Что колеблется в световой волне

Электромагнитная природа света

Свет как электромагнитная волна

Источником естественного света есть атомы, которые в возбужденном состоянии испускают электромагнитные волны. Причины такого состояния атомов бывают самыми разными: электромагнитное, тепловое, химическое и прочее воздействие. После данного воздействия в возбужденном состоянии атомы испускают волны приблизительно 8-10 секунд. Так как излучаемый диапазон электромагнитных волн атомов достаточно обширен, они излучают весь спектр видимых волн. При этом начальная фаза, поляризация и направление совершенно случайны. По этой причине естественный свет не является поляризованным.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Так как свет имеет природу электромагнитной волны, то оптическая физика базируется на уравнениях Максвелла и всех выражениях, вытекающих из них. Согласно теории Максвелла:

Данное выражение показывает зависимость между магнитными, электрическими и оптическими постоянными среды. Согласно теории Максвелла \(ξ\) и \(μ\) не зависимы от длины волн света, по этой причине теория электромагнитных волн не в состоянии разъяснить явление дисперсии, а именно связь между преломлением и длиной волны света.

От величины показателя преломления зависит оптическая плотность вещества.

Взаимосвязь длины волны и показателя n показана следующим выражением:

Когерентность и суммирование колебаний

Когерентностью называют коррелированность двух и более волновых процессов во времени, что имеет место при их суммировании. Когерентными считаются такие колебания, у которых разность фаз является постоянной величиной и результатом суммирования которых является колебание с той же частотой.

В классической волновой оптике исследуются линейные среды, то есть диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не зависимы от интенсивности света. По этой причине в волновой оптике будет действовать принцип суперпозиции. Поведение световых волн в нелинейных средах исследует нелинейная оптика.

Нелинейные оптические явления значительно выражены при высокой интенсивности света, излучаемого, к примеру, лазерами. Если рассмотреть две волны с равной частотой, что наложены одна на другую и возбуждают колебания в одном направления, то амплитуда суммарного колебания определится таким образом:

\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cosσ,\)

где \(σ=α_2-α_1\) – разность фаз волновых колебаний;

\( A_1 cosωt+α_1\) – параметры одной волны;

\( A_2 cosωt+α_2\) – параметры другой волны.

Когерентными есть волны, разность фаз колебаний которых σ постоянна.

Интерференция волн света

Интерференция света состоит в том, что при наложении световых волн одна на другую отсутствует суммирование их интенсивности. Обязательным условием интерференции является когерентность волн света. Такому условию соответствуют монохроматические волны с одинаковой частотой и распространяются в закрытом объеме.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Так как на практике источники света не вырабатывают монохроматические волны, то все волны в природе некогерентные. Так как электромагнитные волны поперечные, то для получения интерферентной картины недостаточно, чтобы они были когерентными. Как говорилось выше, длительность излучения волны атомом, находится в возбужденном состоянии, составляет 8-10 секунд, за это время атом использует лишнюю энергию на процесс излучения, после чего излучение заканчивается, так как атом становится в свое нормальное состояние. Через какое-то время атом опять возбуждается по причине какого-либо воздействия на него, и снова излучает волны. Такое периодически прерываемое испускание света свойственно всем источникам света, вне зависимости от их характеристик и возбудителей атомов.

Оптическая длина пути

Оптической длиной волны \(L\) есть произведение геометрического расстояния пути волны света S на величину преломления среды.
Оптической разностью хода есть разность оптических длин \(δ=L_2-L_1.\)

Когда оптическая разность хода равняется целому числу волн в вакууме \(δ=mλ_0 \) \((m=0,1,2…),\) тогда \(σ=2mπ,\) а колебания в точке \(M\) осуществляются в одной фазе. Это является максимумом. Если же оптическая разность хода будет \(δ = (2m+1)<λ_0 \over 2>,\) то \(σ=(2m+1)π,\) а колебания будут осуществляться в противофазе.

Стоит отметить, что электромагнитная природа света доказана экспериментально и не подлежит сомнению. В 2009 году исследователями были разработаны методы, позволяющие с высокой точностью определить колебания магнитной части световой волны. Первым, кто доказал электромагнитную природу света, был Максвелл. Он вывел уравнение волн и смог определить скорость этих волн, которая оказалась равной величине скорости света. Это дало подтверждение того, что свет являет собой электромагнитную волну, от частоты которой зависят ее характеристики, например, цвет.

