Курс лекций по оптике

 

Заработок для студента

Заработок для студента

 Заказать диплом

 Курсовые работы

Курсовые работы

Репетиторы онлайн по любым предметам

Репетиторы онлайн по любым предметам

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Магазин студенческих работ

Магазин студенческих работ

Диссертации на заказ

Диссертации на заказ

Заказать курсовую работу или скачать?

Заказать курсовую работу или скачать?

Эссе на заказ

Эссе на заказ

Банк рефератов и курсовых

Банк рефератов и курсовых

Курс лекций по электротехнике
Теория электрических сигналов
Начертательная геометрия
Компьютерная графика
Курс лекций по физике
Электростатика
Электромагнетизм
Курс лекций по оптике
Материаловедение
Курс лекций по математике
Линейная алгебра
История искусства
Основные направления в искусстве
Общая энергетика
Экологические проблемы
в теплоэнергетике
Курс лекций по информатике
Практикум по компьютерной
графике

Законы преломления и отражения электромагнитных волн Исторически эти законы были первыми, которые человечество изучило в оптике, в диапазоне видимого света. Будем и мы рассматривать эти законы для т.н. «естественных лучей».

Принцип Ферма В однородной среде свет распространяется прямолинейно. В неоднородной среде световые лучи искривляются. Путь, по которому распространяется свет в неоднородной среде, может быть найден с помощью принципа, установленного французским математиком Ферма в 1679 г. Принцип Ферма гласит, что свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время.

Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз Вообще геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах. Под световыми лучами понимают нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии. Геометрическая оптика, оставаясь приближенным методом построения изображений в оптических системах, позволяет разобрать основные явления, связанные с прохождением через них света, и является поэтому основой теории оптических приборов – призм и линз.

Естественный и поляризованный свет Следствием теории Максвелла является поперечность световых воли: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Интерференция света Когерентность и монохроматичность световых волн и источников Экспериментально человек легче всего может наблюдать явление интерференции электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин.

Методы наблюдения интерференции света Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки, для чего применяются различные приемы. До появления лазеров, дающих «естественно-когерентное» и очень мощное излучение,  во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих призм. Рассмотрим некоторые из этих методов.

Интерференция света в тонких пленках В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах), возникающее в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны

Дифракция света Дифракцией называется отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Явление легко наблюдается для длинноволновых объектов – звуковых и радиоволн, играет важную роль в области видимого света и рентгеновских лучей.

Дифракция Френеля от простейших преград Рассмотренный в предыдущем параграфе метод алгебраического сложения амплитуд (существует и способ графического сложения, подробно изложенный, например, в учебнике И.В Савельева) позволяют решить простейшие задачи на дифракцию света.

Дифракция от круглого диска.

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку — систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Рассматривая дифракцию Фраунгофера на щели, мы видели, что распределение интенсивности на экране определяется направлением дифрагированных лучей. Это означает, что перемещение щели параллельно самой себе влево или вправо не изменит дифракционной картины. Следовательно, если перейти от одной щели ко многим (к дифракционной решетке), то дифракционные картины, создаваемые каждой щелью в отдельности, будут одинаковыми

Поляризация света Ранее были рассмотрены различия естественного и поляризованного света.  Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора

Двойное лучепреломление Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Поляризационные призмы и поляроиды В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса: призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы); призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях (двоякопреломляющие призмы).

Дисперсия света называется зависимость показателя преломления п вещества от частоты n (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости v световых волн от его частоты n.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Излучение и поглощение энергии. Если на какое-либо тело падает поток излучения Фо, то часть потока Фотр<Фо отражается от поверхности тела обратно: от матовой поверхности – диффузно во все стороны, от гладкой поверхности – зеркально. При не слишком большой толщине слоя часть падающего излучения пройдет насквозь и за телом будет наблюдаться поток излучения Фпрох<Фо. Наконец, часть потока, проникающего в тело, будет поглощаться и превращаться в другие формы энергии, в конечном счете – в тепло

Характеристики теплового излучения Электромагнитные волны, испускаемые атомами, которые возбуждаются за счет теплового движения, представляют собой тепловое излучение. Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры.

  Следствия закона Кирхгофа Всякое тело наиболее энергично излучает то, что оно наиболее интенсивно поглощает. Абсолютно черное тело является наиболее эффективным излучателем при всех длинах волн и всех температурах.

Квантовые явления Свойства фотонов. Масса и импульс фотона. Давление света До сих пор при объяснении квантовых оптических явлений мы использовали только одну характеристику фотона - его энергию e = hn. Помимо энергии, фотон обладает также массой и импульсом (количеством движения).

