Işığın doğası
Işığın doğasına ilişkin ilk fikirler eski Yunanlılar ve Mısırlılar arasında ortaya çıktı. Çeşitli optik aletlerin (parabolik aynalar, mikroskop, tespit kapsamı) bu fikirler gelişti ve dönüştü. İÇİNDE XVII sonu yüzyılda iki ışık teorisi ortaya çıktı: tanecikli(I. Newton) ve dalga(R. Hooke ve H. Huygens).
Dalga teorisi ışığı şu şekilde gördüm dalga süreci, benzer mekanik dalgalar. Dalga teorisi şunlara dayanıyordu: Huygens ilkesi. Dalga teorilerinin geliştirilmesinde büyük itibar, girişim ve kırınım olaylarını inceleyen İngiliz fizikçi T. Young ve Fransız fizikçi O. Fresnel'e aittir. Bu olayların kapsamlı bir açıklaması ancak dalga teorisi temelinde yapılabilir. Önemli deneysel doğrulama Dalga teorisinin geçerliliği, 1851 yılında J. Foucault'nun (ve ondan bağımsız olarak A. Fizeau'nun) ışığın sudaki hızını ölçtüğü ve değeri elde ettiği zaman elde edildi. υ < C.
buna rağmen 19'uncu yüzyılın ortası yüzyılda dalga teorisi genel olarak kabul edildi, ışık dalgalarının doğası sorunu çözülmeden kaldı.
60'larda yıl XIX Yüzyıllar Maxwell tarafından kuruldu genel kanunlar onu ışığın var olduğu sonucuna götüren elektromanyetik alan elektromanyetik dalgalar. Bu bakış açısının önemli bir doğrulaması, ışığın boşluktaki hızının elektrodinamik sabitle çakışmasıydı:
\(~c = \dfrac(1)(\sqrt(\varepsilon_0 \mu_0))\) .
Işığın elektromanyetik doğası, G. Hertz'in (1887–1888) elektromanyetik dalgalar üzerine yaptığı deneylerden sonra fark edildi. 20. yüzyılın başında, P. N. Lebedev'in ışık basıncını ölçmeye yönelik deneylerinden (1901) sonra, ışığın elektromanyetik teorisi kesin olarak kanıtlanmış bir gerçeğe dönüştü.
Işığın doğasının aydınlatılmasında en önemli rolü oynayan deneysel belirleme onun hızı. 17. yüzyılın sonlarından bu yana ışığın hızını ölçmek için defalarca girişimlerde bulunuldu. çeşitli yöntemler(A. Fizeau'nun astronomik yöntemi, A. Michelson'un yöntemi). Modern lazer teknolojisi ışığın hızını ölçmeyi mümkün kılar İle bağımsız dalga boyu ölçümlerine dayalı çok yüksek doğruluk λ ve ışığın frekansları ν (C = λ · ν ). Bu şekilde değer bulundu C= 299792458 ± 1,2 m/s, daha önce elde edilen tüm değerlerin doğruluğunu iki kattan fazla aşar.
Işık son derece oynuyor önemli rol hayatlarımızda. Bir kişi, ışık yardımıyla etrafındaki dünya hakkında çok büyük miktarda bilgi alır. Ancak fiziğin bir dalı olarak optikte ışık sadece görünür ışık, aynı zamanda elektromanyetik radyasyon spektrumunun bitişik geniş aralıkları - kızılötesi(IR) ve UV(UV). Kendilerine göre fiziksel özellik Işık temel olarak diğer aralıklardaki elektromanyetik radyasyondan ayırt edilemez; spektrumun farklı kısımları birbirinden yalnızca dalga boyu bakımından farklılık gösterir. λ ve frekans ν .
Optik aralıktaki dalga boylarını ölçmek için uzunluk birimleri kullanılır 1 nanometre(nm) ve 1 mikrometre(um):
1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm = 10 -3 µm.
Görünür ışık yaklaşık 400 nm ila 780 nm veya 0,40 µm ila 0,78 µm aralığındadır.
Periyodik olarak değişen ve uzayda yayılan bir elektromanyetik alan elektromanyetik dalga.
Elektromanyetik dalga olarak ışığın en temel özellikleri
- Işık yayıldıkça, uzayın her noktasında elektrik ve manyetik alanlarda periyodik olarak tekrarlanan değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikleri gerilim vektörlerinin salınımları şeklinde göstermek uygundur. elektrik alanı\(~\vec E\) ve uzaydaki her noktada manyetik alan indüksiyonu \(~\vec B\). Işık - enine dalga, \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) ve \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) olduğundan.
- Elektromanyetik dalganın her noktasında \(~\vec E\) ve \(~\vec B\) vektörlerinin salınımları aynı fazda ve karşılıklı olarak iki fazda meydana gelir dik yönler\(~\vec E \perp \vec B\) uzayın her noktasında.
- Elektromanyetik dalga olarak ışığın periyodu (frekans) döneme eşit Elektromanyetik dalga kaynağının salınımlarının (frekansı). Elektromanyetik dalgalar için \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) ilişkisi geçerlidir. Vakumda \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) – dalga boyu, ile karşılaştırıldığında en uzundur λ farklı bir ortamda çünkü ν = const ve yalnızca değişiklikler υ Ve λ bir ortamdan diğerine geçerken.
- Işık bir enerji taşıyıcısıdır ve enerji aktarımı dalga yayılımı yönünde gerçekleşir. Yığın Yoğunluğu enerji elektromanyetik alan\(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot \mu \cdot \mu_0) ifadesiyle belirlenir )\)
- Işık, diğer dalgalar gibi homojen bir ortamda doğrusal olarak yayılır, bir ortamdan diğerine geçerken kırılır ve metal bariyerlerden yansır. Kırınım ve girişim olgularıyla karakterize edilirler.
