Тема 26 : Спектры и спектральный анализ

Вопросы для самоконтроля

1. Изложите последовательность развития взглядов на природу света.

2. Что выражают корпускулярная и волновая теории? Кто прав?

3. Различные способы изучения скорости света (астрономический, лабораторный).

4. Значение скорости света.

Тема 21: Законы отражения и преломления света.

План:

1. Закон преломления света.

2. Закон отражения света

3. Полное отражение.

Вопрос 1. Закон преломления света.Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред: Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n = n2/n1.

Закон преломления света находит объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ₁ к скорости их распространения во второй среде υ₂:Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Вопрос 2. Закон отражения света.Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения. Плоская граница раздела, от которой свет только отражается, называется плоским зеркалом. Если есть точечный источник S света, то его изображение S∗ в плоском зеркале находится симметрично зеркалу и является мнимым. Все лучи, которые от источника падают на зеркало, отражаются так, что продолжения этих лучей пересекаются в точке, где находится изображение. При этом, конечно же, выполняются все законы отражения света.

Вопрос 3. Полное отражение.Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при определенном для каждой среды угле падения, преломленный луч исчезает. Наблюдается только преломление. Это явление называется полным внутренним отражением.

Явление полного отражения света используется в призмах, в волоконной оптике (световодах), в водолазном деле, в ювелирной промышленности. Световод — стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньше чем у волокна. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по изогнутому пути.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулируйте закон отражения света.

2. Отраженный луч и падающий луч.

3. Сформулируйте закон преломления света.

4. Полное отражение света.

Тема 22 : Линзы.

План:

1. Линзы.

2. Построение изображения в линзах.

Вопрос 1. Линзы.Явление преломления света лежит в основе действия линз и многих оптических приборов, служащих для управления световыми пучками и получения оптических изображений. Линза - это оптическое прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. Существует два вида линз:выпуклые; вогнутые. Выпуклые линзы бывают: двояковыпуклыми, плосковыпуклыми, вогнуто выпуклыми. Выгнутые линзы могут быть: двояковогнутыми, плосковогнутыми, выпукло вогнутыми. Линзы, у которых середины толще, чем края, называют собирающими, а у которых толще края – рассеивающими Эксперимент Пучок света направляют на двояковыпуклую линзу. Наблюдаем собирающее действие такой линзы: каждый луч, падающий на линзу, после преломления ею отклоняется от своего первоначального направления, приближаясь к главной оптической оси. Описанный опыт естественным образом подводит учащихся к понятиям главного фокуса и фокусного расстояния линзы.Расстояние от оптического центра линзы до ее главного фокуса называют фокусным расстоянием линзы. Обозначают ее буквой F, как и сам фокус Далее выясняется ход световых лучей через рассеивающую линзу. Аналогичным образом рассматривается вопрос о действии и параметрах рассеивающей линзы. Основываясь на экспериментальных данных, можно сделать вывод: фокус рассеивающей линзы мнимый

Вопрос 2. Построение изображения в линзах.Световые лучи, идущие вблизи главной оптической оси.называют параксиальными (приосевыми). Мы будем рассматривать только такие лучи. Опыт показывает, что параксиальные лучи света, выходящие из одной светящейся точки, после прохождения через линзу сходятся также в одной точке, которая является изображением светящейся точки. Поэтому для построения изображения точки достаточно взять два любых луча, но лучше те, ход которых после преломления заранее известен: 1 — луч, идущий через оптический центр; 2 — луч, параллельный главной оптической оси; 3 — луч, проходящий через передний фокус собирающей линзы (или продолжение луча 3 проходит через задний фокус рассеивающей линзы) Положение изображения действительного предмета и его размеры зависят от положения предмета относительно линзы. Пусть d — расстояние от предмета до линзы, f — расстояние от линзы до изображения. Построим изображение плоского предмета АВ, расположенного на различных расстояниях d от линзы. Если линза собирающая, то при d>2F изображение действительное, перевернутое, уменьшенное, F < f< 2F. При F < d < 2F (рис. 16.43) изображение действительное, перевернутое, увеличенное, f>2F. При d<F (рис. 16.44) изображение мнимое, прямое, увеличенное, находится с той же стороны от линзы, что и сам предмет, но дальше предмета (f>d). В рассеивающей линзе (рис. 16.45) изображение действительного предмета всегда мнимое, прямое, уменьшенное, находится между линзой и ее фокусом со стороны изображаемого предмета. 

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое линза?

2. Для чего применяют линзы?

3. Какие виды линз вы знаете?

4. Что нужно учитывать при построении изображения в различных видах линз?

Тема 23 : Оптические приборы.

План:

1. Глаз как оптическая система.

2. Оптические приборы.

