Свет. Основные светотехнические величины и единицы

Поскольку волна переносит  энергию и импульс, то её можно использовать для передачи информации. При этом возникает вопрос о максимально возможной скорости передачи информации с помощью волн данного типа (чаще всего речь идёт об электромагнитных волнах). При этом скорость передачи информации никогда не может превышать скорости света в вакууме, что было подтверждено экспериментально даже для волн, в которых групповая скорость превышает скорость света в среде распространения.

Дисперсия. Волновые цуги и негармонические волны могут быть представлены в виде суммы (суперпозиции) синусоидальных волн разных частот:

• когда фазовые скорости всех этих волн одинаковы, то вся их группа (волновой пакет) движется с одной скоростью;
• если же фазовая скорость волны зависит от её частоты w, наблюдается дисперсия – волны различных частот идут с разной скоростью (о дисперсии света см. Раздел 4.1.2.).
1. Нормальная или отрицательная дисперсия (среды, прозрачные для света – стёкла и жидкости) тем больше, чем выше частота волны (за счёт дисперсии, например, луч белого света в призме разлагается в спектр, в каплях воды – в радугу).

Волновой пакет (представленный как набор гармонических волн, лежащих в диапазоне w0 ± Dw) из-за дисперсии расплывается:

• его форма – огибающая амплитуд компонент цуга – искажается, но перемещается в пространстве со скоростью v_гр, называемой групповой скоростью;
• при распространении волнового пакета максимумы волн, его составляющих, движутся быстрее огибающей => фазовая скорость сигнала выше групповой: с_ф > v_гр;
• в хвостовой части пакета за счёт сложения волн возникают все новые максимумы, которые передвигаются вперёд и пропадают в его головной части.
2. В ряде случаев наблюдается также аномальная (положительная) дисперсия среды, при которой групповая скорость превышает фазовую: v_гр > с_ф, причём возможна ситуация, когда эти скорости направлены в противоположные стороны. Максимумы волн появляются в головной части пакета, перемещаются назад и исчезают в его хвосте.

Пространственные размеры волны. Пространственный размер волны – это размер той области пространства, где амплитуду колебания нельзя считать (в рамках рассматриваемой задачи) пренебрежимо малой.

Теоретически большинство волн могут обладать сколь угодно большим размером, как в направлении движения, так и поперёк него. Практически же все волны обладают конечными размерами.

• Продольный размер волны, как правило, определяется длительностью процесса излучения волны.
• Поперечный же размер определяется рядом параметров: размером излучателя, характером распространения волны (например, плоская, сферически расходящаяся волна и т. д.).

Некоторые виды волн, в  частности, солитоны, являются ограниченными по построению волнами.

Поляризация. Поляризация волн – явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы – вращение вокруг волнового вектора.

Причиной возникновения  поляризации волн может быть:

• несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
• анизотропность среды распространения волн;
• преломление и отражение на границе двух сред.

Основными являются два  вида поляризации:

1. Линейная – колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне».
2. Круговая – конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.

На основе этих двух или  только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации, например, эллиптическую.

 

 

 

 

 

 

        Рис.1.2. Линейная                         Рис. 1.3. Круговая                    Рис. 1.4. Эллиптическая

                      поляризация                                   поляризация                              поляризация

Взаимодействие с телами и границами раздела сред. Если на пути волны встречается какой-либо дефект среды, тело или граница раздела двух сред, то это приводит к искажению нормального распространения волны. В результате этого часто наблюдаются следующие явления: отражение, преломление, рассеяние, дифракция, резонанс.

Конкретные эффекты, возникающие  при этих процессах, зависит от свойств  волны и характера препятствия.

