari proses cahaya.
Eksperimen celah ganda Young
Eksperimen yang dikemukakan oleh T. Young secara meyakinkan menunjukkan sifat gelombang cahaya. Untuk lebih memahami hasil percobaan Jung, ada baiknya kita terlebih dahulu mempertimbangkan situasi di mana cahaya melewati satu celah pada sebuah partisi. Dalam percobaan dengan satu celah cahaya monokromatik dari sumber melewati celah sempit dan terekam di layar. Yang tak disangka, dengan celah yang cukup sempit, yang terlihat di layar bukanlah garis bercahaya sempit (gambar celah), melainkan distribusi intensitas cahaya yang mulus, maksimum di bagian tengah dan berangsur-angsur menurun ke arah tepi. . Fenomena ini disebabkan oleh difraksi cahaya oleh celah dan juga merupakan akibat sifat gelombang cahaya.
Sekarang mari kita membuat dua celah pada partisi (Gbr. 4). Dengan menutup satu atau celah lainnya secara berturut-turut, Anda dapat memastikan bahwa pola distribusi intensitas pada layar akan sama seperti pada satu celah, tetapi hanya posisi intensitas maksimum yang setiap saat akan sesuai dengan posisi celah tersebut. celah terbuka. Jika kedua celah dibuka, rangkaian garis terang dan gelap bergantian muncul di layar, dan kecerahan garis terang berkurang seiring dengan jarak dari pusat.
Beberapa Penerapan Interferensi
Penerapan interferensi sangat penting dan luas.
Ada perangkat khusus - interferometer- yang tindakannya didasarkan pada fenomena interferensi. Tujuannya bisa berbeda-beda: pengukuran panjang gelombang cahaya yang tepat, pengukuran indeks bias gas, dll. Tersedia interferometer tujuan khusus. Salah satunya, yang dirancang oleh Michelson untuk mencatat perubahan sangat kecil pada kecepatan cahaya, akan dibahas pada bab “Dasar-Dasar Teori Relativitas”.
Kami akan fokus hanya pada dua penerapan interferensi.
Memeriksa kualitas perawatan permukaan
Dengan menggunakan interferensi, Anda dapat mengevaluasi kualitas penggilingan permukaan suatu produk dengan kesalahan hingga 10 -6 cm. Untuk melakukan ini, Anda perlu membuat lapisan udara tipis antara permukaan sampel dan referensi yang sangat halus piring (Gbr. 5).
Kemudian ketidakteraturan permukaan hingga 10 -6 cm akan menyebabkan kelengkungan yang nyata dari pinggiran interferensi yang terbentuk ketika cahaya dipantulkan dari permukaan yang diuji dan tepi bawah pelat referensi.
Secara khusus, kualitas penggilingan lensa dapat diperiksa dengan mengamati cincin Newton. Akan ada cincin lingkaran biasa hanya jika permukaan lensa benar-benar bulat. Setiap penyimpangan dari kebulatan lebih besar dari 0,1 λ akan sangat mempengaruhi bentuk cincin. Jika terdapat tonjolan pada lensa, cincin akan membengkok ke arah tengah.
Anehnya, fisikawan Italia E. Torricelli (1608-1647) mampu menggiling lensa dengan kesalahan hingga 10 -6 cm. Lensanya disimpan di museum, dan kualitasnya telah diperiksa metode modern. Bagaimana dia bisa melakukan ini? Sulit untuk menjawab pertanyaan ini. Pada saat itu, rahasia penguasaan biasanya tidak diungkapkan. Rupanya, Torricelli menemukan cincin interferensi jauh sebelum Newton dan menduga bahwa cincin tersebut dapat digunakan untuk memeriksa kualitas penggilingan. Tapi, tentu saja Torricelli tidak tahu mengapa cincin itu muncul.
Perhatikan juga bahwa, dengan menggunakan cahaya monokromatik yang hampir ketat, seseorang dapat mengamati pola interferensi ketika dipantulkan dari bidang yang terletak pada jarak satu sama lain. interlokal(sekitar beberapa meter). Ini memungkinkan Anda mengukur jarak ratusan sentimeter dengan kesalahan hingga 10 -6 cm.