Işık girişimi
Dalgaların su yüzeyindeki girişimini gözlemlemek için iki dalga kaynağı kullanıldı (salınımlı bir çubuğa monte edilmiş iki top). İki sıradan bağımsız ışık kaynağı, örneğin iki ampul kullanarak, bir girişim deseni (alternatif minimum ve maksimum aydınlatma) elde etmek imkansızdır. Başka bir ampulün açılması yalnızca yüzeyin aydınlatmasını artırır, ancak minimum ve maksimum aydınlatma arasında bir dönüşüm yaratmaz.
Işık dalgaları üst üste geldiğinde kararlı bir girişim modelinin gözlemlenebilmesi için dalgaların tutarlı olması, yani aynı dalga boyuna ve sabit faz farkına sahip olmaları gerekir.
İki kaynaktan gelen ışık dalgaları neden tutarlı değil?
Tanımladığımız iki kaynaktan gelen girişim deseni, yalnızca aynı frekanstaki monokromatik dalgalar eklendiğinde ortaya çıkar. Monokromatik dalgalar için uzayın herhangi bir noktasındaki salınımlar arasındaki faz farkı sabittir.
Frekansı aynı ve faz farkı sabit olan dalgalara denir. tutarlı.
Sadece tutarlı dalgalar, üst üste binerek, maksimum ve minimum salınımların uzayında sabit bir konuma sahip kararlı bir girişim deseni verir. İki bağımsız kaynaktan gelen ışık dalgaları tutarlı değildir. Kaynakların atomları, sinüzoidal dalgaların ayrı “hurdalarında” (trenlerinde) birbirinden bağımsız olarak ışık yayar. Bir atomun sürekli radyasyon süresi yaklaşık 10 saniyedir. Bu süre zarfında ışık yaklaşık 3 m uzunluğunda bir yol kat eder (Şekil 1).
Her iki kaynaktan gelen bu dalga dizileri üst üste bindirilmiştir. Uzayın herhangi bir noktasındaki salınımların faz farkı, nasıl olduğuna bağlı olarak zaman içinde kaotik bir şekilde değişir. şu anda zaman treni çeşitli kaynaklar birbirlerine göre kaydırılmıştır. Farklı ışık kaynaklarından gelen dalgalar, başlangıç aşamalarındaki farkın sabit kalmaması nedeniyle tutarsızdır. Aşamalar φ 01 ve φ 02 rastgele değişir ve bu nedenle ortaya çıkan salınımların faz farkı uzayın herhangi bir noktasında rastgele değişir.
Rastgele kesintiler ve salınımların meydana gelmesi durumunda, gözlem süresini alarak faz farkı rastgele değişir τ 0'dan 2'ye kadar tüm olası değerler π . Sonuç olarak zamanla τ düzensiz faz değişikliklerinin süresinden çok daha uzun (yaklaşık 10 -8 s), cos'un ortalama değeri ( φ 1 – φ 2) formülde
\(~I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac(\varphi_1 - \varphi_2)(2) = 2 I_0 \) .
sıfıra eşittir. Işık yoğunluğu ortaya çıkıyor miktara eşit bireysel kaynaklardan gelen yoğunluklar ve hiçbir girişim deseni gözlemlenmez. Işık dalgalarının tutarsızlığı ana sebep iki kaynaktan gelen ışık bir girişim deseni oluşturmaz. Bu asıl sebep ama tek sebep değil. Diğer bir neden ise, birazdan göreceğimiz gibi, ışığın dalga boyunun çok kısa olmasıdır. Bu, tutarlı dalga kaynaklarımız olsa bile girişimi gözlemlemeyi çok zorlaştırır.
Girişim deseninin maksimum ve minimum koşulları
İki veya daha fazla tutarlı dalganın uzayda üst üste binmesi sonucu, girişim deseni Bu, ışık yoğunluğunun maksimum ve minimumlarının ve dolayısıyla ekran aydınlatmasının bir değişimidir.
Uzayda belirli bir noktadaki ışığın yoğunluğu, salınım fazlarındaki farkla belirlenir. φ 1 – φ 2. Kaynak salınımları aynı fazdaysa, o zaman φ 01 – φ 02 = 0 ve
\(~\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 2 \pi \dfrac(r_2 - r_1)(\lambda)\) . (1)
Faz farkı, kaynaklardan gözlem noktasına olan mesafelerdeki farkla belirlenir Δ R = R 1 – R 2 (mesafe farkına denir vuruş farkı ). Koşulun sağlandığı uzaydaki noktalarda
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = k \lambda ; k = 0, 1, 2, \ldots\) . (2)
dalgalar eklendiğinde birbirini güçlendirir ve ortaya çıkan yoğunluk, dalgaların her birinin yoğunluğundan 4 kat daha fazladır, yani. gözlemlendi maksimum . Tam tersine ne zaman
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = \dfrac(\lambda)(2) (2k + 1)\) . (3)
dalgalar birbirini iptal eder ( BEN= 0), yani gözlemlendi minimum .
Huygens-Fresnel ilkesi
Dalga teorisi Huygens ilkesine dayanmaktadır: Bir dalganın ulaştığı her nokta, ikincil dalgaların merkezi görevi görür ve bu dalgaların zarfı, dalga cephesinin zamanın bir sonraki anında konumunu verir.
