Законы оптики и теории относительности
Закон прямолинейного распространения света. Свет как электромагнитные волны. Закон преломления света, преломление среды. Свойства линзы. Интерференция света. Первый и второй постулаты теории относительности. Релятивистский закон сложения скоростей.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.11.2018 |
| Размер файла | 313,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Законы оптики
Свет - это электромагнитные волны, вызывающие зрительное ощущение. Их длина лежит в пределах от 0.4 до 0,8 мкм. Скорость света в вакууме с = 3*108 м/с. Как всякие волны свет огибает препятствия на пути его распространения, испытывая дифракцию (см. ниже). Однако, с увеличением размеров препятствий способность света огибать препятствия уменьшается. В большинстве практических случаев этим явлением можно пренебречь. В таких случаях свет распространяется в виде узких, почти параллельных пучков.
Луч - это направление распространения энергии в световом пучке, т.е. это прямая линия. Чем уже световой пучок, тем точнее он определяет направление луча.
Закон прямолинейного распространения света.
В однородной среде свет распространяется вдоль прямых линий.
Закон отражения света.
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол отражения () равен углу падения ( )(рис. 1).
Изображением светящейся точки S в зеркале или линзе называется точка пересечения лучей, вышедших из точки после их отражения в зеркале или преломления в линзе. В зависимости от того, пересекаются ли в точке сами лучи или их продолжения, изображение называют действительным или мнимым.
Изображение светящейся точки в плоском зеркале мнимо и симметрично самой светящейся точке относительно плоскости зеркала.(Рис.2).
Закон преломления света.
Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения ( ) к синусу угла преломления ( ) есть величина постоянная для данных двух сред (рис. 3):
(1)
Величину п21 называют относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.
Абсолютным (табличным) показателем преломления среды называют показатель преломления среды относительно вакуума. (В этом случае на рис. 1 средой I является вакуум).
Относительный показатель преломления п21 связан с абсолютными показателями преломления первой среды п1, второй среды п2 :
(2)
Рис.4.
Среду с меньшим показателем преломления называют оптически менее плотной. При падении света на границу двух сред со стороны оптически более плотной среды происходит полное отражение, если угол падения больше или равен углу, называемому предельным углом полного отражения (рис.4).
Формально углу соответствует угол преломления, равный 90°, поэтому:
(3) (4)
Если свет переходит из данной среды (п1= п) в вакуум (п2=1),то :
(5)
Рис.5.
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. На рис. 5 О1, О2 - центры сфер; прямая О1, О2 - главная оптическая ось, точка С -оптический центр линзы; MN- побочная оптическая ось.
Рис.6. Рис.7.
На рис 6, 7 F - главный фокус линзы; F'- побочный фокус; PQ - фокальная плоскость.
Рис.8.
Гомоцентрическим называют пучок лучей, пересекающихся в одной точке. Основное свойство линзы: она сохраняет гомоцентричность световых пучков (на рис.8 S - светящаяся точка, S' - её изображение).
Рис.9.
На рис.9 дано построение изображения предмета в собирающей линзе при различных его расстояниях от линзы; А ' . - изображение предмета А и т.д. Заметим, что изображения D' нс существует ("уходит в бесконечность"), изображение Е'- мнимое. Формула тонкой линзы:
(6)
где d,f, F- расстояния от линзы соответственно до предмета, до изображения и до главного фокуса. Последнее называют фокусным расстоянием линзы. В формуле линзы все величины берутся со знаком “+”, если соответствующие им точки действительные, и со знаком “-” , если эти точки мнимые.
У рассеивающей линзы фокус мнимый (точка F на рис.10).
Рис.10.
Рис.11.
На рис.11 изображен сходящийся пучок лучей. Точку S можно рассматривать как мнимый источник света, при этом в (6) d<0.
Оптической силой линзы называют величину, обратную фокусному расстоянию:
(7)
Единица оптической силы - диоптрия (дптр). 1 дптр - это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.
Когерентными называют источники, испускающие колебания в одинаковых фазах или с постоянной разностью фаз.
Интерференцией света называют сложение световых пучков, приводящее к образованию устойчивой во времени картины светлых и темных полос. Интерференция света возможна только от когерентных источников.
Рис.12.
На рис.12 S1, S2 - когерентные источники колебаний, происходящих в одинаковых фазах; = S2A - S1A - разность хода испускаемых ими волн до точки А экрана. Если колебания придут в точку А в одинаковых фазах, то они усилят друг друга. Это возможно при условии , где -длина волны. к=0, 1, 2, З... Если колебания придут в точку А в противоположных фазах, то они ослабят друг друга. Это возможно при условии . Для разных точек экрана различны условия интерференции, поэтому на экране Э возникнут чередующиеся светлые и темные полосы.
Дифракцией света называется огибание световыми волнами препятствий. Дифракция света происходит тем заметнее, чем меньше отношение где D - линейные размеры препятствия или отверстия в экране. Поскольку длина волны измеряется в долях микрометра (1мкм=10-6 м), то практически дифракция наблюдается лишь при очень малых величинах D. Это осуществляется в дифракционной решетке, представляющей собой совокупность очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Суммарная ширина d прозрачного и непрозрачного промежутков называется периодом решетки. Если на дифракционную решетку падает нормально к ее поверхности монохроматический (одноцветный) свет с длиной волны , то в результате явления дифракции на стоящий за решеткой экран лучи пойдут не только прямо, но еще и по направлениям, составляющим углы ±1, ±2, ±3,......... с первоначальным направлением. Эти углы определяются формулой:
(8)
где k = 0, 1, 2, 3,...Каждому значению k соответствует по два угла . С помощью (8) можно опытным путем определить длину волны монохроматического света. Наибольшая длина волны (0,8 мкм) соответствует красному цвету, наименьшая - фиолетовому.
Рис.13.
Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от цвета падающего на него света. Это проявляется в том, что если направить узкий пучок солнечного света на призму, он выйдет из призмы в виде веера цветных лучей (рис.13). Цвет определяется длиной волны или связанной с ней по формуле частотой световых колебаний v. С другой стороны, по волновой теории абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме с = 3*108 м/с к скорости света в веществе v: (9)
Таким образом в основе дисперсии лежит зависимость скорости распространения световых (электромагнитных) колебаний в веществе от их частоты.
Описанный выше солнечный спектр называется непрерывным. Он имеет вид разноцветной полоски, в которой цвета непрерывно переходят один в другой. Сплошные спектры дают все раскаленные твердые или жидкие тела.
Светящиеся газы дают линейчатые спектры. Они представляют собой набор определенным образом расположенных тонких цветных линий, разделенных широкими темными промежутками. Каждому веществу соответствует свой строго определенный набор линий - линейчатый спектр. Это свойство линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа - определения химического состава вещества по его спектру.
2.Элементы теории относительности
Первый постулат теории относительности (принцип относительности Эйнштейна) является обобщением принципа относительности Галилея на все физические явления. Он состоит в утверждении, что все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Поэтому никакими опытами, производимыми внутри инерциальной системы, нельзя установить движется ли она или покоится.
Второй постулат теории относительности.
Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света (с = 3*108 м/с).
Из постулатов теории относительности (релятивистской теории) вытекает относительность ряда физических величин. Их значения различны в разных инерциальных системах отсчета. Релятивистское сокращение длины стержня:
(1)
здесь l0 -длина стержня, покоящегося относительно измерительного прибора, 1 - длина того же стержня, движущегося относительно измерительного прибора со скоростью v, направленной вдоль стержня.
Релятивистское замедление хода движущихся часов:
(2)
здесь - длительность какого-либо события, происходящего внутри инерциальной системы, измеренная по часам, покоящимся относительно этой системы, - длительность того же события, измеренная по часам, движущимся относительно этой системы со скоростью v.
Из формул (1). (2) следует, что скорость тела v не может превысить скорость света с, иначе величины l, стали бы мнимыми, что лишено физического смысла. Скорость света - это предельная скорость движения каких-либо объектов.
Релятивистский закон сложения скоростей.
Если тело движется со скоростью v1, в системе отсчета К ', которая сама движется со скоростью v2 относительно другой системы отсчета К в том же направлении, то скорость движения v этого тела в системе отсчета К равна:
(3)
Зависимость массы тела от скорости.
С увеличением скорости тела его масса возрастает в соотвест-вии с формулой
(4)
где m0 - масса покоящегося тела, т - масса того же тела, движущегося со скоростью v.
Связь между массой тела и его энергией (полной релятивистской энергией):
(5)
Изменению энергии тепа соответствует изменение его массы:
(6)
При v=0, m=m0 величина Е0= т0*c2 называется энергией покоя. Разность между полной релятивистской энергией тела и энергией покоя - это кинетическая энергия тела (Т):
электромагнитный волна свет относительность
(7)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рассмотрение шкалы электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения и преломления света. Понятие и свойства линзы, определение оптической силы. Особенности построения изображения в линзах.
презентация [1,2 M], добавлен 28.07.2015Свойства света, его физическая природа и взаимодействие с веществом. Получение изображений точечных источников света и протяженных предметов. Закон отражения, нахождение изображений при отражении света от различных типов зеркал. Закон преломление света.
реферат [59,4 K], добавлен 26.04.2010Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.
презентация [1,3 M], добавлен 02.10.2014Принцип относительности Г. Галилея для механических явлений. Основные постулаты теории относительности А. Эйнштейна. Принципы относительности и инвариантности скорости света. Преобразования координат Лоренца. Основной закон релятивистской динамики.
реферат [119,5 K], добавлен 01.11.2013Длины световых волн. Закон прямолинейного распространения света. Относительные показатели преломления. Явление полного внутреннего отражения для построения световодов. Вектор плотности потока энергии. Фазовая и групповая скорости монохроматической волны.
реферат [893,5 K], добавлен 20.03.2014Инерциальные системы отсчета. Классический принцип относительности и преобразования Галилея. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Релятивистский закон изменения длин промежутков времени. Основной закон релятивистской динамики.
реферат [286,2 K], добавлен 27.03.2012Основные законы оптических явлений. Законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света, независимости световых пучков. Физические принципы применения лазеров. Физические явления и принципы квантового генератора когерентного света.
презентация [125,6 K], добавлен 18.04.2014Корпускулярная и волновая теории света. Представления Макса Планка о характере физических законов. Явление интерференции и дифракции. Распространение импульсов в упругом светоносном эфире согласно теории Гюйгенса. Закон отражения и преломления света.
реферат [25,1 K], добавлен 22.11.2012Особенности физики света и волновых явлений. Анализ некоторых наблюдений человека за свойствами света. Сущность законов геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), основные светотехнические величины.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.10.2012Понятие оптического излучения и светового луча. Оптический диапазон длин волн. Расчет и конструирование оптических приборов. Основные законы геометрической оптики. Проявление прямолинейного распространения света. Закон независимости световых пучков.
презентация [12,0 M], добавлен 02.03.2016Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.
презентация [759,5 K], добавлен 26.10.2013Экспериментальные основы специальной теории относительности, ее основные постулаты. Принцип относительности Эйнштейна. Относительность одновременности как следствие постоянства скорости света. Относительность пространственных и временных интервалов.
презентация [1,8 M], добавлен 23.10.2013Изучение явления интерференции света с помощью интерференционной картины, ее получение по заданным параметрам (на экране не менее восьми светлых полос). Сравнение длины световой волны с длиной волны падающего света. Работа программы "Интерференция волн".
лабораторная работа [86,5 K], добавлен 22.03.2015Изучение ключевых научных открытий Альберта Эйнштейна. Закон внешнего фотоэффекта (1921 г.). Формула связи потери массы тела при излучении энергии. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна (1905 г.). Принцип постоянства скорости света.
презентация [1,1 M], добавлен 25.01.2012Естественный, поляризованный свет. Степень поляризации. Закон Малюса. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера. Поляризация при двойном лучепреломлении. Интерференция поляризованных волн. Искусственное двойное лучепреломление. Эффект Керра.
презентация [68,1 K], добавлен 18.04.2013Отклонение лучей призмой. Линзы, их элементы и характеристики. Интерференция света и условия интерференционных максимумов и минимумов. Получение когерентных пучков. Дифракция света и построение зон Френеля. Поляризация света при отражении и преломлении.
реферат [911,7 K], добавлен 12.02.2016Принцип относительности Галилея. Связь между координатами произвольной точки. Правило сложения скоростей в классической механике. Постулаты классической механики Ньютона. Движение быстрых заряженных частиц. Скорость распространения света в вакууме.
презентация [193,4 K], добавлен 28.06.2013Опыт Майкельсона и крах представлений об эфире. Эксперименты, лежащие в основе специальной теории относительности. Астрономическая аберрация света. Эффект Доплера, связанный с волновыми движениями. Принцип относительности и преобразования Лоренца.
курсовая работа [214,7 K], добавлен 24.03.2013Обзор особенностей преломления и отражения света на сферических поверхностях. Определение положения главного фокуса преломляющей поверхности. Описания тонких сферических линз. Формула тонкой линзы. Построение изображений предметов с помощью тонкой линзы.
реферат [514,5 K], добавлен 10.04.2013Принцип относительности Галилея. Закон сложения скоростей. Постулаты Эйнштейна, их значение. Преобразования Лоренца и следствия из них. Интерферометр Майкельсона и принципы. Сложение скоростей в релятивистской механике. Взаимосвязь массы и энергии покоя.
презентация [1,4 M], добавлен 31.10.2016