Lapisan optik
Lensa kamera modern atau proyektor film, periskop kapal selam dan berbagai perangkat optik lainnya terdiri dari jumlah besar kacamata optik - lensa, prisma, dll. Melewati perangkat tersebut, cahaya dipantulkan dari banyak permukaan. Jumlah permukaan reflektif pada lensa fotografi modern melebihi 10, dan pada periskop kapal selam mencapai 40. Ketika cahaya jatuh tegak lurus permukaan, 5-9% dari total energi dipantulkan dari setiap permukaan. Oleh karena itu, hanya 10-20% cahaya yang masuk sering melewati perangkat. Akibatnya, iluminasi gambar menjadi rendah. Selain itu, kualitas gambar menurun. Bagian dari berkas cahaya setelah dipantulkan berulang kali permukaan bagian dalam masih melewati instrumen optik, tetapi menghilang dan tidak lagi berpartisipasi dalam menciptakan gambaran yang jelas. Dalam gambar fotografi, misalnya, “kerudung” dibentuk karena alasan ini.
Untuk menghilangkan konsekuensi tidak menyenangkan dari pantulan cahaya dari permukaan kacamata optik, proporsi energi cahaya yang dipantulkan perlu dikurangi. Gambar yang dihasilkan perangkat menjadi lebih terang dan “cerah”. Dari sinilah istilah tersebut berasal pembersihan optik.
Kliring optik didasarkan pada interferensi. Ke permukaan kaca optik, seperti lensa, aplikasikan film tipis dengan indeks bias N n, kurang dari indeks bias kaca N Dengan. Untuk mempermudah, mari kita perhatikan kasus kejadian cahaya normal pada film (Gbr. 6).
Kondisi yang tercermin dari atas dan permukaan bawah gelombang film saling menghilangkan, akan ditulis (untuk film dengan ketebalan minimum) sebagai berikut:
\(~2h = \dfrac(\lambda)(2 n_n)\) . (4)
dimana \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) adalah panjang gelombang dalam film, dan 2 H- perbedaan pukulan.
Jika amplitudo kedua gelombang pantulan sama atau sangat dekat satu sama lain, maka pemadaman cahaya akan sempurna. Untuk mencapai hal ini, indeks bias film dipilih sesuai, karena intensitas cahaya yang dipantulkan ditentukan oleh rasio indeks bias dari dua media yang berdekatan.
Dalam kondisi normal, cahaya putih mengenai lensa. Ekspresi (4) menunjukkan bahwa ketebalan film yang dibutuhkan bergantung pada panjang gelombang. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk menekan gelombang pantulan di semua frekuensi. Ketebalan film dipilih sehingga kepunahan total pada kejadian normal terjadi untuk panjang gelombang di bagian tengah spektrum ( hijau, λ jam = 5,5·10 -7 m); itu harus sama dengan seperempat panjang gelombang dalam film:
\(~h = \dfrac(\lambda)(4 n_n)\) . (4)
Pantulan cahaya dari bagian ekstrim spektrum - merah dan ungu - sedikit melemah. Oleh karena itu, lensa dengan optik berlapis memiliki warna ungu muda pada cahaya yang dipantulkan. Sekarang bahkan kamera murah yang sederhana pun memiliki optik berlapis. Sebagai kesimpulan, kami tekankan sekali lagi bahwa memadamkan cahaya dengan cahaya tidak berarti mengubah energi cahaya menjadi bentuk lain. Seperti halnya interferensi gelombang mekanik, pembatalan gelombang satu sama lain di suatu area ruang tertentu berarti energi cahaya tidak sampai di sini. Redaman gelombang pantulan pada lensa dengan optik berlapis berarti semua cahaya melewati lensa.
Aplikasi
Penambahan dua gelombang monokromatik
Mari kita lihat lebih dekat penambahan keduanya gelombang harmonis frekuensi yang sama ν di beberapa titik A lingkungan yang homogen, mengingat sumber gelombang tersebut S 1 dan S 2 dari titik tersebut A pada jarak, masing-masing, aku 1 dan aku 2 (Gbr. 7).