İzin vermek düzlem dalgası normalde opak bir ekrandaki bir deliğin üzerine düşer (Şekil 2). Huygens'e göre, dalga cephesinin delik tarafından izole edilen bölümünün her noktası, ikincil dalgaların kaynağı olarak hizmet eder (homojen bir yapıda). izotropik ortam küreseldirler). Belirli bir an için ikincil dalgaların zarfını oluşturduktan sonra dalga cephesinin geometrik gölge bölgesine girdiğini, yani dalganın deliğin kenarları boyunca dolaştığını görüyoruz.
Huygens ilkesi yalnızca dalga cephesinin yayılma yönü sorununu çözer, kırınım olgusunu açıklar, ancak genlik sorununu ve dolayısıyla farklı yönlerde yayılan dalgaların yoğunluğunu ele almaz. Fresnel Huygens ilkesini tanıttı fiziksel anlam ikincil dalgaların girişimi fikriyle destekleniyor.
Buna göre Huygens-Fresnel prensibi, ışık dalgası Bazı S kaynakları tarafından uyarılan , hayali kaynaklar tarafından "yayılan" tutarlı ikincil dalgaların üst üste binmesinin sonucu olarak temsil edilebilir.
Bu tür kaynaklar, S kaynağını çevreleyen herhangi bir kapalı yüzeyin sonsuz küçük elemanları olabilir. Tipik olarak aşağıdakilerden biri bu yüzey olarak seçilir: dalga yüzeyleri bu nedenle tüm hayali kaynaklar aynı aşamada hareket eder. Dolayısıyla kaynaktan yayılan dalgalar tüm tutarlı ikincil dalgaların girişiminin sonucudur. Fresnel, geriye doğru ikincil dalgaların oluşma olasılığını dışladı ve kaynak ile gözlem noktası arasında bir delik bulunan opak bir ekran varsa, ekranın yüzeyinde ikincil dalgaların genliğinin sıfır olduğunu ve delik bir ekranın yokluğundakiyle aynıdır. İkincil dalgaların genliklerini ve fazlarını hesaba katmak, her özel durumda, ortaya çıkan dalganın genliğini (yoğunluğunu) uzayın herhangi bir noktasında bulmayı, yani ışığın yayılma modellerini belirlemeyi mümkün kılar.
Girişim deseni elde etme yöntemleri
Augustin Fresnel'in fikri
Tutarlı ışık kaynakları elde etmek için Fransız fizikçi Augustin Fresnel (1788-1827) 1815'te basit ve ustaca bir yöntem buldu. Işığı bir kaynaktan iki ışına bölmek ve onları geçmeye zorlamak gerekir. farklı yollar, bir araya getirmek. Sonra dalga treni yayıldı ayrı atom, iki tutarlı trene bölünecek. Kaynağın her bir atomu tarafından yayılan dalga dizileri için durum böyle olacaktır. Tek bir atom tarafından yayılan ışık, belirli bir girişim deseni üretir. Bu desenler üst üste bindirildiğinde ekranda oldukça yoğun bir aydınlatma dağılımı elde edilir: girişim deseni gözlemlenebilir.
Tutarlı ışık kaynakları elde etmenin birçok yolu vardır, ancak bunların özü aynıdır. Işını iki parçaya bölerek tutarlı dalgalar üreten iki hayali ışık kaynağı elde edilir. Bunu yapmak için, iki ayna (Fresnel çift ayna), bir çift prizma (tabandan katlanmış iki prizma), bir bilens (yarıları birbirinden ayrılmış, ikiye kesilmiş bir mercek) vb. kullanın.
Newton'un halkaları
Laboratuvar koşullarında ışığın girişimini gözlemleyen ilk deney I. Newton'a aittir. Düz bir cam plaka ile düz-dışbükey bir mercek arasındaki ince hava boşluğunda ışık yansıtıldığında oluşan girişim desenini gözlemledi. büyük yarıçap eğrilik. Girişim deseni eşmerkezli halkalar şeklindeydi. Newton'un halkaları(Şekil 3 a, b).
Newton terimlerle açıklayamadı parçacık teorisi halkaların neden ortaya çıktığını, ancak bunun ışık süreçlerinin bazı periyodikliklerinden kaynaklandığını anladı.
Young'ın çift yarık deneyi
T. Young tarafından önerilen deney, ışığın dalga doğasını ikna edici bir şekilde göstermektedir. Jung'un deneyinin sonuçlarını daha iyi anlamak için öncelikle ışığın bölmedeki bir yarıktan geçtiği durumu düşünmek faydalı olacaktır. Tek yarıklı deneyde tek renkli ışık kaynaktan gelen ses dar bir yarıktan geçerek ekrana kaydediliyor. Beklenmedik olan şey, yeterince dar bir yarıkla ekranda görünenin dar bir ışık şeridi (yarığın görüntüsü) değil, merkezde maksimum olan ve giderek azalan ışık yoğunluğunun düzgün bir dağılımı olmasıdır. kenarlar. Bu olay ışığın yarıktan kırılmasından kaynaklanmaktadır ve aynı zamanda bunun bir sonucudur. dalga doğa Sveta.
Şimdi bölmede iki yarık açalım (Şekil 4). Bir veya diğer yarığı ardı ardına kapatarak, ekrandaki yoğunluk dağılım modelinin, bir yarık durumunda olduğu gibi aynı olmasını, ancak her seferinde yalnızca maksimum yoğunluğun konumunun yarık konumuna karşılık gelmesini sağlayabilirsiniz. yarık açık. Her iki yarık da açıldığında, ekranda açık ve koyu şeritlerden oluşan bir dizi dönüşümlü olarak belirir ve açık şeritlerin parlaklığı merkezden uzaklaştıkça azalır.