Электромагнитные волны, будь то рентгеновское излучение и радиоволна, являются суммой магнитного и электрического полей, что превращаются одно в другое, тем самым распространяясь в пространстве и времени. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны между собой и к направлению перемещения данной волны.

Источник

Электронная библиотека

В световой (электромагнитной) волне колеблются векторы Е и Н (Е – напряженность электрического поля, Н – напряженность магнитного поля). Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора. В соответствии с этим мы будем в дальнейшем говорить о световом векторе, подразумевая под ним вектор напряженности электрического поля. О магнитном векторе световой волны мы упоминать почти не будем.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать, буквой А. Соответственно изменение во времени и пространстве светового вектора, будет описываться уравнением:

Здесь k – волновое число, r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской волны, распространяющейся в непоглощающей среде, A= сопst, для сферической волны А убывает как 1/r и т. д.

Формула (1.1) описывает связь оптических свойств вещества с его электрическими свойствами. На первый взгляд, может показаться, что эта формула неверна. Например, для воды e = 81, а n = 1,33. Однако надо иметь в виду, что значение e = 81 получено из электростатических измерений. В быстропеременных электрических полях значение e получается иным, причем оно зависит от частоты колебаний поля. Этим объясняется дисперсия света, т.е. зависимость показателя преломления (или скорости света) от частоты (или длины волны). Подстановка в формулу (4.1) значения e, полученного для соответствующей частоты, приводит к правильному значению n.

Значения показателя преломления характеризуют оптическую плотность среды. Среда с большим n называется оптически более плотной, чем среда с меньшим n. Соответственно среда с меньшим n называется оптически менее плотной, чем среда с большим n.

Длина волны в вакууме равна:

Таким образом, связь длины световой волны в среде с показателем преломления n с длиной волны в вакууме описывается соотношением:

Частоты видимого света лежат в пределах n = (0,39 ¸ 0,75)·10 15 Гц, соответствующий диапазон длин волн l находится в области от 0,76 до 0,4 мкм. Свет с различными длинами волн воспринимается человеческим глазом как свет разных цветов, причем, самые коротковолновые имеют фиолетовый цвет, наибольшую длину волны имеет красный цвет. Соответственно наибольшая частота у фиолетового, наименьшая частота у красного света (таблица 1).

Источник

Что такое волна звуковая, электромагнитная и свето

Почему некоторые элементарные частицы могут себя вести как частица, а могут как волна? Этот вопрос меня очень заинтересовал. Чтобы понять, в чём дело, прежде всего, нужно понять, что такое любая волна.

Волновое движение – это регулярно повторяющееся колебание частиц вещества. Распространение волн всегда связано с переносом энергии импульса в пространстве. Для того, что возникла волна, нужен источник импульса или сила воздействия. Любая волна характеризуется амплитудой, частотой, длиной и направлением. Амплитуда волны – это максимальное смещение частиц вещества от положения равновесия. Частота волны – это число её колебаний в секунду. Длина волны – это расстояние между двумя максимумами или минимумами амплитуды. Направление волны – это направление распространения волны в пространстве.

Примерами волнового движения могут служить рябь на поверхности воды (волны в жидкой среде), звук (волны в газообразной среде и твёрдой среде), радиосигналы и свет (электромагнитная среда).

Понять движение волны лучше всего, наблюдая за волнами, возникающими на воде. Для этого нужен начальный импульс или сила, под действием которой они существуют. Бросим камень в воду. Что происходит? Мы видим, как возникшая волна кругами расходится от места падения камня. Волны по воде катятся вследствие вертикального смещения частиц воды вблизи поверхности. Происходит подъём и опускание частиц воды, то есть движение по вертикали, но движения частиц воды по горизонтали нет. Почему мы видим тогда, что волны от брошенного камня расширяются. Всё в начальном импульсе. Брошенный камень давит на частицы воды, и они под ним опускаются. Это заставляет другие, ближайшие к ним частицы воды, подниматься. Ближайшие к этим поднятым частицам воды опускаются и так далее. Возникают волны, которые мы видим. Постепенно энергия импульса переходит в движение волн, и волны уменьшаются, пока совсем не исчезнут. Чем больше энергия импульса, тем шире круг и дольше длятся волны.

