Тема1.Хвильова та геометрична оптика.

Оптика

Тема1.Хвильова та геометрична оптика.

1. Розвиток уявлень про природу світла.

2.Поширення світла в різних середовищах.

Геометрична оптика.

3.1.Поглинання і розсіювання світла.

3.2.Відбивання світла. Закони відбивання світла.

3.3.Заломлення світла. Закони заломлення світла. Показник заломлення. Повне відбивання світла.

Хвильова оптика.

4.1.Світло як електромагнітна хвиля.

4.2.Когерентність світлових хвиль. Інтерференція світла.

4.3.Дифракція світла. Дифракційна решітка і дифракційний спектр.

4.4.Поляризація світла.

5.Розкладання білого світла призмою. Дисперсія світла. Спектроскоп.

6. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Рентгенівське випромінювання.

7.Шкала електромагнітних хвиль.

Тема 2.Елементи квантвої фізики.

1.Квантові властивості світла. Гіпотеза М.Планка. Світлові кванти. Стала Планка. Енергія та імпульс фотона.

2.Зовнішній фотоефект і його закони.

3.Рівняння фотоефекту. Застосування фотоефекту.

4.Тиск світла.

5.Хімічна дія світла.

6.Люмінесценція.

7.Квантові генератори та їх застосування.

Тема 3. Елементи теорії відносності.

1.Основні положення спеціальної теорії відносності(СТВ). Швидкість світла вакуумі.

2.Відносність довжини тіла та проміжків часу.

3.Закон взаємозв’язку маси і енергії. Залежність маси від швидкості.

4.Сучасні уявлення про простір і час. Взаємозв’язок класичної і релятивістської механіки

Тема1.Хвильова та геометрична оптика.

1.Розвиток уявлень про природу світла.

Корпускулярна теорія світла Ньютона. Першою науковою теорією, яка намагалася пояснити фізичну природу світла, стала теорія світлових частинок, розроблена І. Ньютоном і викладена ним у книзі «Оптика». Відповідно до її положень, світло являє собою потік частинок, які випускаються світним тілом У всіх напрямах (перенесення речовини). Виходячи з корпускулярних уявлень Ньютон пояснив більшість відомих тоді оптичних явищ: прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, відбивання та заломлення світла.

Хвильова теорія Гюйгенса. Відповідно до теорії Х. Гюйгенса світло — це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі — ефірі, який заповнює весь простір і проникає усередину всіх тіл. Гюйгенс не розглядав справжнього хвильового процесу, його міркування стосувалися лише поширення хвильового фронту. Він суто математично описав явище відбивання й заломлення хвиль і показав, що швидкість світла в більш густому середовищі має бути меншою, ніж у повітрі.

У 1801 році Т. Юнг на підставі хвильових уявлень дуже просто й на. очно роз'яснив інтерференцію світла та розвинув, таким чином, хвильову теорію світла.

у 1818 році О. Френель незалежно від Юнга вивів докладну теорію дифракції й інтерференції світла, показавши, що інтерференція є прямим наслідком хвильової природи світла.

Остаточний удар по корпускулярній теорії був нанесений дослідами Ж. Фуко. Він виміряв швидкість світла у воді й показав, що її значення збігається з теоретично здобутим у хвильовій теорії.

Хвильова теорія з єдиної точки зору пояснила усі відомі тоді явища й передбачила низку нових.

Понад сто років корпускулярна й хвильова гіпотези про природу світла існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемоги. Лише авторитет І. Ньютона змушував більшість учених віддати перевагу корпускулярній теорії.

Електромагнітна теорія світла. У другій половині ХІХ століття Дж. Максвелл довів, що світло являє собою окремий вид електромагнітних хвиль. Його роботи заклали підґрунтя електромагнітної теорії світла. Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Г. Герцем не залишилося ніяких сумнівів у тому, що підчас поширення світло «поводиться» як хвиля.

У 1899 році П. М. Лебедев навів новий доказ тотожності світлових і електромагнітних хвиль. Він виявив дослідним шляхом, що світло тисне на тіла, на які падає, й виміряв цей тиск. 3а теорією Максвела електромагнітні хвилі також чинять подібний тиск.