Bazı Girişim Uygulamaları
Girişim uygulamaları çok önemli ve geniştir.
Özel cihazlar var - interferometreler- eylemi müdahale olgusuna dayanan. Amaçları farklı olabilir: Işık dalga boylarının hassas ölçümü, gazların kırılma indisinin ölçümü vb. İnterferometreler mevcuttur. özel amaç. Michelson'un ışık hızındaki çok küçük değişiklikleri kaydedecek şekilde tasarladığı bunlardan biri, "Görelilik Teorisinin Temelleri" bölümünde ele alınacak.
Sadece iki girişim uygulamasına odaklanacağız.
Yüzey işleminin kalitesinin kontrol edilmesi
Parazit kullanarak, bir ürünün yüzeyinin cilalanmasının kalitesini 10 -6 cm'ye kadar bir hatayla değerlendirebilirsiniz.Bunu yapmak için numunenin yüzeyi ile çok düzgün bir referans arasında ince bir hava tabakası oluşturmanız gerekir. plaka (Şek. 5).
Daha sonra, 10-6 cm'ye kadar olan yüzey düzensizlikleri, test edilen yüzeyden ışık yansıtıldığında oluşan girişim saçaklarının gözle görülür bir şekilde eğrilmesine neden olacaktır ve alt kenar referans plakası.
Özellikle mercek taşlamanın kalitesi Newton halkaları gözlemlenerek kontrol edilebilir. Yüzükler olacak düzenli daireler yalnızca merceğin yüzeyi kesinlikle küreselse. Küresellikten 0,1'den büyük herhangi bir sapma λ halkaların şeklini belirgin şekilde etkileyecektir. Mercek üzerinde çıkıntının olduğu yerde halkalar merkeze doğru bükülecektir.
İtalyan fizikçi E. Torricelli'nin (1608-1647) mercekleri 10-6 cm'ye varan hatayla taşlayabildiği merak edilmektedir. Mercekleri müzede tutulmakta ve kaliteleri kontrol edilmektedir. modern yöntemler. Bunu nasıl başardı? Bu soruyu cevaplamak zordur. O zamanlar ustalığın sırları genellikle açıklanmıyordu. Görünüşe göre Torricelli girişim halkalarını Newton'dan çok önce keşfetti ve bunların öğütme kalitesini kontrol etmek için kullanılabileceğini tahmin etti. Ancak elbette Torricelli'nin halkaların neden ortaya çıktığına dair hiçbir fikri olamazdı.
Ayrıca, neredeyse tamamen monokromatik ışık kullanıldığında, birbirinden belirli mesafelerde bulunan düzlemlerden yansıyan girişim deseninin gözlemlenebileceğini de belirtelim. uzun mesafe(yaklaşık birkaç metre). Bu, yüzlerce santimetrelik mesafeleri 10-6 cm'ye kadar hatayla ölçmenize olanak tanır.
Optik kaplama
Modern kameraların veya film projektörlerinin lensleri, periskoplar denizaltılar ve diğer çeşitli optik cihazlar aşağıdakilerden oluşur: büyük sayı optik gözlükler - mercekler, prizmalar vb. Bu tür cihazlardan geçen ışık, birçok yüzeyden yansır. Modern fotoğraf merceklerinde yansıtıcı yüzeylerin sayısı 10'u geçmekte, denizaltı periskoplarında ise 40'a ulaşmaktadır. Işık yüzeye dik olarak düştüğünde her yüzeyden toplam enerjinin %5-9'u yansır. Bu nedenle çoğu zaman cihaza giren ışığın yalnızca %10-20'si geçer. Sonuç olarak görüntünün aydınlatması düşüktür. Ayrıca görüntü kalitesi de bozulur. Işık ışınının bir kısmı tekrar tekrar yansıtıldıktan sonra iç yüzeyler hala geçiyor optik alet ancak dağılır ve artık net bir görüntü oluşturmaya katılmaz. Örneğin fotoğraf görüntülerinde bu nedenle bir “peçe” oluşur.
Optik camların yüzeylerinden ışık yansımasının bu hoş olmayan sonuçlarını ortadan kaldırmak için, yansıyan ışık enerjisinin oranının azaltılması gerekir. Cihazın ürettiği görüntü daha parlak hale gelir ve "parlaklaşır". Terimin geldiği yer burası optik temizleme.
Optiklerin yansımaması girişime dayanmaktadır. yüzeye optik cam mercekler gibi, kırılma indisine sahip ince bir film uygulayın N n, camın kırılma indisinden daha az Nİle. Basit olması açısından, ışığın film üzerine normal geliş durumunu ele alalım (Şekil 6).
Üstten yansıyan durum ve alt yüzeyler Film dalgaları birbirini iptal eder, (minimum kalınlıktaki bir film için) aşağıdaki gibi yazılacaktır:
\(~2h = \dfrac(\lambda)(2 n_n)\) . (4)
burada \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) filmdeki dalga boyudur ve 2 H- vuruş farkı.
Yansıyan her iki dalganın genlikleri aynı veya birbirine çok yakın ise ışık sönmesi tamamlanmış olacaktır. Bunu başarmak için filmin kırılma indisi buna göre seçilir, çünkü yansıyan ışığın yoğunluğu iki bitişik ortamın kırılma indislerinin oranına göre belirlenir.