Наложение волн. Излучения с разной длиной волны, но одинаковые по физической природе, могут взаимодействовать друг с другом, интерферировать. При этом могут возникнуть следующие частные эффекты:

• стоячие волны;
• бегущие волны;
• биение – периодическое уменьшение и увеличение амплитуды суммарного излучения;
• волновой пакет – образующиеся максимумы амплитуды имеют прерывистое распределение (волновой пакет Гаусса);
• эффект Доплера – изменение длины и амплитуды волн при движении приёмника или источника излучения.

Конечный результат  проявления от встречи волн зависит  от их свойств: физической природы, когерентности, поляризации и т.д.

 

 

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДЫ СВЕТА

2.1. Общая характеристика световых явлений

2.1.1. Разнообразные действия света

Чувствительность нашего зрительного аппарата (см. Главу 6) к свету чрезвычайно велика. Для получения светового ощущения, по современным измерениям, достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоятельствах попадало около 10^-17Дж световой энергии в секунду, т.е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равна 10^-17Вт.

Глаз принадлежит к  числу самых чувствительных аппаратов, способных регистрировать присутствие света. Химическое действие света, сходное с действиями на чувствительные элементы глаза, можно наблюдать при выцветании на свету различных красок («выгорание тканей»). Химические превращения наблюдаются при поглощении света сравнительно немногочисленными светочувствительными материалами. Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел  при поглощении света есть самый общий и легко осуществляемый процесс, который может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии.

Энергия, доставляемая солнечным  светом в южных широтах в ясный  день, составляет более 1000Дж/сек на каждый м² поверхности (так что плоский железный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течения лета горячей водой).

Действие света может  обнаруживаться и в некоторых  электрических явлениях. Так, освещение  металлической поверхности может  вызвать вырывание из неё электронов (фотоэффект). С помощью определённых устройств (например, фотоэлемента) можно без труда наблюдать электрический ток, возникающий под действием света (если бы можно было покрыть крышу небольшого дома веществом, используемом в таком фотоэлементе, то в ясный день удалось бы за счёт световой энергии получать электрический ток мощностью несколько киловатт).

Наконец, наблюдается  и непосредственное механическое действие света. Оно проявляется в давлении света на поверхность тела, отражающего или поглощающего свет. Придавая этому телу вид лёгкого подвижного крылышка, удалось обнаружить поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Этот опыт был впервые произведён П.Н.Лебедевым в г. Москве в 1900 г. Подсчёт показывает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркальную поверхность размером 1 м², действует на неё с силой всего лишь около 4 мкН (хотя, современные лазеры позволяют при концентрации энергии на малую поверхность получить световое давление в 10⁶ атм.

Итак, все эти примеры  говорят о наличии энергии  в световом излучении, превращение которой и обнаруживается во всех описанных явлениях.

2.1.2. Особенности света, выявляющие его природу

Все, конечно, видели цветные  полосы, красивые переливы на воде, если она покрыта пятнами нефти  или масла. Обращает на себя внимание прихотливое расположение этих цветовых полос, а переливы, т.е. смена цветов при повороте головы наблюдателя, особенно. Той же природы переливы на поверхности мыльного пузыря.

Разнообразие цветов в этих примерах явно связано с  тем, что мы производим своё наблюдение в белом свете. Поставим на пути света какое-нибудь цветное стекло, и мы убедимся, что вместо цветных полос будут наблюдаться полосы одного цвета, большей или меньшей яркости, разделённые тёмными промежутками. Форма и расположение полос при этом не изменяются. Например, если применим зелёное стекло, то полосы, имевшие при освещении белым светом зелёный тон, останутся практически неизменными, а красные полосы станут чёрными. Это явление станет ещё отчётливее, если в качестве одноцветного света взять пламя горелки с введённым в него кусочком асбеста в поваренной соли, что придаст, благодаря излучению паров натрия, жёлтый цвет огню; цвет этот весьма однороден. В этом свете можно наблюдать картину из ярко-жёлтых полос, постепенно переходящих в глубокие чёрные. Таким образом, картинка состоит из чередования светлых полос, посылающих много света в глаз наблюдателя (максимумы), и тёмных полос, от которых к наблюдателю совсем не идёт свет (минимумы).