При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта

Применение фотоэффекта На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Теория атома водорода по Бору Модели атома Томсона и Резерфорда Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества («атомос» — неразложимый) возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века, во времена безграничного господства церкви, учение об атомах, будучи материалистическим, естественно, не могло получить признания, а тем более - дальнейшего развития. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность, так как к этому времени в работах А. Лавуазье (1743—1794, французский химик), М. В. Ломоносова и Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы по-прежнему считались неделимыми.

Постулаты Бора Первая попытка построить качественно новую — квантовую — теорию атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором (1885—1962). Он поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Основы квантовой механики Корпускулярно-волновой дуализм вещества

Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому приписывать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Естественно, что необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.

Волновая Y-функция и ее статистический смысл Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречие целого ряда экспериментов с применяемыми в начале XX в. теориями привели к новому этапу развития квантовой теории — созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств.

УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА И ЕГО РЕШЕНИЯ В квантовой механике возникает важнейшая проблема об отыскании такого уравнения, которое явилось бы тем же, чем являются уравнения движения Ньютона для классической механики. Как известно, уравнения Ньютона позволяют для макроскопических тел решать основную задачу механики — по заданным силам, действующим на тело (или систему тел), и определенным начальным условиям (начальным значениям координат и скорости тела) найти для любого момента времени координаты тела и его скорость, т. е. описать движение тела в пространстве и во времени.

Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект

Современная физика атомов и молекул Атом водорода в квантовой механике Решение задачи об энергетических уровнях электрона для атома водорода (а также водородоподобных систем: иона гелия Не+, двукратно ионизованного лития Li++ и др.) сводится к задаче о движении электрона в кулоновском поле ядра.

Спектр. Квантовые числа п, l и ml позволяют более полно описать спектр испускания (поглощения) атома водорода, полученный в теории Бора

Спин электрона. Спиновое квантовое число О. Штерн и В. Герлах, проводя прямые измерения магнитных моментов, обнаружили в 1922 г., что узкий пучок атомов водорода, заведомо находящихся в s-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пучка. В этом состоянии момент импульса электрона равен нулю. Магнитный момент атома, связанный с орбитальным движением электрона, пропорционален механическому моменту, поэтому он равен нулю и магнитное поле не должно оказывать влияния на движение атомов водорода в основном состоянии, т. е. расщепления быть не должно.

Рентгеновские спектры Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком К. Рентгеном (1845—1923) и названное рентгеновским. Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10-12 – 10-8 м.

Квантовая статистика - раздел статистической физики, исследующий системы, которые состоят из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. В отличие от исходных положений классической статистической физики, в которой тождественные частицы различимы (частицу можно отличить от всех таких же частиц), квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц. При этом оказывается, что коллективы частиц с целым и полуцелым спинами подчиняются разным статистикам.

Физика атомного ядра Состав атомных ядер, их классификация Э. Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектронвольт через тонкие пленки золота, пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и сгружающих его электронов. Проанализировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры около 10-14–10-15 м (линейные размеры атома примерно 10-10 м).

Радиоактивное излучение и его виды Французский физик А. Беккерель (1852—1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри - Мария (1867—1934) и Пьер - обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана.

Закономерности a-распада В настоящее время известно более двухсот a-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82). Только небольшая группа a-активных ядер приходится на область с А= 140—160 (редкие земли). a-Распад подчиняется правилу смещения (44.9). Примером a-распада служит распад изотопа урана 238 U с образованием Th:

Гамма-излучение и то свойства Экспериментально установлено, что g-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-Спектр является линейчатым. g-Спектр — это распределение числа g-квантов по энергиям. Дискретность g-спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (a,b,g) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а g-кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эффекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с g-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

Мирное применение реакций деления Очевидно, что для созидательного использования ядерной энергии нужно уметь регулировать ее выделение, т. е. получить управляемую реакцию деления. Это осуществляется в ядерных реакторах. Первый реактор создан в США в 1942 г., в России — в 1946 г., а в 1954 г. введена первая промышленная АЭС мощностью 5000 кВт.

Спектральное разложение

Спектральное разложение как математическая операция

Спектральное разложение несинусоидального периодического воздействия. Пусть на резонатор действует несинусоидальная, но периодическая внешняя сила f(t). Теорема Фурье, доказываемая в курсе математики, утверждает, что функция f(t) может быть представлена во всем интервале - ¥ £ t £ +¥ виде суперпозиции бесконечного множества синусоид, имеющих частоты, кратные w = 2p/T, где Т— период функции f(t)

Законы сохранения в механике Мировоззренческая, методологическая и практическая ценность законов сохранения Среди всех законов природы законы сохранения занимают особое место. Исключительная общность и универсальность законов сохранения определяет их научное, методологическое и философское значение. В законах сохранения находит свое отображение важнейший диалектико-материалистический принцип качественной и количественной неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между видами движущейся материи и специфика превращения одного вида движения материи в другой.