Normal şartlarda merceğin üzerine beyaz ışık düşer. İfade (4), gerekli film kalınlığının dalga boyuna bağlı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle tüm frekanslardaki yansıyan dalgaları bastırmak mümkün değildir. Film kalınlığı, spektrumun orta kısmındaki dalga boyları için normal olayda tam yok oluş meydana gelecek şekilde seçilir ( yeşil, λ h = 5,5·10 -7 m); filmdeki dalga boyunun dörtte birine eşit olmalıdır:
\(~h = \dfrac(\lambda)(4 n_n)\) . (4)
Işığın spektrumun en uç kısımlarından (kırmızı ve mor) yansıması biraz zayıflar. Bu nedenle, kaplamalı optiklere sahip bir mercek, yansıyan ışıkta leylak rengi bir renk tonuna sahiptir. Artık basit ve ucuz kameralar bile kaplamalı optiklere sahip. Sonuç olarak, ışığı ışıkla söndürmenin, ışık enerjisini başka formlara dönüştürmek anlamına gelmediğini bir kez daha vurguluyoruz. Mekanik dalgaların girişiminde olduğu gibi, uzayın belirli bir bölgesinde dalgaların birbirini iptal etmesi, ışık enerjisinin buraya ulaşmaması anlamına gelir. Kaplamalı optiklere sahip bir mercekte yansıyan dalgaların zayıflaması, tüm ışığın mercekten geçtiği anlamına gelir.
Başvuru
İki monokromatik dalganın eklenmesi
İki sayının eklenmesine daha yakından bakalım harmonik dalgalar aynı frekans ν bir noktada A homojen ortam Bu dalgaların kaynaklarının göz önüne alındığında S 1 ve S 2 noktadan A mesafelerde sırasıyla ben 1 ve ben 2 (Şek. 7).
Basitlik açısından, söz konusu dalgaların ya boyuna ya da enine düzlemde polarize olduğunu ve genliklerinin eşit olduğunu varsayalım. A 1 ve A 2. Daha sonra, \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\'a göre, bu dalgaların noktadaki denklemleri A gibi görünmek
\(~x_1(l_1,t) = a_1 \cdot \sin (\omega t - k l_1 + \varphi_(01))\) . (5) \(~x_2(l_2,t) = a_2 \cdot \sin (\omega t - k l_2 + \varphi_(02))\) . (6)
(5), (6) dalgalarının süperpozisyonu olan ortaya çıkan dalganın denklemi bunların toplamıdır:
\(~x(t) = x_1(l_1,t) + x_2(l_2,t) = a \cdot \sin (\omega t + \varphi)\) , (7)
Ayrıca geometriden bilinen kosinüs teoremi kullanılarak kanıtlanabileceği gibi, ortaya çıkan salınımın genliğinin karesi formülle belirlenir.
\(~a^2 = a^2_1 + a^2_2 + 2 a_1 a_2 \cos \Delta \varphi\)> , (8)
nerede Δ φ - salınım faz farkı:
\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_(01) - \varphi_(02))\) . (9)
(İfade için başlangıç aşaması φ 01, hacimli olması nedeniyle ortaya çıkan titreşimi vermeyeceğiz).
(8)'den, ortaya çıkan salınımın genliğinin şu olduğu açıktır: periyodik fonksiyon vuruş farkı Δ ben. Dalga yolu farkı, faz farkı Δ olacak şekilde ise φ eşit
\(~\Delta \varphi = \pm 2 \pi n ; n = 0, 1, 2, \ldots\) , (10)
o zaman bu noktada A ortaya çıkan dalganın genliği maksimum olacaktır ( maksimum koşul), eğer
\(~\Delta \varphi = \pm (2n +1) \pi\) , (11)
o zaman noktadaki genlik A minimum ( minimum koşul).
Basitlik açısından bunu varsayarsak φ 01 = φ 02 ve A 1 = A 2 ve \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\) eşitliğini, (10) ve (11) koşullarını ve bunlara karşılık gelen ifadeleri hesaba katarak genlik a için şu şekilde yazılabilir:
\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( maksimum koşul), (12)
ve daha sonra A = A 1 + A 2 ve
\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac(\lambda)(2)\) ( minimum koşul), (13)
ve daha sonra A = 0.
Edebiyatlar
- Myakishev G.Ya. Fizik: Optik. Kuantum fiziği. 11. sınıf: Eğitici. derinlemesine fizik çalışması için / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. – M.: Bustard, 2002. – 464 s.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. A'dan Z'ye Fizik: öğrenciler, adaylar ve öğretmenler için. – Mn.: Paradox, 2000. – 560 s.
Spor Salonu 144
Soyut
Işık hızı.
Işık girişimi.
Duran dalgalar.
11. sınıf öğrencisi
Korçagin Sergei
St.Petersburg 1997.
Işık - elektromanyetik dalga.
17. yüzyılda iki ışık teorisi ortaya çıktı: dalga ve parçacık. Parçacık 1 teorisi Newton tarafından ve dalga teorisi Huygens tarafından önerildi. Huygens'in fikirlerine göre ışık, özel bir ortamda - eterde yayılan ve tüm alanı dolduran dalgalardır. İki teori uzun süre paralel olarak varlığını sürdürdü. Teorilerden biri bir olguyu açıklamadığında, başka bir teori tarafından açıklandı. Örneğin ışığın doğrusal yayılımı ve keskin gölgelerin oluşması dalga teorisiyle açıklanamaz. Ancak, XIX'in başı yüzyılda kırınım 2 ve girişim 3 gibi fenomenler keşfedildi ve bu da dalga teorisinin sonunda parçacık teorisini mağlup ettiği fikrine yol açtı. 19. yüzyılın ikinci yarısında Maxwell, ışığın elektromanyetik dalgaların özel bir durumu olduğunu gösterdi. Bu çalışmalar ışığın elektromanyetik teorisinin temelini oluşturdu. Ancak 20. yüzyılın başında ışığın yayılıp emildiğinde parçacık akışı gibi davrandığı keşfedildi.