Вопрос 1. Глаз как оптическая система. Глаз человека имеет шарообразную форму Диаметр глазного яблока около 2,5 см. Снаружи глаз покрыт плотной непрозрачной оболочкой — склерой. Передняя часть склеры переходит в прозрачную роговую оболочку —роговицу, которая действует как собирающая линза  и обеспечивает 75 % способности глаза преломлять свет. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносных сосудов, питающих глаз. В  передней части глаза сосудистая оболочка переходит в радужную оболочку, которая неодинаково окрашена у разных людей. В радужной оболочке есть круглое отверстие — зрачок. Зрачок сужается в случае усиления интенсивности света и расширяется в случае ослабления. Способность  глаза приспосабливаться к различной яркости наблюдаемых предметов называют адаптацией.

За зрачком расположен хрусталик, который представляет собой двояко­выпуклую линзу. Хрусталик благодаря скрепленным с ним мышцам может изменять свою кривизну, а следовательно, и оптическую  силу. Сосудистая оболочка с внутренней стороны глаза покрыта сетчаткой — разветвлениями светочувствительного нерва. Самая чувствительная часть сетчатки расположена прямонапротив зрачкаи называется желтым пятном. Место, где зрительный нерв входит в глаз, невосприимчиво к свету, поэтому получило название слепого пятна. В получении изображения также принимает участие стекловидное тело — прозрачная студенистая масса, которая заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой. Свет, попадающийнаповерхность глаза, преломляется в роговице, хрусталике и стекловидном теле. В результате на сетчатке получается действитель­ное, перевернутое, уменьшенное изображение предмета Изображение, которое получается на сетчатке глаза , — действительное, перевернутое, уменьшенноеРис. 3.68. В спокойном состоя­нии фокус оптической системы здорового глаза расположен на сетчатке. В этом случае на сетчатке образуется четкое изображе­ние удаленных предметов

Вопрос 2. Оптические приборы. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение. Разрешающая сила. Способность прибора различать две близкие точки или линии обусловлена волновой природой света. Численное значение разрешающей силы, например, линзовой системы, зависит от умения конструктора справиться с аберрациями линз и тщательно отцентрировать эти линзы на одной оптической оси. Увеличение. Важной характеристикой приборов для визуального наблюдения является видимое увеличение М. Оно определяется из отношения размеров изображений предмета, которые образуются на сетчатке глаза при непосредственном наблюдении предмета и рассматривании его через прибор. 

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое глаз и причем тут линза?

2. Как в глазу изменяются размеры линзы?

3. Какие существую самые распространенные болезни глаз, связанные с оптикой?

4. Какие оптические приборы вы знаете?

 

 

 

Тема 24: Дисперсия и интерференция света.

План:

1. Дисперсия света.

2. Интерференция света.

3. Применение интерференции.

Вопрос 1. Дисперсия света.Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны) называется дисперсией.Разложение белого света есть следствие дисперсии. Впервые исследовал дисперсию И. Ньютон. Почему белый свет, входящий в призму в виде круглого пучка, выходит из призмы продолговатой разноцветной полосой? Направив эту полосу на вторую призму, получил белый свет. Белый свет сложный. Ньютон выделил в нем семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.Зависимость показателя преломления света от частоты. Скорость света в вакууме не зависит от частоты или длины волны и равна с=3^.10⁸ м/с. Если поочередно пропускать через стеклянную призму пучки монохроматического света разной цветности под одним и тем же углом падения, то увидим, что фиолетовый луч преломляется больше, чем красный. Очевидно, n_ф> n_кАбсолютный показатель преломления связан со скоростью распространения света в этой среде формулой: Так как v_ф<v_к, n_ф>n_к для одной и той же среды, то υ_ф>υ_к. Значит, в одном и том же веществе скорости света для разных частот (или длин волн) различны. Различны будут и показатели преломления. Следовательно, показатель преломления света в среде зависит от его частоты.

Вопрос 2. Интерференция света.Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна. Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.Условия интерференции Волны должны быть когерентны. Когерентность- согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз. Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнгвпервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели. Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₁ и S₂. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ₁ и ℓ_2. На экране наблюдается чередование светлых и темных полос. Условие максимума.

Пусть разность хода между двумя точками ,

Тогда условие максимума: т. е. на разности хода волн укладывается четное число полуволн (k= 1, 2, 3, ...). Условие минимума

Пусть разность хода между двумя точками ,

тогда условие минимума: ,

т. е. на разности хода волн укладывается нечетное число полуволн(k= 1, 2, 3, ...).

Вопрос 3. Применение интерференции.Проверка качества обра­ботки поверхности до одной де­сятой длины волны. Несовершенство обра­ботки определяют но искрив­лению интерференционных по­лос, образующихся при отра­жении света от проверяемой поверхности. Интерферометры служат для точного измерения показателя преломления газов и других веществ, длин световых волн. Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы под­водных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполиро­ванная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, исполь­зуется явление интерференции света.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое дисперсия и причем тут спектр?

2. Что такое интерференция?

3. Приведите примеры использования интерференции и дисперсии.

Тема 25 : Дифракция света.

План:

1. Дифракция света. 

2. Дифракционная решетка.

3. Поперечность световых волн.

4. Поляризация света.