Mari kita asumsikan untuk penyederhanaan bahwa gelombang yang ditinjau adalah gelombang yang terpolarisasi pada bidang memanjang atau melintang, dan amplitudonya sama A 1 dan A 2. Kemudian, sesuai dengan \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\), persamaan gelombang-gelombang tersebut di titik A terlihat seperti
\(~x_1(l_1,t) = a_1 \cdot \sin (\omega t - k l_1 + \varphi_(01))\) . (5) \(~x_2(l_2,t) = a_2 \cdot \sin (\omega t - k l_2 + \varphi_(02))\) . (6)
Persamaan gelombang yang dihasilkan yang merupakan superposisi gelombang (5), (6), adalah jumlah keduanya:
\(~x(t) = x_1(l_1,t) + x_2(l_2,t) = a \cdot \sin (\omega t + \varphi)\) , (7)
Selain itu, seperti yang dapat dibuktikan dengan menggunakan teorema kosinus yang diketahui dari geometri, kuadrat amplitudo osilasi yang dihasilkan ditentukan oleh rumus
\(~a^2 = a^2_1 + a^2_2 + 2 a_1 a_2 \cos \Delta \varphi\)> , (8)
di mana Δ φ - perbedaan fase osilasi:
\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_(01) - \varphi_(02))\) . (9)
(Ekspresi untuk fase awal φ 01 kami tidak akan memberikan getaran yang dihasilkan karena ukurannya yang besar).
Dari (8) jelas amplitudo osilasi yang dihasilkan adalah fungsi periodik perbedaan pukulan Δ aku. Jika perbedaan jalur gelombang sedemikian rupa sehingga perbedaan fasa Δ φ sama dengan
\(~\Delta \varphi = \pm 2 \pi n ; n = 0, 1, 2, \ldots\) , (10)
lalu pada intinya A amplitudo gelombang yang dihasilkan akan maksimum ( kondisi maksimal), jika
\(~\Delta \varphi = \pm (2n +1) \pi\) , (11)
maka amplitudo pada titik tersebut A minimal ( kondisi minimal).
Dengan asumsi untuk kesederhanaan itu φ 01 = φ 02 dan A 1 = A 2, dan dengan mempertimbangkan persamaan \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\), kondisi (10) dan (11) serta ekspresi terkait untuk amplitudo a dapat dituliskan dalam bentuk:
\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( kondisi maksimal), (12)
kemudian A = A 1 + A 2, dan
\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac(\lambda)(2)\) ( kondisi minimal), (13)
kemudian A = 0.
Sastra
- Myakishev G.Ya. Fisika: Optik. Fisika kuantum. kelas 11: Pendidikan. untuk studi mendalam tentang fisika / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. – M.: Bustard, 2002. – 464 hal.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. Fisika dari A sampai Z: untuk siswa, pelamar, tutor. – Mn.: Paradoks, 2000. – 560 hal.
Gimnasium 144
Abstrak
Kecepatan cahaya.
Interferensi cahaya.
Gelombang berdiri.
siswa kelas 11
Korchagin Sergey
Sankt Peterburg 1997.
Lampu - gelombang elektromagnetik.
Pada abad ke-17, muncul dua teori cahaya: gelombang dan sel darah. Teori sel darah 1 dikemukakan oleh Newton, dan teori gelombang oleh Huygens. Menurut gagasan Huygens, cahaya adalah gelombang yang merambat dalam media khusus - eter, memenuhi seluruh ruang. Kedua teori tersebut telah ada secara paralel sejak lama. Ketika salah satu teori tidak dapat menjelaskan suatu fenomena, maka teori tersebut dijelaskan oleh teori yang lain. Misalnya, perambatan cahaya berbentuk bujursangkar, yang mengarah pada pembentukan bayangan tajam, tidak dapat dijelaskan berdasarkan teori gelombang. Namun, di awal XIX abad, fenomena seperti difraksi 2 dan interferensi 3 ditemukan, yang memunculkan gagasan bahwa teori gelombang akhirnya mengalahkan teori sel. Pada paruh kedua abad ke-19, Maxwell menunjukkan bahwa cahaya adalah kasus khusus dari gelombang elektromagnetik. Karya-karya ini menjadi landasan bagi teori elektromagnetik cahaya. Namun, pada awal abad ke-20 ditemukan bahwa ketika cahaya dipancarkan dan diserap, ia berperilaku seperti aliran partikel.