Кроме рассмотренной волны воды есть приливные волны. Эти волны возникают под действием определённой силы. Например, под действием силы ветра, силы притяжения Луны. В этом случае происходит, как колебание частиц воды по вертикали, так и движение этих частиц по горизонтали.

Распространение световых и радиоволн не связано с колебанием частиц вещества. Оба эти вида волн представляют собой электромагнитное излучение (распространение энергии благодаря колебаниям электрического и магнитного полей). Электромагнитные волны являются поперечными – колебания напряжённости электрического и магнитного полей происходит под прямым углом к направлению движения волны и под прямым углом друг к другу.

Если свет и радиоволны – это электромагнитные волны, то почему мы свет видим, а радиоволны нет? Наука объясняет это частотой колебания волн.

Если частица ведёт себя как волна, то это означает, что она распалась на более элементарные частицы, которые и создают эту волну. Если это так, то электромагнитные волны – это колебания каких-то элементарных частиц, оказывающих своё действие через магнитное и электрическое поле. Это определенное состояние физической материи. Следовательно, оно должно присутствовать в любом объекте физического мира, включая и самого человека. Мы находимся в океане электромагнитных волн. Остаётся понять, что создаёт этот океан?

Данная статья представлена на сайте Яндекс.Дзен, ссылка на канал Booklife2015 дана в конце моей страницы.

Источник

Что колеблется в световой волне

1.
Скорость света в вакууме определена экспериментально.
Она примерно равна 300 000 км/с.
Во всех средах скорость света меньше, чем в вакууме.

2.
Преломление света на границе двух сред обусловлено изменением скорости при переходе света из одной среды в другую.
Относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах.

3.
Широкое применение имеют линзы — прозрачные тела, ограниченные сферическими поверхностями.
Основная формула линзы связывает ее фокусное расстояние F (расстояние от линзы до фокуса), расстояние d от предмета до линзы и расстояние ƒ от линзы до изображения:

Величины F, ƒ и d в этой формуле могут быть как положительными, так и отрицательными: положительные значения соответствуют действительным фокусу, изображению и предмету, а отрицательные — мнимым.

4.
Показатель преломления света, как впервые установил Ньютон, зависит от его цвета.
Цвет же определяется частотой колебаний (или длиной световой волны).
Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний называется дисперсией.

Дисперсия приводит к тому, что призма разлагает белый свет в спектр.

С помощью призм можно осуществить, как разложение, так и синтез белого света.

Скорость света и длина волны уменьшаются при переходе из вакуума в среду.
Частота колебаний при этом остается неизменной.

5.
Световые волны одинаковой длины волны, имеющие постоянную во времени разность фаз, называются когерентными.
При наложении когерентных волн друг на друга наблюдается интерференция света.
Волны усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности хода между ними.
Когерентные волны образуются, например, при отражении световых волн от двух поверхностей тонкой пленки.
Так как разность фаз колебаний интерферирующих волн зависит не только от толщины пленки, но и от длины волны, то при освещении пленки белым светом образуется цветная интерференционная картина.

7.
Законы геометрической оптики выполняются при условии, что размеры препятствий на пути световых волн много больше длины волны.

Решетка разлагает белый свет в спектр; с ее помощью можно измерять длины световых волн.

9.
Световые волны поперечны.
Это доказано экспериментально при наблюдении прохождения света через анизотропные среды — кристаллы.
Световая волна, в которой колебания происходят в определенной плоскости, называется поляризованной.
Свет, создаваемый обычными источниками (естественный свет), не поляризован.
Колебания в световой волне происходят по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения.

10.
Согласно электромагнитной теории, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну.
Экспериментальное доказательство поперечности световых волн явилось важным этапом в признании справедливости электромагнитной теории света.

Источник

Содержание:

Поляризация света:

В продольной волне колебания происходят вдоль направления распространения волны.

В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения.

Рассмотрим еще одно важное свойство света, которое состоит в том, что свет может быть поляризован. Слово поляризация происходит от латинского polus — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» ввел Ньютон. Для того чтобы лучше разобраться в этом явлении, рассмотрим пример механической волны, бегущей по веревке. В ней можно возбудить поперечные волны, колебания в которых могут происходить как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (рис. 46).

