3. Волновая оптика

Оглавление:

Основные термины, формулы и зависимости волновой оптики
Тестовые задания с открытого бланка заданий ФИПИ

1. Основные термины, формулы и зависимости волновой оптики

Свет - это электромагнитная волна.

Электромагнитные волны обладают следующими свойствами:

Поглощаемость. Волна может быть поглощена определённым объектом. Фактически этот объект подобно губке впитывает в себя энергию волны. Например, тело окрашенное в черный цвет поглощает инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые волны, поэтому оно нагревается быстрее. По закону сохранения энергии, электромагнитная энергия W волн переходит в тепловую энергию молекул (внутреннюю U).
Отражение. Волна способна отражаться от объекта на пути распространения. Частично энергия волны "впитывается" объектом, а та, что не смогла "впитаться", — "отскакивает" от него и движется дальше, но уже с меньшим количеством энергии. Например, тело покрашенное в белый цвет, отражает весь спектр видимых волн, поэтому нагревается слабее, но ультрафиолетовые волны все равно поглощаются.
Преломление. Волна может пройти сквозь объект или среду, но это приведёт к её искажению. Меняется угол распространения волн (закон преломления в геометрической оптике)
Интерференция. Электромагнитные волны способны складываться друг с другом. Это может приводить как к усилению, так и к ослаблению сигнала.
Дифракция. Это отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути (рассматривается в 11 классе).
Поперечность. Электромагнитные волны являются поперечными, то есть векторы электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению её распространения. Если волна пройдет через решетку она может поляризоваться (рассматривается в 11 классе).
Рассеивание - состоит в заимствовании молекулой или частицей энергии у распространяющейся в среде электромагнитной волны и излучении этой энергии в телесный угол, вершиной которого является рассматриваемая частица. Молекула или частица физически одинаково рассеивает свет, однако механизм этого рассеяния зависит от размеров частицы. Например, мы видим луч проектора в тумане или в грязной воде из-за рассеивания от капелек воды или частичек грязи. Внизу пример образования вторичного волнового фронта в разные стороны - синие линии. Первичный световой фронт идет прямо - это красные линии. Зеленый круг - это частица.

Важно запомнить все виды волн по нарастанию частот, где их применяют и как получают. Частота обратно пропорциональна длине волны. На экзамене могут дать шкалу нарастанию длины волны, чтобы вас запутать!

Радиоволны обладают самой большой длиной волны и низкой частотой. Используются для передачи информации. Они безопасны для человека. Радиоволны получают на основе колебательного контура - совокупности катушки и конденсатора.

Рядом с видимым излучением находятся инфракрасные ИК (тепловые) волны и ультрафиолетовые УФ. Частота ультрафиолета больше чем у видимых волн. Частота инфракрасного излучения меньше видимого, но длина волны больше, т.е. красные волны длинее, λ больше.

Инфракрасные волны можно зарегистрировать тепловизором. Любое тело имеющее температуру большую 0 кельвинов (-273 С) излучает тепловые лучи. Инфракрасным излучением нагревается планета Земля через космос.

Ультрафиолетовое излучение можно получить, если нагреть тело свыше 1000 С. Например от сварочной дуги. Или от ртутных ламп из кварчевого стекла. Ультрафиолет используют для обеззараживания помещения (кварцевые лампы), увеличения скорости химических реакций, покраски, производства шампанского.

При увеличении частот после ультрафиолета находится рентгеновское излучение. Оно используется в медицине для нахождения переломов. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие ткани, но через кости не проходят. Оно тоже является опасным для живых организмов в определенных дозах. Ренгеновские лучи получают в специальной трубке, в которой происходит ускорение электронов из-за высогого напряжения и резкое их торможение.

В конце шкалы частот идет гамма-излучение. Частота гамма волн самая большая, а длина волны самая маленькая. Поэтому у них сильная проникающая способность, так как длина волны меньше чем атом. А также из-за большой частоты гамма волна имеет самую большую энергию. При поглощении гамма волн атомы вещества могут распасться, поэтому гамма-излучение часто называют радиоактивным. Его используют в науке для ядерных реакций или для стерилизации продуктов, растений, селекции растений (получение новых свойств, методом случайных мутаций - ГМО), чистки медицинских инструментов (убивают даже вирусы). Гамма-лучи получают в ускорителях частиц или в результате радиоактивного распада.

Формулы длины волны

Скорость электромагнитных волн в вакууме (с - цэ) при решении принимается с=3· 10^8 м/c (три умножить на десять в восьмой степени метров в секунду). Скорость света в воздухе принимается практической равной в вакууме, она будет в табличных данных в КИМ ОГЭ по физике. Встречаются еще такие записи: c=300000000м/c=300000км/c.

Основные формулы для электромагнитных волн: λ=с·T=c/ν (не путайте печатные буквы частоты и скорости они разные)

λ (лямбда) - длина волн, м (метр)

ν (ню) - частота, Гц (герц)ν

T (тэ) - период, с (секунда)

с - скорость электромагнитной волны в вакууме, м/c (метр в секунду) или υ (ипсилон по гречески, по французки вэ) - скорость электромагнитной волны в среде, м/c (метр в секунду)

Дисперсия света

Объяснение дисперсии с точки зрения волновой оптики.

Когда световая волна входит в более плотную оптически прозрачную среду, например из воздуха в стекло, то ее скорость уменьшается. Абсолютный показатель преломления среды (n) показывает во сколько раз скорость света в вакууме замедляется в среде: n=c/υ, где υ - скорость света в оптической среде. У стекла, например, n=1,5, самое большее значение у алмаза n=2,5, у воздуха n=1,001.

Красные волны (λ=650нм, ν=460 ТГц) движутся быстрее в более плотной оптической среде, фиолетовые волны (λ=400нм, ν=750 ТГц) движутся медленнее. Поэтому показатель преломления у красных и фиолетовых волн разный. Красные волны преломляются плохо n↓, фиолетовые волны преломляются хорошо n↑. Показатель преломления света прямо пропорционален частоте n~ν, и обратно пропорционален длине волны n~1/λ

Примеры дисперсии

Образование радуги после дождя из-за повышения влажности воздуха при испарении воды летом в теплую погоду. Закат красный и восход, из-за того что преломляются сначала фиолетовые световые волны, потом синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые, а в самом конце остаются только красные световые волны. Или при прохождении естественного белого света через призму (чтобы открыть анимацию, нажмите на "серую стрелку вниз" или на текст):

Как меняется у волны частота, длина и скорость при прохождении среды?

Пример распространения волнового фронта и преломления через более плотную среду, обратите внимание, что скорость υ волны в среде уменьшилась↓, длина волы λ уменьшилась↓ (сузилась), а частота ν остается неизменной!!! Потому что по формуле:

ν= υ↓ /λ↓. При одновременном увеличении ν=Const. Это означает, что цвет видимой волны не меняется. Он зависит только от частоты ν. Например, луч лазера зеленый, когда попадет в стекло, не поменяет свой цвет. В стекле мы увидим зеленый луч из-за рассеивания.

1. Тестовые задания с открытого бланка заданий ФИПИ

Номер: 8585F1

На белой бумаге красными чернилами написан текст. Удастся ли ученику прочесть текст через фильтр красного цвета?

1) Не удастся: ученик увидит просто лист красного цвета, так как через красный фильтр пройдут только лучи красного цвета, отражённые от текста и бумаги.

2) Не удастся: ученик увидит просто лист чёрного цвета, так как красный фильтр поглощает отражённые от текста лучи красного цвета и отражённые от бумаги лучи белого цвета.

3) Удастся: ученик увидит текст красного цвета на листе чёрного цвета, так как через красный фильтр пройдут лучи красного цвета, отражённые от текста, но не пройдут отражённые от бумаги лучи белого цвета.

4) Удастся: ученик увидит текст чёрного цвета на листе белого цвета, так как красный фильтр поглощает отражённые от текста лучи красного цвета, но пропускает отражённые от бумаги лучи белого цвета.

2. Номер: 7910C5

Радиостанция работает на волне длиной 25 м. Какова частота радиосигнала?

Ответ: 12 МГц.

3. Номер: 7868CA

Красный луч света переходит из воздуха в воду. Как изменяются при этом скорость распространения светового луча и частота световой волны?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

А. Скорость распространения света.

Б. Частота световой волны

Ответ: А2, Б3

4. Номер: C5229F

Ответ: 1

5. Номер: 854235

Ответ: 3

6. Номер: F68244

Используя данные шкалы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Электромагнитные волны частотой 3000 кГц принадлежат только радиоизлучению.

2) Наибольшую скорость распространения в вакууме имеют гамма-лучи.

3) Электромагнитные волны частотой 105 ГГц могут принадлежать как инфракрасному излучению, так и видимому свету.

4) рентгеновские лучи имеют бóльшую длину волны по сравнению
с ультрафиолетовыми лучами.

5) Длины волн видимого света составляют десятые доли микрометра.

Ответ: 15

7. Номер: F04908

Используя данные шкалы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Электромагнитные волны частотой 300 кГц принадлежат только радиоизлучению.

2) Наибольшую скорость распространения в вакууме имеет видимый свет.

3) Электромагнитные волны частотой 105 ГГц принадлежат ультрафиолетовому излучению.

4) Гамма-лучи имеют бóльшую длину волны по сравнению
с ультрафиолетовыми лучами.

5) Длины волн видимого света составляют десятые доли микрометра.

Ответ: 15

8. Номер: 293D03

Дайте развернутый ответ.

Стёкла окон дома или его стены в лучах солнечного света кажутся более тёмными? Ответ поясните.

Ответ: стекла окон хорошо пропускают солнечный свет и почти не отражают его. Из-за этого человеку в глаза от стен попадает больше света и стены кажутся светлее стекол. Более тёмными кажутся стекла окон

9. Номер: C7BD3B

Дайте развернутый ответ.

После захода Солнца на Земле темнеет не сразу, некоторое время длятся сумерки. Можно ли наблюдать сумерки на Луне? Ответ поясните.

Нет, нельзя. На луне нет атмосферы и после захода Солнца, солнечные лучи не будут отражаться от атмосферы и не попадут на лунную поверхность.

10. Попробуйте решить устно задания №18 по электромагнетизму связанное с текстами в окрытом бланке заданий ФИПИ. Выберите Раздел КЕС, как показано ниже на картинке:

ЗАДАНИЯ 18 РЕШАЙТЕ С КОНЦА, НАЧИНАЯ С ПОСЛЕДНЕЙ СТРАНИЦЫ. В них есть объяснения устройства и работы рентгеновской трубки, солнечной активности, индукционной печи, спектра поглощения ультрафиолета у кварцевых ламп, рассеяние света, заката, скорости света и звука, излучения от сварки, термоэффекта, опыта преломления Птоломея, смены магнитных полюсов планеты, молнии, эффекта Доплера. Ответы есть в интернете, просто копируйте вопрос в поисковик и ищите правильный объяснение.

Page updated

Google Sites

Report abuse