Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

26.3: Подальші теми

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74625

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Опишіть процес, який призводить до перешкод тонкої плівки

    Тонкоплівкові перешкоди

    Це явище, яке виникає, коли падаючі промені, відбиваються верхньою і нижньою межами тонкої плівки, заважають один одному і утворюють нову хвилю. Матеріал вважається тонкою плівкою, якщо її товщина знаходиться в діапазоні від субнанометра до мікрона, наприклад, мильна бульбашка. Вивчення нової хвилі може пролити світло на властивості плівки, такі як товщина або показник заломлення. Інтерференційні ефекти найбільш помітні, коли світло взаємодіє з чимось, що має розмір, подібний до власної довжини хвилі. Товщина тонкої плівки в кілька разів менше довжини хвилі світла, λ. Колір побічно пов'язаний з довжиною хвилі. Відношення перешкод довжини хвилі до розміру предмета обумовлює появу кольорів.

    Тонкоплівкові перешкоди: У цьому відео я продовжую свої навчальні посібники з електромагнетизму до оптики, яка розміщена на рівні бакалаврату університету. Я давно мав намір записувати відео, які описують перехід від класичного електромагнетизму до оптики. Багато в чому ці відео охоплюватимуть «хвильову» оптику. Я приділяю багато часу обговоренню складного експоненціального представлення хвиль, рівнянь Максвелла, хвильового рівняння тощо. Зокрема, тут я виведу формулу оптичної різниці шляху та різниці фаз для «хвилі» світла, що поширюється через тонку плівку. Цей вираз можна використовувати для антивідбивних покриттів. Різниця фаз є добутком оптичного шляху різниці та хвильового вектора k.I сподіваюся, що це корисно!! Дякуємо за перегляд, і я сподіваюся, що це відповідає вашим вимогам.

    зображення

    Тонкоплівкові перешкоди в нафті: Тонкоплівкові перешкоди можна побачити в цій масляній плямі.

    Приклади тонкоплівкових перешкод

    Ви, напевно, були свідками втручання тонкої плівки у вашому повсякденному житті і просто не усвідомили цього. Всякий раз, коли ви бачите яскраві, веселкові кольори в олії, що плавають у воді, показані в, це тонкоплівкові перешкоди. Кольори, які з'являються в бульбашок, з якими грають діти, також є результатом втручання тонкої плівки. Тонкоплівкові перешкоди можуть мати комерційне застосування, наприклад, покриття проти відбиття та оптичні фільтри.

    Як це працює

    показує схему того, як працює тонкоплівкова інтерференція. Коли світло потрапляє на поверхню плівки, воно або передається, або відбивається на верхній поверхні. Світло, яке передається, досягає нижньої поверхні і може знову передаватися або відбиватися. Світло, що відбивається від верхньої і нижньої поверхонь, буде заважати. Ступінь конструктивного або руйнівного втручання між двома світловими хвилями залежить від різниці їх фази. Ця різниця залежить від товщини плівкового шару, показника заломлення плівки та кута падіння вихідної хвилі на плівку. Крім того, фазовий зсув 180° або ππ радіанів може бути введений при відображенні на межі залежно від показників заломлення матеріалів з обох боків зазначеної межі. Цей фазовий зсув відбувається, якщо показник заломлення середовища, через яке рухається світло, менше, ніж показник заломлення матеріалу, який він вражає. Іншими словами, якщо n1<n2n1<n2і світло рухається від матеріалу 1 до матеріалу 2, то фазовий зсув відбудеться при відображенні. Візерунок світла, що виникає внаслідок цього втручання, може виглядати як світлі та темні смуги, так і у вигляді барвистих смуг залежно від джерела падаючого світла.

    зображення

    Світло на тонкій плівці: Світло, що падає на тонку плівку. Демонстрація різниці довжини оптичного шляху для світла, відбитого від верхньої та нижньої кордонів.

    Перешкоди будуть конструктивними, якщо різниця оптичного шляху дорівнює цілому числу, кратному довжині хвилі світла:

    \[2 \mathrm { n } _ { 2 } \mathrm { d } \cos \left( \theta _ { 2 } \right) = \mathrm { m } \lambda\]

    де mm - ціле число, dd - товщина плівки, а λλ - довжина хвилі світла. Однак ця умова може змінитися, якщо фазові зрушення відбуваються при відображенні.

    Поляризація, пропускаючи світло через поляризатори

    Поляризація - це ознака того, що хвильові коливання мають певний напрямок щодо напрямку поширення хвилі.