Если в направлении распространения такой волны поставить два ящика со щелями, параллельными направлениям колебаний в волне, то волна пройдет через оба из них (рис. 47, а). Если же один из ящиков повернуть на 90°, так чтобы щели были взаимно перпендикулярны, то волна не пройдет через второй ящик (рис. 47, б).

Таким образом, поперечные волны «погасить» можно. Продольные волны, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения, так
«погасить» невозможно, поскольку они будут проходить через щели ящиков при их произвольной взаимной ориентации.

Если представить теперь поперечную волну, колебания в которой происходят вдоль любых прямых линий в плоскости, перпендикулярной ее направлению распространения, то погасить такую волну можно, пропустив ее через два ящика со скрещенными щелями. При пропускании такой волны через один ящик в ней будут оставаться колебания, параллельные его щели.

Таким образом, в поляризованной волне существует выделенное направление.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, если колебания во всех ее точках происходят только в одной плоскости.

Прибор, превращающий неполяризованную волну в поляризованную, называется поляризатором. Прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна, называется анализатором.

Явление поляризации световых волн можно обнаружить, пропуская свет через две одинаковые пластинки, вырезанные из кристалла турмалина (рис. 48).

Если пластинки расположены и ориентированы параллельно друг другу, то свет попадает в глаз наблюдателя. Если после этого поворачивать одну из пластин в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, то попадающий в глаз наблюдателя свет будет постепенно ослабевать. При скрещивании пластин свет не будет попадать в глаз наблюдателя (см. рис. 48). Дальнейшее вращение пластины приведет к увеличению интенсивности пропускаемого света. Максимальное пропускание будет наблюдаться при одинаковой ориентации пластин

Рассмотренный эксперимент показывает, что электромагнитные волны — поперечны.

Совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности световых волн, называется поляризацией света.

В качестве направления поляризации электромагнитных волн принято выбирать направление колебаний напряженности электрического поля £, потому что на сетчатку глаза действует электрическое поле световой волны.

Плоскость поляризации определяется как плоскость, содержащая напряженность электрического поля и скорость волны. Если колеблется только в этой плоскости, то свет называется плоскополяризованным или линейно поляризованным (рис. 49).

Если же конец вектора при колебаниях описывает окружность (рис. 50), то свет называется поляризованным по кругу, а если — эллипс, то — эллиптически поляризованным (рис. 51).

Свет также может быть неполяриэованным, или естественным. В этом случае колебания вектора происходят неупорядоченно по всевозможным направлениям, но остаются все время перпендикулярными к направлению распространения.

Неполяризованный свет излучается большинством окружающих нас источников, к которым относятся Солнце, другие звезды, лампы накаливания и т. д.

Поляризованный свет дают экраны калькуляторов, мобильных телефонов, а также жидкокристаллические мониторы и телевизоры. В этом легко убедиться с помощью поляроидных очков, вращая, например, экран мобильного телефона в плоскости, нормальной лучу зрения (см. рис. 48). При некотором положении телефона его экран практически полностью затемнится.

Что такое поляризация света

Явления интерференции и дифракции света доказали, что свет имеет волновую природу. Вам известно из 10-го класса, что волны разделяются на: продольные и поперечные. В продольных волнах направление колебания частицы среды совпадает с направлением распространения волны, а в поперечных волнах направления перпендикулярны.

В течение долгого времени основатели волновой оптики Юнг и Френель считали, что световые волны являются продольными волнами. Так как продольные механические волны могут распространяться в твердых, жидких и газообразных средах. А поперечные механические волны могут распространяться только в твердых телах. Однако многие проведенные эксперименты объяснить невозможно, если рассматривать световые волны как продольные. Рассмотрим один из таких экспериментов.

Пусть из кристалла турмалина, расположенного параллельно одной из осей кристаллической решетки плоскости, вырезана пластина. Эту пластину расположим перпендикулярно лучу света (рис. 4.24).