Işık hızı.
Işık hızını belirlemenin birkaç yolu vardır: astronomik ve laboratuvar yöntemleri.
Işığın hızı ilk kez 1676 yılında Danimarkalı bilim adamı Roemer tarafından astronomik yöntem kullanılarak ölçüldü. Jüpiter'in uydularından en büyüğü olan Io'nun bu uydunun gölgesinde olduğu zamanı ölçtü. büyük gezegen. Roemer, gezegenimizin Jüpiter'e en yakın olduğu anda ve Jüpiter'den (astronomik açıdan) biraz uzakta olduğumuz anda ölçümler yaptı. İlk durumda salgınlar arasındaki süre 48 saat 28 dakikaydı. İkinci durumda uydu 22 dakika gecikti. Buradan, ışığın önceki gözlemden mevcut gözleme kadar olan mesafeyi kat etmesi için 22 dakikaya ihtiyaç duyduğu sonucuna varıldı. Io'nun mesafesini ve gecikme süresini bilerek, ışığın çok büyük olduğu ortaya çıkan hızını yaklaşık 300.000 km/s4 olarak hesapladı.
Işık hızı ilk kez 1849 yılında Fransız fizikçi Fizeau tarafından laboratuvar yöntemiyle ölçüldü. Işık hızı için 313.000 km/s değerini elde etti.
Modern verilere göre ışığın hızı 299.792.458 m/s ±1,2 m/s'dir.
Işık girişimi.
Işık dalgalarının girişiminin resmini elde etmek oldukça zordur. Bunun nedeni farklı kaynaklardan yayılan ışık dalgalarının birbiriyle tutarlı olmamasıdır. Uzayın herhangi bir noktasında aynı dalga boylarına ve sabit bir faz farkına sahip olmaları gerekir 5. Işık filtreleri kullanılarak dalga boylarının eşitliğini sağlamak kolaydır. Ancak farklı kaynaklardan gelen atomların birbirlerinden bağımsız olarak ışık yaymaları nedeniyle sabit bir faz farkı elde etmek imkansızdır6.
Bununla birlikte ışığın girişimi gözlemlenebilir. Örneğin, bir sabun köpüğü üzerinde veya su üzerinde ince bir gazyağı veya yağ tabakası üzerinde gökkuşağı renkleri. Rengin, biri dış yüzeyden, diğeri içten yansıyan dalgaların eklenmesiyle açıklandığı şeklindeki parlak fikre ilk ulaşan İngiliz bilim adamı T. Jung oldu. Bu durumda 7 ışık dalgasının girişimi meydana gelir. Girişimin sonucu, ışığın film üzerindeki geliş açısına, kalınlığına ve dalga boyuna bağlıdır.
Duran dalgalar.
Halatın bir ucunu doğru seçilmiş bir frekansla (diğer ucu sabittir) sallarsanız, sabit uca doğru sürekli bir dalganın akacağı ve bunun daha sonra yarım dalga kaybıyla yansıtılacağı fark edildi. Olay ve yansıyan dalgalar arasındaki girişim, durağan görünen bir duran dalga ile sonuçlanacaktır. Bu dalganın kararlılığı şu koşulu karşılar:
L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,
Burada L ipin uzunluğudur; n * 1,2,3, vb.; u ipin gerilimine bağlı olan dalga yayılma hızıdır.
Duran dalgalar salınım yapabilen tüm cisimlerde uyarılır.
Duran dalgaların oluşumu, bir cismin rezonans veya doğal frekanslarında meydana gelen rezonans olgusudur. Girişimin iptal edildiği noktalara düğümler, girişimin arttığı noktalara ise antinodlar adı verilir.
Işık bir elektromanyetik dalgadır……………………………………..2
Işık hızı……………………………………………………2
Işık girişimi…………………………………………………………….3
Duran dalgalar………………………………………………………3
Fizik 11 (G.Ya.Myakishev B.B.Bukhovtsev)
Fizik 10 (N.M.Shakhmaev S.N.Shakhmaev)
Destekleyici notlar ve test görevleri(G.D. Luppov)
1 Latince kelime Rusça'ya tercüme edilen "cisim", "parçacık" anlamına gelir.
2 Işık engellerin etrafından bükülür.
3 Işık ışınları üst üste geldiğinde ışığın güçlenmesi veya zayıflaması olgusu.
4 Roemer'in kendisi 215.000 km/s'lik bir değer elde etti.
5 Aynı uzunluklara ve sabit faz farkına sahip olan dalgalara tutarlı denir.
6 Tek istisna kuantum ışık kaynaklarıdır - lazerler.
7 İki dalganın eklenmesi sonucunda ortaya çıkan ışık titreşimlerinin uzayın farklı noktalarında zamana bağlı olarak yoğunlaşması veya zayıflaması gözlemlenir.
Işık, bir boşlukta yayılma hızı sabit olan bir elektromanyetik dalga olarak ya da belirli bir enerjiye, momentuma, içsel açısal momentuma ve sıfır kütleye sahip parçacıklar olan foton akışı olarak düşünülebilir.
Optikte ışık, oldukça dar bir aralıktaki elektromanyetik dalgaları ifade eder. Çoğu zaman ışık yalnızca görünür ışık olarak değil, aynı zamanda ona bitişik geniş spektrum bölgelerinde de anlaşılır. Tarihsel olarak "terimi görünmez ışık» — ultraviyole ışık, kızılötesi ışık, radyo dalgaları. Dalga boyları görünür ışık 380 ila 760 nanometre aralığındadır.