Рассмотрим  основные свойства тензора инерции (для более детального ознакомления со свойствами тензоров отсылаем студентов к специальным учебникам по математике)

Какие же воздействия на тело приводят к изменению положения в пространстве вектора L при свободном вращении (модуль |L| = const)? Первые две строки в формулах (46.12) говорят, что должны существовать Mx и My - компоненты вектора момента силы в плоскости XOY. Прежде всего отметим,  что эти компоненты могут создаваться реакциями подшипников при фиксации в пространстве оси вращения

Основы термодинамики неравновесных процессов Основные понятия: кинетические потоки Всякий необратимый процесс вызывается внешними условиями, в которых состояние тела оказывается неравновесным. Если течение процесса со временем не изменяется, то процесс называется стационарным. В противном случае процесс называется нестационарным.

Рассмотрим, от чего зависит изменение во времени плотности r любой из аддитивных величин. Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. При этом в каждом случае будем выбирать систему отсчета так, чтобы ее ось х была ориентирована в направлении переноса. Тогда поток будет иметь отличной от нуля только х-компоненту, которую, следуя избранной ранее системе обозначений, мы будем записывать через j. Кроме того, и r, и j будут зависеть только от х и t.

Помимо состояний локального равновесия, хотя и редко, но все же встречаются состояния, очень далекие от равновесных. Они называются сильно неравновесными, существуют, как правило, очень короткое время и “приготавливаются” в специальных условиях. Здесь мы не имеем в виду биологические (живые) системы, для которых как раз типичным является пребывание в сильно неравновесных состояниях за все время жизнедеятельности.

Вспомним, как мы рассматривали диффузию газов с микроскопической точки зрения. Пусть в смеси двух газов давление Р и температура Т везде одинаковы, а состав меняется в х-направлении. Обозначим через no полное число частиц обоих газов в единице объема, а через n(x,t)—плотность одного из них.

 Рассмотрев уже известные нам физические явления – теплопроводности и диффузии – с позиции представлений неравновесной термодинамики, обратимся теперь к изложению основных законов и теорем этой отрасли физического знания.

Уравнение эволюции есть уравнение баланса гидродинамического типа. Как уже отмечалось, s определяли как величину энтропии на единицу массы. Уравнения баланса в то же время выписывали как уравнения для плотностей соответствующих величин (на единицу объема)

Итак, в рамках приближения локального квазиравновесия мы фактически построили формализм неравновесной термодинамической теории, дающей обобщенную формулировку первого и второго законов термодинамики с помощью уравнений гидродинамического типа. Однако, как мы уже указали, есть определенный произвол в выборе потоков и сопряженных им сил. Хотя полностью от этого произвола в рамках феноменологических представлений освободиться невозможно, но допустимо сделать существенные уточнения в так называемом линейном приближении.

Сильно неравновесные состояния Пока здесь все рассуждения проводились в рамках линейной термодинамики. Возникает вопрос: что будет, если стационарное состояние существует, но соответствует большому перепаду интенсивного параметра в пределах рассматриваемой системы, когда не имеет смысла вводить некоторое мыслимое равновесное состояние с фиксированным значением (скажем) То и, значит, описание процесса достижения стационарного состояния, а также процесса в стационарном состоянии нельзя выполнить в рамках линейной термодинамики с постоянными Lij и необходимо учитывать нелинейные процессы?

Квантовые усилители и генераторы. Лазеры. Индуцированное излучение До сих пор мы рассматривали лишь такое взаимодействие излучения с веществом, в результате которого происходит ослабление потока вследствие рассеяния и поглощения. Однако, возможны такие процессы, при которых поток излучения, проходя через вещество, будет не ослабляться, но усиливаться, на что впервые указал Фабрикант в 1939 г. Подобные процессы реализуются в приборах, получивших название квантовых усилителей и квантовых генераторов, рассматриваются они в недавно родившейся области науки - квантовой электронике.

Гелий-неоновый лазер. Газовые лазеры могут быть созданы на основе различных рабочих тел – газов: СО2 для самых мощных промышленных и боевых лазеров, азота, аргона, смеси Не и Ne для медицинских и «прицелочных» лазеров, на парах металлов и др.

Начертательная геометрия, инженерная графика, основы конструирования Компьютерная графика, физика