Таким чином, у другій половині ХІХ століття була заснована електромагнітна теорія світла.

Квантова теорія світла. На початку ХХ століття уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Раптом з'ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все-таки має відношення до реальності. у 1900 році німецький фізик М. Планк припустив, що атоми тіл поглинають і випромінюють енергію скінченнями порціями — квантами. У 1905 році А. Ейнштейн припустив, що світло поширюється в просторі у вигляді дискретних об'єктів — квантів світла.

Таким чином, були виявлені властивості переривисті або, як кажуть, квантові властивості світла.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Виникла надзвичайна ситуація: явища інтерференції та дифракції, як і раніше, можна було пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання й поглинання — вважаючи світло потоком частинок.

У результаті численних обговорень, пошуків і досліджень виникла сучасна теорія світла, що є синтезом корпускулярної та хвильової теорій. В основі цієї теорії лежіть думка, що світло одночасно має і хвильові, й корпускулярні властивості.

2.Поширення світла в різних середовищах

Швидкість світла у вакуумі.

У фізиці швидкість світла є однією з фундаментальних констант. Жодна константа не набула такого важливого значення, як швидкість світла: як параметр вона входить у численні рівняння теоретичної фізики, її значення використовується в радіолокації, при вимірюванні відстаней від Землі до інших планет, під час керування космічними польотами. Виразити швидкість світла через інші сталі неможливо, її можна тільки виміряти дослідним шляхом. У фізиці такі величини називаються фундаментальними.

Швидкість світла є скінченою граничною та інваріантною щодо різних інерціальних систем відліку.

Скінченність швидкості світла доводиться експериментально прямим і непрямим методами.

Прямий спосіб ґрунтується на вимірюванні шляху, пройденого світлом, і часу його проходження, тобто с = . У всіх прямих методах використовується переривання світла, що поширюється від джерела до приймача.

У сучасних радіолокаційних методах передавачі посилають імпульси, що повертаються після відбивання на передавальну радіостанцію.

В основі непрямого способу лежить уявлення про світло як електромагнітну хвилю. У наш час за допомогою лазерної техніки швидкість світла визначається вимірюванням довжини хвилі й частоти радіовипромінювання незалежними один від одного способами й обчислюється за формулою с= .

Астрономічний метод вимірювання швидкості світла. Вперше визначити швидкість світла вдалося датському вченому О. Ремеру 1676 року під час спостереження затемнення одного із супутників ІОпітера — Іо. Через малу точність вимірювань і приблизний радіус орбіти Землі він дістав для швидкості світла значення 215 000 км/с. Але відкриття Ремера має величезну цінність, оскільки уперше було показано, що швидкість поширення світла має скінченне значення.

Лабораторні методи вимірювання швидкості світла. Вперше швидкість світла лабораторним методом удалося виміряти 1849 року французькому фізикові А. Фізо. У цьому методі використовується оптичний «затвор», у свій час запропонований Галілеєм. У досліді Фізо для швидкості світла було здобуто значення 313 000 км/с.

Було розроблено ще багато інших, більш точних лабораторних методів вимірювання швидкості світла. Зокрема, американський фізик А. Майкельсон розробив досконалий метод її вимірювання із застосуванням обертових дзеркал. За результатами досліду Майкельсон дістав значення с=299796 ±4 км/с.

Було обчислено швидкість світла й у різних прозорих речовинах. Так, уводі вона була виміряна 1856 року й виявилася в 4/3 разу меншою, ніж у вакуумі. В усіх інших речовинах вона також менша, ніж у вакуумі.

За сучасними даними, швидкість світла у вакуумі дорівнює 299792458 м/с із точністю : ± 1,2 м/с.

Швидкість світла в різних прозорих речовинах.

Швидкість світла у воді виміряли 1856 року. Як виявилось, вона в 4/3 разу є меншою, ніж у вакуумі. В усіх інших речовинах вона також менша, ніж у вакуумі. В середовищі з діелектричною проникністю e і магнітною проникністю m, швидкість світла визначали за формулою:

,де с - швидкість світла у вакуумі; n - абсолютний показник заломлення в заданому середовищі.