    цілі навчання

    • Обговорити поляризацію електромагнітних хвиль

    Визначення поляризації

    Як ми обговорюємо в попередніх атомах, світлові хвилі - це тип електромагнітних хвиль у видимому спектрі. Ці електромагнітні (ЕМ) хвилі є поперечними хвилями. Малюнок 1 демонструє, що поперечна хвиля коливається перпендикулярно напрямку передачі енергії. Якщо хвиля рухається зліва направо, вона коливається вгору-вниз. Поляризація - це властивість хвиль, які дозволяють їм коливатися в більш ніж одному напрямку, але цей напрямок відносно напрямку, в якому рухається хвиля. Для ЕМ-хвилі напрямок поляризації - це напрямок, паралельний електричному полю. На малюнку 2 видно, що ЕМ і магнітні поля перпендикулярні шляху руху. Так як напрямок поляризації паралельно електричному полю, можна вважати сині стрілки напрямком поляризації.

    зображення

    Малюнок 2: ЕМ-хвиля, така як світло, - це поперечна хвиля. Електричне і магнітне поля перпендикулярні напрямку поширення.

    зображення

    Малюнок 1: Поперечні хвилі

    Як це працює

    Тепер, щоб вивчити ефекти пропускання світла через поляризатор, давайте подивимося на рис. 3. показує нерухомий вертикальний слот, який буде діяти як поляризатор, і дві хвилі, що рухаються в одному напрямку, але одна коливається вертикально, a, (і тому вертикально поляризована), а інша, b, горизонтально. Що відбувається з цими хвилями, коли вони проходять через поляризатор? Коли хвиля а, вертикально коливальна хвиля пропускається через вертикально поляризовану щілину, нічого не відбувається. Хвиля проходить через недоторкану або маніпульовану. Коли хвиля b, горизонтально коливальна хвиля пропускається, вертикально поляризована щілина блокує хвилю, і вона взагалі не пропускається. Тепер, коли ми розуміємо концепцію поляризації, і як вона працює, як ми можемо застосувати це, щоб зробити її корисною? Подивіться на рисунок 4. Зображення зліва сповнене відблисків, через що важко побачити, на що ми дивимося. Зображення праворуч було зроблено з поляризованою лінзою, тому ви бачите тільки зображення, і жодного з дратівливих відблисків. Як це працює, наведено на малюнку 5. Багато джерел світла неполяризовані і складаються з безлічі хвиль у всіх можливих напрямках. Поляризовані лінзи дозволяють пропускати лише один напрямок світла, мінімізуючи небажані аспекти світлових променів, такі як відблиски. Просто проходження світла через поляризований матеріал змінює інтенсивність світла.

    зображення

    Малюнок 5: Поляризаційний фільтр має вісь поляризації, яка діє як щілина, що проходить через електричні поля паралельно його напрямку. Напрямок поляризації ЕМ-хвилі визначається як напрямок її електричного поля.

    зображення

    Малюнок 4: Ці дві фотографії річки показують ефект поляризаційного фільтра на зменшення відблисків у світлі, відбитому від поверхні води. Частина (б) цієї цифри була взята з поляризаційним фільтром, а частина (а) не була. В результаті відбиття хмар і неба, що спостерігається в частині (а), не спостерігається в частині (б). Поляризаційні сонцезахисні окуляри особливо корисні на снігу та воді. (кредит: Амітш, Вікісховище)

    зображення

    Малюнок 3: Приклад проходження світла через поляризатор

    Інтенсивність

    Назвемо кут між напрямком поляризації і віссю поляризаційного фільтра θ. Початкова інтенсивність світла перед його пропуском через фільтр позначається I 0. Для того щоб знайти нову інтенсивність світла після подорожі по матеріалу показано наступне рівняння:

    \[\mathrm{I = I_0 \cos 2 \theta}\]

    Якщо пропустити світло через два поляризаційні фільтри, ви отримаєте різноманітні ефекти поляризації. Якщо два фільтри орієнтовані точно перпендикулярно один одному, світло взагалі не пройде. Якщо вони будуть точно паралельні один одному, додаткового впливу від додаткового фільтра не буде.

    Поляризація шляхом розсіювання та відображення

    Неполяризоване світло може поляризуватися штучно, а також природним явищем, таким як відображення і розсіювання.

    цілі навчання

    • Обчислити кут відбиття повної поляризації за показниками заломлення

    Поляризація за допомогою відбиття

    У попередньому атомі ми обговорювали, як працюють поляризовані лінзи. Наприклад, у випадку поляризованих сонцезахисних окулярів, коли ви переглядаєте їх, відбите світло не повністю фільтрується; відбите світло може бути злегка поляризованим процесом відображення (як показано на). Більшість джерел світла виробляють неполяризоване світло. Коли світло потрапляє на відбивну поверхню, вертикально поляризовані аспекти цього світла заломлюються на цій поверхні. Відбите світло більш горизонтально поляризоване. Щоб краще запам'ятати це, ми можемо думати про світло як стрілку, а відбивну поверхню як ціль. Якщо стрілка потрапляє на ціль перпендикулярно (вертикально поляризована), вона збирається встромити в ціль (заломлюватися в поверхню). Якщо стрілка потрапляє в ціль зі свого боку (горизонтально поляризована), то вона відскакує відразу (відбивається).

    зображення

    Поляризація відбиттям: Неполяризоване світло має рівні кількості вертикальної та горизонтальної поляризації. Після взаємодії з поверхнею вертикальні компоненти переважно поглинаються або заломлюються, залишаючи відбите світло більш горизонтально поляризованим. Це схоже на стрілки, що вражають по боках, відскакуючи, тоді як стрілки, що вражають їх кінчики, виходять на поверхню.

    Так як світло розщеплюється на дві частини, а частина його заломлюється, величина поляризації до відбитого світла залежить від показника заломлення поверхні, що відбиває. Ми можемо використовувати наступне рівняння для визначення кута відбиття, при якому світло буде повністю поляризуватися:

    \[\tan \theta _ { \mathrm { b } } = \dfrac { \mathrm { n } _ { 2 } } { \mathrm { n } _ { 1 } }\]

    де: θ b = кут відбиття повної поляризації (також відомий як кут Брюстера); n 1 = індекс заломлення середовища, в якому відбивається світло; і n 2 = індекс заломлення середовища, за допомогою якого відбивається світло.

    Поляризація розсіюванням

    Подібно до того, як неполяризоване світло може бути частково поляризованим шляхом відображення, воно також може поляризуватися розсіюванням (також відоме як розсіювання Релея; ілюстровано в). Оскільки світлові хвилі - це електромагнітні (ЕМ) хвилі (а ЕМ-хвилі - поперечні хвилі), вони будуть вібрувати електрони молекул повітря перпендикулярно напрямку, в якому вони рухаються. Потім електрони виробляють випромінювання (діючи як маленькі вусики), яке поляризується перпендикулярно напрямку променя. Світло, паралельне вихідному променю, не має поляризації. Світло, перпендикулярне вихідному променю, повністю поляризоване. У всіх інших напрямках світло, розсіяний повітрям, буде частково поляризованим.

    зображення

    Поляризація розсіюванням: Також відомий як розсіювання Релея. Неполяризоване розсіювання світла від молекул повітря трясе своїми електронами перпендикулярно напрямку вихідного променя. Таким чином, розсіяне світло має поляризацію, перпендикулярну початковому напрямку, і жодна паралельна початковому напрямку.

    Розсіювання світла атмосферою

    Розсіювання Релея описує молекули газу повітря, що розсіюють світло, коли він потрапляє в атмосферу; він також описує, чому небо синє.

    цілі навчання

    • Опишіть зв'язок хвиля-частинки, що призводить до розсіювання Релея, і застосуйте його для пояснення загальних явищ

    Розсіювання Релея

    Розсіювання Релея - це пружне розсіювання хвиль частинками, які набагато менші, ніж довжини хвиль цих хвиль. Частинки, які розсіюють світло, також повинні мати показник заломлення, близький до 1. Цей закон застосовується до всіх електромагнітних випромінювань, але в цьому атомі ми зосередимося конкретно на тому, чому атмосфера розсіює видимий спектр електромагнітних хвиль, також відомий як видиме світло. При цьому світло розсіюється молекулами газу атмосфери, а показник заломлення повітря дорівнює 1.

    Розсіювання Релея обумовлено поляризуемостью окремої молекули. Ця полярність описує, наскільки електричні заряди в молекулі будуть вібрувати в електричному полі. Формула для розрахунку інтенсивності розсіювання для однієї частинки виглядає наступним чином:

    \[\mathrm { I } = \mathrm { I } _ { 0 } \dfrac { 8 \pi ^ { 4 } \alpha ^ { 2 } } { \lambda ^ { 4 } \mathrm { R } ^ { 2 } } \left( 1 + \cos ^ { 2 } \theta \right)\]

    де I - результуюча інтенсивність, I 0 - початкова інтенсивність, α - поляризуемость, λ - довжина хвилі, R - відстань до частинки, а θ - кут розсіювання.

    Хоча вам, ймовірно, не потрібно буде використовувати цю формулу, важливо розуміти, що розсіювання має сильну залежність від довжини хвилі. З формули ми бачимо, що коротша довжина хвилі буде розсіяна сильніше, ніж довша. (Чим довша довжина хвилі, тим більше знаменник, і з алгебри ми знаємо, що більший знаменник у дробі означає меншу кількість.)

    Чому небесно-блакитний?

    Як ми тільки що дізналися, розсіювання світла обернено пропорційно четвертій потужності довжини хвилі світла. Так, чим коротше довжина хвилі, тим більше вона буде розсіюватися. Оскільки зелений і синій мають відносно короткі довжини хвиль, ви бачите суміш цих кольорів на небі, і небо здається синім. Коли ви дивитеся ближче і ближче до сонця, світло не розсіюється, оскільки воно наближається до кута 90 градусів з розсіюючими частинками. Оскільки світло розсіюється все менше і менше, ви бачите довші довжини хвиль, як червоний і жовтий. Ось чому сонце здається світло-жовтим кольором.

    Чому сонці барвисті?

    показує захід сонця. Ми знаємо, чому небо синє, але чому всі ці кольори на заході сонця? Почервоніння, яке виникає біля горизонту, полягає в тому, що світло повинен проходити через значно більший об'єм повітря, ніж коли сонце високо на небі. Це збільшує ефект розсіювання Релея і видаляє все синє світло з прямого шляху спостерігача. Решта нерозсіяне світло має довші довжини хвиль і так виглядає помаранчевим.

    зображення

    Захід сонця: градієнт кольорів у небі під час заходу сонця

    Дисперсія видимого спектра

    Дисперсія - це поширення білого світла в повний спектр довжин хвиль; це явище можна спостерігати в призмах і веселках.

    цілі навчання

    • Опишіть процес диспергування

    Видимий спектр

    В межах електромагнітного спектра є лише частина, яка видима людському оку. Видиме світло - це діапазон довжин хвиль електромагнітного випромінювання, який людина може бачити. Для типового людського ока це коливається від 390 нм до 750 нм. показує цей діапазон і кольори, пов'язані з ним:

    зображення

    Видимий спектр: видимий спектр, представлений лінійно

    • Фіолетовий: 380-450 нм
    • Синій: 450-495 нм
    • Зелений: 495-570 нм
    • Жовтий: 570-590 нм
    • Помаранчевий: 590-620 нм
    • Червоний: 620-750 нм

    Як видно з, це кольори веселки, і це не випадково.

    Дисперсія

    Дисперсія - це поширення білого світла в повний спектр довжин хвиль. Як це відбувається? Індекс заломлення різний для кожного середовища, через яке проходить світло, як ми дізналися в попередніх атомах. Коли світловий промінь потрапляє в середовище з іншим показником заломлення, світло розсіюється, як показано на призмі. Коли біле світло потрапляє в призму, він поширюється. Оскільки показник заломлення змінюється залежно від довжини хвилі, світло заломлюється під різними кутами при виході, внаслідок чого виходять світлові промені виглядають як веселка або як послідовність зменшення довжин хвиль, від червоного до фіолетового.

    зображення

    Світло і скляна призма: (а) Чиста довжина хвилі світла падає на призму і заломлюється на обох поверхнях. (б) Біле світло розсіюється призмою (показано перебільшено). Оскільки показник заломлення змінюється в залежності від довжини хвилі, кути заломлення змінюються в залежності від довжини хвилі. Виробляється послідовність від червоного до фіолетового, оскільки показник заломлення неухильно зростає зі зменшенням довжини хвилі.

    Цей же принцип можна застосувати і до веселок. Зверніться до. Веселки викликані не тільки заломленням, як призми, але і відображенням. Світло потрапляє в краплю води і відбивається від зворотного боку крапельки. Світло заломлюється один раз, коли він потрапляє в краплю, і знову, як і виходить з краплі. У воді показник заломлення змінюється в залежності від довжини хвилі, тому світло розсіюється.

    зображення

    Світло і крапля води: Частина світла, що падає на цю краплю води, входить і відбивається від задньої частини краплі. Це світло заломлюється і розсіюється як при вході, так і під час виходу з краплі.

    Ключові моменти

    • Коли падаюче світло досягає тонкої плівки, він частково відбивається і пропускається до нижнього шару плівки. Різниця показників заломлення повітря і плівки змушує світло змінювати напрямок і перешкоджати відбитому ділянці променя при його появі.
    • Це втручання може бути конструктивним, створюючи яскраві кольори, або руйнівним, створюючи більш темні кольори.
    • Перешкоди будуть конструктивними, якщо різниця оптичного шляху дорівнює цілому числу, кратному довжині хвилі світла.
    • Напрямок поляризації паралельно напрямку електричного поля, пов'язаного з електромагнітною хвилею, до складу якої входять світлові хвилі.
    • Використовуючи поляризаційні властивості хвиль, такі компанії, як Polariod, як змогли виробляти матеріали, які фільтрують небажані хвилі світла та мінімізують інтенсивність світла.
    • Поляризаційні матеріали можуть бути орієнтовані під різними кутами для отримання різних ефектів. Нову інтенсивність світла після проходження через ці матеріали можна знайти за такою формулою: I = I 0 cos2θ.
    • Коли неполяризоване світло потрапляє на відбивну поверхню, вертикально поляризовані аспекти заломлюються в поверхню. Горизонтально поляризовані аспекти відбиваються від поверхні, і світло тепер сприймається як частково поляризований.
    • Коли світло відбивається, існує кут, під яким це світло повністю поляризується. Це називається кут Брюстера, на честь шотландського фізика, який відкрив закон.
    • Неполяризоване світло також може стати поляризованим, коли воно розсіюється в повітрі (також відоме як розсіювання Релея). Це відбувається через те, що ЕМ-хвилі змушують електрон в повітрі вібрувати, виробляючи випромінювання і викликаючи поляризацію світла.
    • Явище розсіювання світла називається розсіюванням Релея; це може статися з будь-якими електромагнітними хвилями. Це відбувається лише тоді, коли хвилі стикаються з частинками, які набагато менші, ніж довжини хвиль хвиль.
    • Величина, яку розсіює світло, обернено пропорційна четвертій потужності довжини хвилі світла. З цієї причини світло з коротшою довжиною хвилі, як зелень та блюз, розсіюються легше, ніж довші довжини хвиль, такі як жовті та червоні.
    • Коли ви дивитеся ближче до джерела світла неба, сонця, світло розсіюється все менше і менше, тому що кут між сонцем і розсіюють частинками наближається до 90 градусів. Ось чому сонце має жовтуватий колір, коли ми дивимося на нього з Землі, тоді як решта неба здається синьою.
    • У космічному просторі, де немає атмосфери і, отже, немає частинок для розсіювання світла, небо здається чорним, а сонце здається білим.
    • Під час заходу сонця світло повинен проходити через збільшений обсяг повітря. Це збільшує ефект розсіювання, змушуючи світло на прямому шляху спостерігача здаватися помаранчевим, а не синім.
    • Дисперсія - побічна дія закону заломлення. Оскільки кути заломлення залежать від довжини хвилі, коли світло потрапляє в середовище з іншим показником заломлення, він може бути розсіяний, як призма.
    • Дисперсія білого світла часто може призвести до спостереження заломленого світла в порядку збільшення або зменшення довжини хвилі, викликаючи ефект веселки.
    • Як видно з видимого спектру, є деякі кольори, які мозок сприймає, які не включені. Це пов'язано з тим, що деякі кольори є сумішшю різних довжин хвиль, таких як рожевий і пурпуровий.

    Ключові умови

    • падаючий промінь: промінь світла, який вражає поверхню.
    • Інтерференція: Ефект, спричинений накладенням двох систем хвиль, наприклад, спотворення на широкомовному сигналі через атмосферні чи інші ефекти.
    • довжина хвилі: Довжина одного циклу хвилі, яка вимірюється відстанню між одним піком або жолобом хвилі та наступним; вона часто позначається у фізиці як λ, і відповідає швидкості хвилі, поділеній на її частоту.
    • коливатися: розгойдуватися вперед-назад, особливо якщо з регулярним ритмом.
    • індекс заломлення: Для матеріалу відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості в матеріалі.
    • поляризація: виробництво поляризованого світла; напрямок, в якому вказує електричне поле електромагнітної хвилі.
    • електромагнітне випромінювання: випромінювання (квантоване у вигляді фотонів), що складається з коливальних електричних і магнітних полів, орієнтованих перпендикулярно один одному, що рухаються через простір
    • поляризуваність: відносна тенденція поляризації системи електричних зарядів у присутності зовнішнього електричного поля
    • заломлення: Зміна напрямку світлового променя, коли він проходить через зміни речовини.
    • відображення: властивість розповсюджуваної хвилі відкидається з поверхні (наприклад, дзеркало)
    • дисперсія: поділ видимого світла шляхом заломлення або дифракції.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