Işığın özelliklerinden biri de ışık dalgasının frekansına göre belirlenen rengidir. Beyaz ışık farklı frekanslardaki dalgaların karışımıdır. Her biri belirli bir frekansla karakterize edilen renkli dalgalara ayrıştırılabilir. Bu tür dalgalara monokromatik denir.
Işık hızı
En yeni ölçümlere göre ışığın boşluktaki hızı
Işığın hızının çeşitli şekillerde ölçülmesi şeffaf maddeler her zaman boşluktakinden daha az olduğunu gösterdi. Örneğin suda ışığın hızı 4/3 kat azalır.
Işığın boşluktaki hızının maddedeki hızına oranına denir. mutlak gösterge maddenin kırılması.
(25)
Bir ışık dalgası boşluktan maddeye geçtiğinde frekans sabit kalır (renk değişmez). Kırılma indeksi olan bir ortamda dalga boyu N değişiklikler:
Elektromanyetik dalgalar, elektromanyetik alanların uzayda ve zamanda yayılmasıdır.
Elektromanyetik dalgaların temel özelliklerini ele alalım.1. Elektromanyetik dalgalar yayılır tereddütlü suçlamalar.
Hızlanma mevcut- elektromanyetik dalgaların radyasyonunun ana koşulu.
2. Bu tür dalgalar yalnızca gazlarda, sıvılarda ve katı ortam ama aynı zamanda boşlukta.
3. Elektromanyetik dalga eninedir.
4. Elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızı c = 300.000 km/s'dir.
5. Bir ortamdan diğerine geçerken dalga frekansı değişmez.
6. Elektromanyetik dalgalar emilmek madde. Bunun nedeni (25)
Enerjinin yüklü parçacıklar tarafından rezonans emilimi. Dielektrik parçacıkların doğal salınım frekansı, elektromanyetik dalganın frekansından çok farklıysa, emilim zayıf bir şekilde gerçekleşir ve ortam, elektromanyetik dalgaya karşı şeffaf hale gelir.
7. İki ortam arasındaki arayüze çarptığında dalganın bir kısmı yansıtılır ve bir kısmı başka bir ortama geçer, kırılma.İkinci ortam metal ise ikinci ortama geçen dalga hızla bozunur ve en enerji birinci ortama yansıtılır (metaller elektromanyetik dalgalara karşı opaktır).
Elektromanyetik dalgalar için olduğu kadar mekanik dalgalar için de kırınım, girişim, polarizasyon ve diğer özellikler geçerlidir.
Kişi, etrafındaki dünyayla ilgili bilgilerin çoğunu görme organları aracılığıyla algılar. Ancak gözler yalnızca tek bir tür enerjiyi görebilir - elektromanyetik ve o zaman bile çok dar bir ışık aralığında. Peki ışık nedir? Ünlü kaynaklar nelerdir? görünür radyasyon kişi kullanıyor mu? Işığın ikili doğası nedir? Ve ana özellikleri nelerdir? Şimdi bu soruların cevaplarını öğrenelim.
Elektromanyetik dalga olarak ışık
Işık, insan gözünün görebileceği elektromanyetik bir dalga olarak kabul edilir. Bunun için bu dalganın uzunluğunun 380-400 nm ile 760-780 nm arasındaki sınırları aşmaması gerekir. 780 nm'den sonra, kişinin ısı olarak hissedebileceği kızılötesi aralığı başlar ve görünür spektrumdan önce ultraviyole radyasyon gelir. Bazı böcekler ve kuşlar bunu görebilir ve insan derisi bronzlaşarak buna tepki verebilir. Görünür elektromanyetik radyasyon aralığının kendisi, her biri bir kişinin belirli bir renkteki ışık olarak algıladığı bölümlere ayrılmıştır. Örneğin menekşe 380-440 nm, yeşil - 500-565 nm ve kırmızı - 625-740 nm dalga boyuna karşılık gelir. Görünür spektrumda toplamda 7 ana renk vardır; bunlar gökkuşağına bakıldığında gözlemlenebilir. Ancak beyaz ışık, spektrumdaki tüm renklerin bir karışımıdır.
Işık kaynakları
Işık kaynağı belirli bir sıcaklığa ısıtılan veya uyarılan bir maddedir. Işık Dünya'ya Güneş'ten, diğer yıldızlardan, bazı ısınmış gezegenlerden, kuyruklu yıldızlardan ve diğer gök cisimlerinden gelir. Gezegenimizde ışığın kaynağı ateş olabilir - ateş, mum alevi, meşale veya gaz lambasının yanı sıra ısıtılmış bir madde. İnsan icat etti ve yapay kaynaklar görünür radyasyon, özellikle ışığın elektrik akımıyla ısıtılan bir tungsten filamanı tarafından yayıldığı bir akkor lamba, içinde bir fosfor tabakasının parladığı, şişeyi dolduran gazdaki bir elektrik deşarjı ile uyarılan bir flüoresan lamba, bir halojen lamba, cıva lambası ve diğerleri.
Işığın özellikleri
Refleks
Görünür elektromanyetik radyasyon vakumlu ve homojen şeffaf bir ortamda yaklaşık 300.000 km/s'ye eşit bir hızla doğrusal olarak yayılır. Aynı zamanda ışığın başka birçok özelliği daha vardır. Örneğin ışık opak yüzeylerden yansır ve geliş açısı açıya eşit yansımalar. Bunun sonucunda cisimlerden yansıyan ışık, göz tarafından algılanarak bu cisimlerin görülmesini sağlar. Ayrıca Ay'ın ve bazı gezegenlerin ışık kaynağı olmadığını ancak onları gördüğümüzü unutmayın. gök cisimleri Güneşten gelen radyasyonu yansıtır.
Refraksiyon
Işık, farklı optik yoğunluklara sahip iki ortam arasından geçerken kırılma özelliğine sahiptir. Örneğin, bir ışın havadan suya geçtiğinde, farklı nedenlerden dolayı optik yoğunluk Bu ortamlar ışığın içlerindeki hareket hızını ve yönünü değiştirir. Bu nedenle bir bardak suyun içindeki kaşık biraz kırılmış gibi görünür ve gölün dibindeki çakıl taşları gerçekte olduklarından daha yakın görünür.
Girişim ve kırınım
Işığın dalga doğası, girişim ve kırınım gibi özelliklerinde kendini gösterir. İlk özellik, birkaç dalganın bir araya gelerek ortaya çıkan bir dalgaya dönüşebilmesidir; bu dalganın parametreleri şunlardır: farklı noktalar belirgin şekilde artar veya azalır. Işık girişiminin sonucu, gökkuşağı desenlerinin oyunu şeklinde gözlemlenebilir. sabun köpüğü, yağ lekeleri veya böcek kanatları. Ve kırınım, bir ışık dalgasının bir engelin etrafında bükülme ve geometrik gölge bölgesine düşme yeteneğidir, örneğin ışığın gökkuşağı bulutları şeklinde su damlacıkları üzerine saçılması.
Parçacık akışı olarak ışık
Aynı zamanda ışık sadece dalga özellikleri ve bazı durumlarda bir parçacık akışı (foton) gibi davranır. Özellikle, bir maddeye düşen ışık elektronları ondan çektiğinde oluşan fotoelektrik etki olgusunun yasaları, yalnızca elektromanyetik radyasyonu bir formda temsil eden ışığın parçacık teorisi açısından açıklanabilir. foton akışı. Ancak dalga ve foton teorisi Işıklar birbirleriyle çelişmekle kalmıyor, birbirini tamamlıyor. Bilim camiasında ışığın dalga-parçacık ikiliği hakkında konuşuyorlar, bu da ışığın ne olduğunu açıklıyor ve onun bir dalga ve parçacık akışı olarak özelliklerini ortaya koyuyor.
Işık elektromanyetik bir dalgadır. 17. yüzyılın sonunda iki bilimsel hipotezlerışığın doğası hakkında tanecikli Ve dalga. Parçacık teorisine göre ışık, çok büyük bir hızla uçan küçük ışık parçacıklarının (parçacıkların) akışıdır. Newton, ışık taneciklerinin hareketinin mekanik kanunlara uyduğuna inanıyordu. Böylece ışığın yansımasının, elastik bir topun düzlemden yansımasına benzer olduğu anlaşıldı. Işığın kırılması, parçacıkların bir ortamdan diğerine geçerken hızlarındaki değişiklikle açıklandı. Dalga teorisi, ışığı mekanik dalgalara benzer bir dalga süreci olarak görüyordu. Buna göre modern fikirler Işığın ikili bir doğası vardır, yani. aynı anda hem parçacık hem de dalga özellikleriyle karakterize edilir. Girişim ve kırınım gibi olaylarda ışığın dalga özellikleri, fotoelektrik etki olayında ise parçacık özellikleri ön plana çıkar. Optikte ışık, oldukça dar bir aralıktaki elektromanyetik dalgaları ifade eder. Çoğu zaman ışık yalnızca görünür ışık olarak değil, aynı zamanda ona bitişik geniş spektrum bölgelerinde de anlaşılır. Tarihsel olarak "görünmez ışık" terimi ortaya çıktı - ultraviyole ışık, kızılötesi ışık, radyo dalgaları. Görünür ışığın dalga boyları 380 ila 760 nanometre arasındadır. Işığın özelliklerinden biri de renkışık dalgasının frekansı tarafından belirlenir. Beyaz ışık farklı frekanslardaki dalgaların karışımıdır. Her biri belirli bir frekansla karakterize edilen renkli dalgalara ayrıştırılabilir. Bu tür dalgalara denir tek renkli. En yeni ölçümlere göre ışığın boşluktaki hızı, ışığın boşluktaki hızının maddedeki hızına oranına denir. mutlak kırılma indisi maddeler.
Bir ışık dalgası boşluktan maddeye geçtiğinde frekans sabit kalır (renk değişmez). Kırılma indeksi olan bir ortamda dalga boyu N değişiklikler:
Işık girişimi- Jung'un deneyimi. Neredeyse tek renkli ışık oluşturan ışık filtreli bir ampulden gelen ışık, arkasına bir ekranın takıldığı iki dar, bitişik yarıktan geçer. Ekranda açık ve koyu şeritlerden oluşan bir sistem (girişim şeritleri) gözlemlenecektir. İÇİNDE bu durumda farklı yarıklardan gelen tek bir ışık dalgası ikiye bölünür. Bu iki dalga birbiriyle tutarlıdır ve üst üste bindirildiğinde, karşılık gelen rengin koyu ve açık şeritleri biçiminde bir maksimum ve minimum ışık yoğunluğu sistemi verir.
Işık girişimi- maksimum ve minimum koşullar. Maksimum durum: Dalga yolundaki optik fark çift sayıda yarım dalga veya tam sayıda dalga içeriyorsa, ekranın belirli bir noktasında ışık yoğunluğunda (maksimum) bir artış gözlenir. , eklenen dalgaların faz farkı nerede. Minimum koşul: Optik dalga yolu farkı uyuyorsa tek sayı yarım dalgalar, o zaman minimum nokta var.