Медленно вращаем пластину вокруг оси проходящего луча света. Видим, что не происходит никакого изменения в интенсивности света, прошедшего через турмалин. Эксперимент повторим: расположим после пластины еще одну такую же пластину .В этот раз, оставляя в покое пластину , медленно вращаем пластину , вокруг оси. При этом наблюдаем изменение интенсивности света, проходящего через пластины. Интенсивность света уменьшается от максимального значения до нуля в зависимости от вращения пластины , относительно , (рис. 4.24). Исследования показали, что если оси пластин будут параллельными, интенсивность проходящих лучей будет высокой, если перпендикулярны, то равна нулю. В результате эксперимента доказали, что интенсивность проходящего света зависит от

Для объяснения этого явления рассмотрим прохождение продольной и поперечной волн через решетки (рис. 4.25).

Возьмем веревку и закрепим один из ее концов. Второй конец пропустим между двумя щелями решетки и встряхнем. По всей длине веревки создаются поперечные волны. В первом случае из-за того, что решетки расположены параллельно, волны проходят через обе решетки. Если вторую решетку установим поперечно, волна через нее не проходит, а гаснет. Если эксперимент повторить с продольными волнами, можно увидеть, что они проходят через обе решетки.

Если сопоставить явления, наблюдаемые на свету с турмалиновыми пластинками и переход поперечных механических волн через решетки, то выясняется, что они похожи. Отсюда делаем вывод, что световые волны являются поперечными волнами.

На рис 4.25 видно, что если решетку поставить поперечно, то волна через нее не проходит. Но на опыте по прохождению света через турмалиновую пластину видим, что если пластину вращать вокруг своей оси, через нее проходит свет. Когда вращаем пластину уменьшается интенсивность света, падает до нуля. Значит, когда свет проходит через меняются его свойства.

Это можно объяснить следующим образом. Излучаемые волны беспорядочно распространяются в разные стороны из-за неупорядоченного расположения атомов в источнике света и неодновременного испускания луча. Поэтому направления векторов напряженности электрического и магнитного полей будут беспорядочными. Когда они попадают на пластину через кристаллическую решетку лучи проходят в одном определенном направлении (рис. 4.26).

Значит, направления векторов напряженности электрического и магнитного полей световой волны, прошедший через будут упорядоченными. Этот свет называется поляризованным светом. Явление, которое мы наблюдали, называется поляризацией света. Как было сказано выше, на пластину , падает поляризованный свет. Интенсивность света, прошедшего через нее, определяется по закону Малиуса:

Как было сказано выше, свет состоит из электромагнитной волны, образующейся в результате совместного распространения двух взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4.8). Исторически сложилось, что плоскость, на которой лежат колебания вектора напряженности электрического поля называется плоскостью колебания. Плоскость на которой лежат колебания вектора напряженности магнитного поля называется плоскостью поляризации.

Если направления колебания векторов электромагнитной волны каким-то образом упорядочены, то этот свет называется поляризованным светом. Если колебания вектора происходят только в одной плоскости, такой свет называют плоско (или прямолинейно) поляризованным светом.

Прибор, с помощью которого можно поляризовать естественный свет, называется поляризатором. Его изготавливают из турмалина, исландского шпата и других прозрачных кристаллов. Для определения степени поляризации света и положения поляризационной плоскости также используют поляризаторы. В последнем случае их называют анализаторами. На рисунке 4.24 пластина выполняет функцию поляроида, пластина — функцию анализатора.

Поляризованный свет широко используют в технике. Например, для получения качественного фото, определения концентрации органических кислот, белка и сахара в растворах.

Определение поляризации света

Свет, отраженный от белого снега зимой, и свет фар встречных автомобилей ночью беспокоят водителей (а) и иногда становятся причиной дорожно-транспортных происшествий. Водителям рекомендуют в таких ситуациях пользоваться поляроидными очками, которые обеспечивают нормальное видение предметов вокруг (b).

Одним из важнейших результатов теории Максвелла стало го, что свет является поперечной электромагнитной волной. Согласно этой теории, свет, являясь электромагнитной волной, представляет собой распространение в пространстве колебаний векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей (). Эти колебания происходят по всем направлениям в плоскостях, перпендикулярных друг другу и направлению скорости распространения (е). Например, белый свет, излучаемый Солнцем, является естественной световой волной.

Явления интерференции и дифракции наблюдаются и в продольных, и в поперечных волнах, поэтому с их помощью невозможно определить поперечность световых волн. Однако существует другое оптическое явление, с помощью которого это можно подтвердить. Это явление поляризации света.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник