Волновая оптика

Цель: повторение основных понятий, законов и формул
ОПТИКИ в соответствии с кодификатором ЕГЭ.
Элементы содержания, проверяемые на ЕГЭ 2010:
Волновые свойства света
Интерференция света
Дифракция света
Дисперсия света
Дифракционная решетка

Волновые свойства света
В основу волновой теории положен принцип Гюйгенса: каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.
Свет – это электромагнитные волны

Волновые свойства света
Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.
Квантовые свойства света:
излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона
Волновые свойства света:
Интерференция,
дифракция,
поляризация света

Интерференция света
Интерференция (от лат. inter — взаимно и ferio - ударяю) — явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства)
Интерференционная картина — неизменная во времени картина усиления или ослабления воли в пространстве
Кольца Ньютона в зеленом и красном свете.
Распределение интенсивности в интерференционной картине.

Интерференция света
Когерентные волны - волны с одинаковой частотой, поляризацией и постоянной разностью фаз
Время когерентности (длительность излучения кванта света) t = 10-8 с
Графики интерференции когерентных волн при разном времени запаздывания:

Интерференция света
Условие максимума: максимальная результирующая интенсивность при интерференции когерентных колебаний в определенной точке пространства получается при их запаздывании друг относительно друга на время, кратное периоду этих колебаний:
Условие минимума: Минимальная результирующая интенсивность при интерференции когерентных колебаний в определенной точке пространства получается при их запаздывании друг относительно друга на время, равное нечетному числу полупериодов этих колебаний:
При одинаковом законе колебаний двух источников интерференционные максимумы наблюдаются в точках пространства, для которых геометрическая разность хода интерферирующих волн равна целому числу длин волн:
При одинаковом законе колебаний двух источников интерференционные минимумы наблюдаются в тех точках пространства, для которых геометрическая разность хода интерферирующих воли равна нечетному числу полуволн

Интерференция света
Схема опыта Юнга
R
ym
Когерентные источники можно получить с помощью:
Зеркала Ллойда
Бипризмы Френеля
Тонких пленок).

Примеры интерференции

Просветление оптики
Просветление оптики — уменьшение отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на нее специальной пленки
Требуемая толщина покрытия
Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения.

Дифракция света
Дифракция - явление нарушения целостности фронта волны, вызванное резкими неоднородностями среды;
Решить задачу дифракции — значит найти распределение интенсивности света на экране в зависимости от размеров и формы препятствий, вызывающих дифракцию;
Условие для т-го дифракционного минимума
Принцип Гюйгенса–Френеля
а - размер щели,
α - угол отклонения света от прямолинейного направления

Дисперсия света
Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму
(опыт Ньютона)
Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Дифракционная решетка
Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки;
Дифракционная решетка предпочтительнее в спектральных экспериментах, чем применение щели из-за слабой видимости дифракционной картины и значительной ширины дифракционных максимумов на одной щели
Условие главных максимумов при дифракции света на решетке: главные максимумы будут наблюдаться под углом α, определяемым условием:
m = 0, 1, 2, …
Увеличение числа щелей приводит к увеличению яркости дифракционной картины

Дифракционная решетка
Интенсивность света в главном дифракционном максимуме пропорциональна квадрату полного числа щелей дифракционной решетки
где I0 — интенсивность света, излучаемого одной щелью
Разрешающая способность дифракционной решетки
Период решётки
Дифракция света на решетке
Очень большая отражательная дифракционная решётка
d = 1 / N мм

Рассмотрим задачи:
ЕГЭ 2001-2010 (Демо, КИМ)
ГИА-9 2008-2010 (Демо)

ГИА 2008 г. 26 Дима рассматривает красные розы через зеленое стекло. Какого цвета будут казаться ему розы? Объясните наблюдаемое явление. Дайте развернутое, логически связанное обоснование.
Черными, т.к. зеленое стекло не пропускает лучи красного цвета

(ГИА 2009 г.) 13. После прохождения оптического прибора, закрытого на рисунке ширмой, ход лучей 1 и 2 изменился на 1′ и 2′. За ширмой находится
плоское зеркало
плоскопараллельная стеклянная
рассеивающая
собирающая линза

ГИА 2009 г. 26 Каким пятном (темным или светлым) кажется водителю ночью в свете фар его автомобиля лужа на неосвещенной дороге? Ответ поясните.
1. Лужа кажется темным пятном на фоне более светлой дороги.
2. И лужу, и дорогу освещают только фары автомобиля. От гладкой поверхности воды свет отражается зеркально, то есть вперед, и не попадает в глаза водителю. Поэтому лужа будет казаться темным пятном. От шероховатой поверхности дороги свет рассеивается и частично попадает в глаза водителю.

(ЕГЭ 2002 г., Демо) А21. Если осветить красным светом лазерной указки два близких отверстия S1 и S2 , проколотые тонкой иглой в фольге, то за ней на экране наблюдаются два пятна. По мере удаления экрана Э они увеличиваются в размере, пятна начинают перекрываться и возникает чередование красных и темных полос.
Что будет наблюдаться в точке А, если S1A = S2A? Фольга Ф расположена перпендикулярно лазерному пучку.
середина красной полосы
середина темной полосы
переход от темной к красной полосе
нельзя дать однозначный ответ

(ЕГЭ 2002 г., Демо) А33. На рисунке дан ход лучей, полученный при исследовании прохождения луча через плоскопараллельную пластину. Показатель преломления материала пластины на основе этих данных равен
0,67
1,33
1,5
2,0

2002 г. А21 (КИМ). Разложение белого света в спектр при прохождении через призму обусловлено
1) преломлением света
2) отражением света
3) поляризацией света
4) дисперсией света

(ЕГЭ 2003 г., КИМ) А21. Объектив фотоаппарата является собирающей линзой. При фотографировании предмета он дает на пленке изображение
действительное прямое
мнимое прямое
действительное перевернутое
мнимое перевернутое

(ЕГЭ 2003 г. демо) А29. Линзу, изготовленную из двух тонких сферических стекол одинакового радиуса, между которыми находится воздух (воздушная линза), опустили в воду (см. рис.). Как действует эта линза?
как собирающая линза
как рассеивающая линза
она не изменяет хода луча
может действовать и как собирающая, и как рассеивающая линза

(ЕГЭ 2004 г., демо) А26. В трех опытах на пути светового пучка ставились экраны с малым отверстием, тонкой нитью и широкой щелью. Явление дифракции происходит
только в опыте с малым отверстием в экране
только в опыте с тонкой нитью
только в опыте с широкой щелью в экране
во всех трех опытах

(ЕГЭ 2006 г., ДЕМО) А20. Разложение белого света в спектр при прохождении через призму обусловлено:
интерференцией света
дисперсией света
отражением света
дифракцией света

(ЕГЭ 2008 г., ДЕМО) А24. Синус предельного угла полного внутреннего отражения на границе стекло – воздух равен 8/13. Какова скорость света в стекле?
4,88·108 м/с
2,35·108 м/с
1,85·108 м/с
3,82·108 м/с