В этих опытах мы видим  явления, аналогичные описанным  в Главе 1, получившие название интерференции волн. Там указывались условия, при которых наложение двух волн к перераспределению энергии, т.е. к образованию максимумом и минимумов энергии. В наших оптических опытах мы так же видим перераспределение энергии, в результате которого вместо равномерной освещённости образуются тёмные области (минимумы) и области повышенной освещённость (максимумы). Итак, в опытах этих проявилась способность света к интерференции, т.е. обнаружился волновой характер световых явлений. То обстоятельство, что максимум для разных цветов приходится на различные места, показывает, что различным цветам, соответствуют разные длины волн (см. Главу 4).

 

 

2.1.3. Краткие  сведения из истории оптики

Ответ на вопрос о природе  световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом, как это обычно и бывает, представление о природе света менялось по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления  о природе света развивались  ещё в 17 в. Х.Гюй-генсом и поддерживались на протяжении 18 в. Л.Эйлером, М.В.Ломоносовым и В.Франклином. Однако в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку быстро летящих частичек (И.Ньютон).

Будучи профессором математики, Ньютон большую часть своих занятий посвящал оптике. Свет и его свойства были в центре внимания естествоиспытателей в течение многих веков. А в 17 веке к этому интересу добавилось ещё одно немаловажное обстоятельство. Искусство печати, зародившееся в середине 15 века, долгое время оставалось в основном чёрно-белым, хотя уже первое издание Библии 1450 г., осуществлённое немецким изобретателем книгопечатания Иоганном Гуттенбергом, содержит некоторые заглавные буквы, выполненные в два цвета. На протяжении всего 16 столетия многие мастера-печатники пытались получить различные цвета, смешивая разные краски. Выяснилось, что основные потребности печати покрываются, если использовать всего 4 краски: 3 цветные и чёрную. Известный английский физик и химик Роберт Бойль (1627-1691) знал, что для печати достаточно 4 цветных красок, и был уверен: их число можно уменьшить до 3 (впоследствии это оказалось неверным).

Бойль ещё не смог прийти к выводу, полученному Ньютоном в годы вулсторпского уединения, что белый свет – это смесь всех цветов радуги и призма не окрашивает свет, а лишь разлагает его на составные части. Однако он вплотную приблизился к такому выводу, утверждая, например, что окраска поверхности возникает как следствие её собственных свойств, а не свойств света. Так, чёрное тело просто поглощает весь падающий на него свет. Это Бойль доказал тем, что рука в чёрной перчатке нагревается на солнце гораздо сильнее, чем рука в белой.

Ньютон много размышлял об опытах Бойля. Он смог сконструировать оптическое экспериментальное устройство, состоящее из 2х призм и диафрагм различной формы. С его помощью учёный показал, что если из разложенного призмой спектра вырезать луч определённого цвета и направить на другую призму, то она никак не изменит его.

Основываясь на результатах этого  и подобных опытов, Ньютон сделал попытку  построить свою теорию цвета и  света, оспаривая мнение Декарта, утверждавшего, что свет – «давление». (Сам Ньютон считал, что свет – «тело».) Если бы свет был давлением, говорил он, то люди видели бы ночью так же хорошо, как днём, а возможно, даже лучше. Правда, объяснение, которое Ньютон дал такому утверждению, весьма туманно. Свои соображения он изложил в мемуаре «Новая теория света и цветов» и представил его 6 февраля 1672 г. Лондонскому королевскому обществу. Многие его члены не согласились с выводами учёного, и прежде всего с тем, который касался «телесных» свойств света. Роберт Гук и Христиан Гюйгенс показали, что эксперименты Ньютона могут быть в равной степени объяснены иначе, хотя и приняли его главный тезис: белый свет не является простым, а представляет собой смесь лучей всех цветов радуги в равных долях.