Kecepatan cahaya.
Ada beberapa cara untuk menentukan kecepatan cahaya: metode astronomi dan laboratorium.
Kecepatan cahaya pertama kali diukur oleh ilmuwan Denmark Roemer pada tahun 1676, dengan menggunakan metode astronomi. Dia menghitung waktu ketika bulan terbesar Jupiter, Io, berada dalam bayangannya planet besar. Roemer melakukan pengukuran pada saat planet kita paling dekat dengan Jupiter, dan pada saat kita berada sedikit (dalam istilah astronomi) lebih jauh dari Jupiter. Dalam kasus pertama, interval antar wabah adalah 48 jam 28 menit. Dalam kasus kedua, satelit terlambat 22 menit. Dari sini disimpulkan bahwa cahaya memerlukan waktu 22 menit untuk menempuh jarak pengamatan sebelumnya ke pengamatan sekarang. Mengetahui jarak dan waktu tunda Io, ia menghitung kecepatan cahaya, yang ternyata sangat besar, kira-kira 300.000 km/s 4 .
Kecepatan cahaya pertama kali diukur dengan metode laboratorium oleh fisikawan Perancis Fizeau pada tahun 1849. Ia memperoleh nilai kecepatan cahaya sebesar 313.000 km/s.
Menurut data modern, kecepatan cahaya adalah 299.792.458 m/s ±1,2 m/s.
Interferensi cahaya.
Cukup sulit memperoleh gambaran interferensi gelombang cahaya. Alasannya adalah gelombang cahaya yang dipancarkan oleh sumber berbeda tidak konsisten satu sama lain. Mereka harus memiliki panjang gelombang yang sama dan perbedaan fase yang konstan di setiap titik dalam ruang 5. Kesetaraan panjang gelombang mudah dicapai dengan menggunakan filter cahaya. Tetapi tidak mungkin mencapai perbedaan fasa yang konstan karena fakta bahwa atom-atom dari sumber yang berbeda memancarkan cahaya secara independen satu sama lain 6 .
Meskipun demikian, interferensi cahaya dapat diamati. Misalnya warna pelangi pada gelembung sabun atau pada lapisan tipis minyak tanah atau minyak di atas air. Ilmuwan Inggris T. Jung adalah orang pertama yang mengemukakan gagasan cemerlang bahwa warna dijelaskan oleh penambahan gelombang, salah satunya dipantulkan dari permukaan luar, dan yang lainnya dari dalam. Dalam hal ini terjadi interferensi 7 gelombang cahaya. Hasil interferensi bergantung pada sudut datang cahaya pada film, ketebalan dan panjang gelombangnya.
Gelombang berdiri.
Telah diketahui bahwa jika salah satu ujung tali diayunkan dengan frekuensi yang dipilih dengan benar (ujung lainnya tetap), maka gelombang kontinu akan mengalir menuju ujung tetap, yang kemudian akan dipantulkan dengan hilangnya setengah gelombang. Interferensi antara gelombang datang dan gelombang pantul akan menghasilkan gelombang berdiri yang tampak diam. Stabilitas gelombang ini memenuhi syarat:
L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,
Dimana L adalah panjang tali; n * 1,2,3, dst.; u adalah kecepatan rambat gelombang, yang bergantung pada tegangan tali.
Gelombang berdiri tereksitasi di semua benda yang mampu berosilasi.
Terbentuknya gelombang berdiri merupakan fenomena resonansi yang terjadi pada frekuensi resonansi atau frekuensi alami suatu benda. Titik dimana interferensi dihilangkan disebut node, dan titik dimana interferensi diperkuat disebut antinode.
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik………………………………………..2
Kecepatan cahaya................................................................................2
Interferensi cahaya…………………………………………………………….3
Gelombang berdiri…………………………………………………3
Fisika 11 (G.Ya.Myakishev B.B.Bukhovtsev)
Fisika 10 (N.M.Shakhmaev S.N.Shakhmaev)
Catatan pendukung dan tugas tes(GD Luppov)
1 kata Latin"sel darah" yang diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia berarti "partikel".
2 Cahaya membelok di sekitar rintangan.
3 Fenomena menguat atau melemahnya cahaya ketika berkas cahaya ditumpangkan.
4 Roemer sendiri memperoleh nilai 215.000 km/s.
5 Gelombang yang panjangnya sama dan beda fasanya tetap disebut koheren.
6 Satu-satunya pengecualian adalah sumber cahaya kuantum - laser.
7 Penambahan dua gelombang, yang mengakibatkan intensifikasi atau pelemahan getaran cahaya yang dihasilkan secara terus-menerus diamati pada titik-titik berbeda di ruang angkasa.
Cahaya dapat dianggap sebagai gelombang elektromagnetik, kecepatan rambatnya dalam ruang hampa adalah konstan, atau sebagai aliran foton - partikel dengan energi, momentum, momentum sudut intrinsik, dan massa nol tertentu.
Dalam optik, cahaya mengacu pada gelombang elektromagnetik dengan jangkauan yang cukup sempit. Seringkali, cahaya dipahami tidak hanya sebagai cahaya tampak, tetapi juga sebagai wilayah spektrum luas yang berdekatan dengannya. Secara historis, istilah " cahaya tak kasat mata» — sinar ultraviolet, cahaya inframerah, gelombang radio. Panjang gelombang cahaya tampak terletak pada kisaran 380 hingga 760 nanometer.
Salah satu ciri cahaya adalah warnanya yang ditentukan oleh frekuensi gelombang cahaya. Cahaya putih merupakan campuran gelombang dengan frekuensi berbeda. Itu dapat diuraikan menjadi gelombang berwarna, yang masing-masing dicirikan oleh frekuensi tertentu. Gelombang seperti ini disebut monokromatik.
Kecepatan cahaya
Menurut pengukuran terbaru, kecepatan cahaya dalam ruang hampa
Mengukur kecepatan cahaya bermacam-macam zat transparan menunjukkan bahwa itu selalu lebih kecil daripada di ruang hampa. Misalnya, di dalam air kecepatan cahaya berkurang 4/3 kali lipat.
Perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa dengan cepat rambat cahaya di zat disebut indikator mutlak pembiasan materi.
(25)
Ketika gelombang cahaya berpindah dari ruang hampa ke materi, frekuensinya tetap konstan (warna tidak berubah). Panjang gelombang pada medium dengan indeks bias N perubahan:
Gelombang elektromagnetik adalah perambatan medan elektromagnetik dalam ruang dan waktu.
Mari kita perhatikan sifat dasar gelombang elektromagnetik.1. Gelombang elektromagnetik dipancarkan ragu-ragu biaya.
Akselerasi tersedia- syarat utama pancaran gelombang elektromagnetik.
2. Gelombang seperti itu tidak hanya dapat merambat dalam gas, cairan dan media padat, tetapi juga dalam ruang hampa.
3. Gelombang elektromagnetik bersifat transversal.
4. Cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa c = 300.000 km/s.
5. Saat berpindah dari satu lingkungan ke lingkungan lain frekuensi gelombang tidak berubah.
6. Gelombang elektromagnetik bisa diserap zat. Hal ini disebabkan (25)
penyerapan energi resonansi oleh partikel materi bermuatan. Jika frekuensi alami osilasi partikel dielektrik sangat berbeda dengan frekuensi gelombang elektromagnetik, penyerapan terjadi dengan lemah, dan medium menjadi transparan terhadap gelombang elektromagnetik.
7. Ketika mengenai antarmuka antara dua media, sebagian gelombang dipantulkan, dan sebagian lagi berpindah ke media lain, pembiasan. Jika medium kedua adalah logam, maka gelombang yang melewati medium kedua cepat meluruh, dan paling energi dipantulkan ke media pertama (logam tidak tembus cahaya terhadap gelombang elektromagnetik).
Untuk gelombang elektromagnetik, maupun gelombang mekanik, sifat difraksi, interferensi, polarisasi dan lain-lain berlaku.
Seseorang merasakan sebagian besar informasi tentang dunia di sekitarnya melalui organ penglihatan. Namun mata sendiri hanya mampu melihat satu jenis energi - elektromagnetik, dan itupun dalam rentang cahaya yang sangat sempit. Jadi apa itu cahaya? Apa sumber terkenalnya? radiasi tampak apakah seseorang menggunakannya? Apa sifat ganda cahaya? Dan apa saja sifat utamanya? Sekarang mari kita cari tahu jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini.
Cahaya sebagai gelombang elektromagnetik
Cahaya dianggap sebagai gelombang elektromagnetik yang dapat dilihat oleh mata manusia. Untuk melakukan ini, panjang gelombang ini tidak boleh melampaui batas 380-400 nm hingga 760-780 nm. Setelah 780 nm, rentang inframerah dimulai, yang dapat dirasakan seseorang sebagai panas, dan radiasi ultraviolet muncul sebelum spektrum tampak. Beberapa serangga dan burung dapat melihatnya, dan kulit manusia dapat bereaksi dengan penyamakan. Rentang radiasi elektromagnetik yang terlihat itu sendiri dibagi menjadi beberapa segmen, yang masing-masing dianggap seseorang sebagai cahaya dengan warna tertentu. Misalnya, ungu memiliki panjang gelombang 380-440 nm, hijau - 500-565 nm, dan merah - 625-740 nm. Secara total, ada 7 warna primer dari spektrum tampak; warna tersebut dapat diamati saat melihat pelangi. Tapi cahaya putih adalah campuran dari semua spektrum warna.
Sumber cahaya
Sumber cahaya adalah suatu zat yang dipanaskan sampai suhu tertentu atau tereksitasi. Cahaya datang ke Bumi dari Matahari, bintang-bintang lain, beberapa planet yang dipanaskan, komet, dan benda langit lainnya. Di planet kita, sumber cahaya dapat berupa api - api, nyala lilin, obor atau lampu minyak, serta zat yang dipanaskan. Manusia menemukan dan sumber buatan radiasi tampak, khususnya lampu pijar, di mana cahaya dipancarkan oleh filamen tungsten yang dipanaskan oleh arus listrik, lampu fluoresen, di mana lapisan fosfor bersinar, tereksitasi oleh pelepasan listrik dalam gas yang mengisi labu, lampu halogen, lampu merkuri dan lain-lain.
Sifat-sifat cahaya
Cerminan
Bisa dilihat radiasi elektromagnetik merambat dalam media transparan vakum dan homogen secara bujursangkar dengan kecepatan kira-kira 300.000 km/s. Pada saat yang sama, cahaya memiliki banyak sifat lainnya. Misalnya, cahaya dipantulkan dari permukaan buram, dan sudut datang sama dengan sudut refleksi. Akibatnya, cahaya yang dipantulkan dari suatu benda dapat ditangkap oleh mata dan memungkinkan benda tersebut terlihat. Perhatikan juga bahwa Bulan dan beberapa planet bukanlah sumber cahaya, namun kita melihatnya karena sumber cahaya tersebut benda langit memantulkan radiasi dari Matahari.
Pembiasan
Ketika melewati antara dua media dengan kepadatan optik yang berbeda, cahaya mampu membias. Misalnya, ketika seberkas sinar berpindah dari udara ke air, karena perbedaan kepadatan optik Media ini mengubah kecepatan dan arah pergerakan cahaya di dalamnya. Inilah sebabnya mengapa sendok di dalam segelas air tampak sedikit pecah, dan kerikil di dasar danau tampak lebih dekat dari yang sebenarnya.
Interferensi dan difraksi
Sifat gelombang cahaya diwujudkan dalam sifat-sifatnya seperti interferensi dan difraksi. Sifat pertama adalah kemampuan beberapa gelombang untuk dijumlahkan menjadi gelombang yang dihasilkan, yang parameternya adalah poin yang berbeda bertambah atau berkurang secara nyata. Hasil interferensi cahaya dapat diamati berupa permainan pola pelangi gelembung sabun, noda minyak atau sayap serangga. Dan difraksi adalah kemampuan gelombang cahaya untuk membelok di sekitar suatu penghalang dan jatuh ke dalam daerah bayangan geometrisnya, misalnya hamburan cahaya pada tetesan air yang berupa awan pelangi.
Ringan seperti aliran partikel
Pada saat yang sama, cahaya tidak hanya memilikinya sifat gelombang, dan dalam beberapa kasus berperilaku seperti aliran partikel - foton. Secara khusus, hukum fenomena efek fotolistrik, ketika cahaya yang mengenai suatu zat mengeluarkan elektron darinya, hanya dapat dijelaskan dari sudut pandang teori cahaya sel, yang merepresentasikan radiasi elektromagnetik dalam bentuk a aliran foton. Namun, gelombang dan teori foton Lampu-lampu tersebut tidak hanya tidak bertentangan satu sama lain, namun saling melengkapi. Dalam komunitas ilmiah mereka berbicara tentang dualitas gelombang-partikel cahaya, yang menjelaskan apa itu cahaya dan mengungkapkan sifat-sifatnya sebagai gelombang dan aliran partikel.
Cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Pada akhir abad ke-17, dua hipotesis ilmiah tentang sifat cahaya - sel darah Dan melambai. Menurut teori sel darah, cahaya adalah aliran partikel cahaya kecil (sel darah) yang terbang dengan kecepatan sangat tinggi. Newton percaya bahwa pergerakan sel-sel cahaya mematuhi hukum mekanika. Dengan demikian, pemantulan cahaya dipahami serupa dengan pemantulan bola elastis dari sebuah bidang. Pembiasan cahaya dijelaskan oleh perubahan kecepatan partikel ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Teori gelombang memandang cahaya sebagai proses gelombang yang mirip dengan gelombang mekanik. Menurut ide-ide modern, cahaya mempunyai sifat ganda, yaitu. itu secara bersamaan dicirikan oleh sifat sel dan gelombang. Dalam fenomena seperti interferensi dan difraksi, sifat gelombang cahaya diutamakan, dan dalam fenomena efek fotolistrik, sifat sel hidup. Dalam optik, cahaya mengacu pada gelombang elektromagnetik dengan jangkauan yang cukup sempit. Seringkali, cahaya dipahami tidak hanya sebagai cahaya tampak, tetapi juga sebagai wilayah spektrum luas yang berdekatan dengannya. Secara historis, istilah "cahaya tak terlihat" muncul - sinar ultraviolet, sinar inframerah, gelombang radio. Panjang gelombang cahaya tampak berkisar antara 380 hingga 760 nanometer. Salah satu ciri cahaya adalah sifatnya warna, yang ditentukan oleh frekuensi gelombang cahaya. Cahaya putih adalah campuran gelombang dengan frekuensi berbeda. Itu dapat diuraikan menjadi gelombang berwarna, yang masing-masing dicirikan oleh frekuensi tertentu. Gelombang seperti ini disebut monokromatik. Menurut pengukuran terbaru, kecepatan cahaya dalam ruang hampa disebut perbandingan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam materi indeks bias absolut zat.
Ketika gelombang cahaya berpindah dari ruang hampa ke materi, frekuensinya tetap konstan (warna tidak berubah). Panjang gelombang pada medium dengan indeks bias N perubahan:
Interferensi cahaya- Pengalaman Jung. Cahaya dari bola lampu dengan filter cahaya, yang menghasilkan cahaya hampir monokromatik, melewati dua celah sempit yang berdekatan, di belakangnya dipasang layar. Sistem garis terang dan gelap - garis interferensi - akan diamati di layar. DI DALAM dalam hal ini satu gelombang cahaya terbelah menjadi dua, datang dari celah yang berbeda. Kedua gelombang ini saling koheren dan bila ditumpangkan satu sama lain akan menghasilkan sistem intensitas cahaya maksimum dan minimum berupa garis-garis gelap dan terang dengan warna yang sesuai.
Interferensi cahaya- kondisi maks dan min. Kondisi maksimal: Jika perbedaan optik pada jalur gelombang mengandung jumlah setengah gelombang genap atau jumlah gelombang bilangan bulat, maka peningkatan intensitas cahaya (maks) diamati pada titik tertentu di layar. , di mana perbedaan fasa gelombang yang ditambahkan. Kondisi minimal: Jika perbedaan jalur gelombang optik cocok angka ganjil setengah gelombang, maka pada titik tersebut terdapat minimum.