Вопрос 1. Дифракция света дифракция света — отклонение света от прямолинейного распространения на резких неоднородностях среды. Дифракция происходит на предметах любых размеров, а не только соизмеримых с длиной волны λ. Трудности наблюдения заключаются в том, что вследствие малости длины световой волны интерференционные максимумы располагаются очень близко друг к другу, а их интенсив­ность быстро убывает. Дифракция наблюдается хорошо на расстоянии . Если , то дифракция невидна и получается резкая тень

(d - диаметр экрана). Эти соотношения определяют границы применимости геометрической оптики. Если наблюдение ведется на расстоянии ,

где d—размер предмета, то начинают проявляться волновые свойства света. На рис. показана примерная зависимость результатов опыта по распространению волн в зависимости от соотношения размеров препятствия и длины волны.

Вопрос 2. Дифракционная решетка - система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны. Величина d = a + b называется постоянной(периодом)дифракционной решетки, где а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол φ - угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача - определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении φ - максимум или минимум. - формула дифракционной решетки. Величина k — порядок дифракционного максимума( равен 0, ± 1, ± 2 и т.д.).

Вопрос 3. Поперечность световых волн. Свет, который получается после прохождения поляроида, называется плоско поляризованным светом. В поляризованном свете, колебания происходят только в одном – поперечном направлении. Колебания световой волны состоят из колебаний двух векторов: вектора напряженности и вектора магнитной индукции. За направление колебаний в световых волнах принято считать направление колебаний вектора напряженности электрического поля.

Вопрос 4. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Электромагнитная волна является поперечной. Колебания вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне происходят в перпендикулярных к направлению распространения волны плоскостях. Направление вектора напряженности электрического поля определяет тип поляризации световой волны.

Если колебания вектора происходят в одной плоскости, такая волна называется плоскополяризованной или линейнополяризованной (рис. 5.1). Плоскость, проходящая через вектор и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний.Как правило, естественные источники света (солнце, пламя свечи, электрическая лампа) излучают именно такие, неполяризованные электромагнитные волны. Излучение таких источников представлено в каждый момент времени из световых волн от огромного числа независимо излучающих атомов с различной поляризацией. Каждый атом излучает плоско поляpизованные волны, но плоскости их колебаний никак не согласованы между собой.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое дифракция света?

2. Чем отличается дифракция света от дифракции механических волн?

3. Что такое поляризация?

4. В чем заключается поперечность световых волн?

Тема 26 : Спектры и спектральный анализ

План занятия:

1. Виды спектров

2. Спектральный анализ

Вопрос 1. Виды спектров Непрерывные спектры.
Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу. Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами. Линейчатые спектры. Линейчатые спектры представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн.Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. Полосатые спектры.Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Спектры поглощения.Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волныЕсли пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры поглощения.

Вопрос 2. Спектральный анализ Спектральным анализомназывается метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Спектральные аппараты. Для получения и исследования спектров используют спектральные аппараты. Наиболее простые – призма и дифракционная решетка. Более точные – спектроскоп и спектрограф. Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником.Спектрографом называется прибор, котором спектр регистрируется на фотопластинке. Принцип действия прибора основан на явлении дисперсии. Дисперсия – зависимость показателя преломления света от длины волны или частоты. Наблюдая спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10^-10г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии. Яркость линий дает возможность (при соблюдении стандартных условий возбуждения) количественно судить о наличии того или иного элемента. Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. В астрофизике по спектрам можно определить многие физические характеристики объектов: температуру, давление, скорость движения, магнитную индукцию и др. Основные направления применения спектрального анализа таковы:физико-химические исследования; машиностроение, металлургия; атомная индустрия; астрономия, астрофизика, криминалистика.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды спектров существуют?

2. Что можно определить с помощью спектра?

3. Что такое спектральный анализ?

Тема 27 : Виды электромагнитных излучений

План:

1. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучения.

2. Рентгеновские лучи. Их природа и свойства

Вопрос 1. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, с частотой в диапазоне от 3*10^11 до 3,75*10^14 Гц. Данный вид излучения присущ всем нагретым телам. Тело испускает инфракрасное излучение, даже если оно не светится. К примеру, в каждом доме или квартире есть батареи для отопления. Они испускают инфракрасное излучение, хотя мы его не видим. Вследствие чего в доме происходит нагревание окружающих тел.инфракрасное излучение применяется для сушки овощей, фруктов, различных лакокрасочных покрытий и т.д. Существуют приборы, которые позволяют преобразовать невидимое инфракрасное излучение в видимое. Ультрафиолетовое излучение - электромагнитное излучение, с частотой в диапазоне от 8*10^14 до 3*10^16 Гц.Длина волны колеблется от 10 до 380 мкм. Ультрафиолетовое излучение так же не видно невооруженным человеческим глазом. Чтобы обнаружить ультрафиолетовое излучение, необходимо иметь специальный экран, который будет покрыт люминесцирующим веществом. Если на такой экран попадут ультрафиолетовые лучи, то в месте контакта он начнет светиться.У ультрафиолетовых лучей очень высока химическая активность. Например, высоко в горах нельзя долго находиться без одежды и темных очков, так как ультрафиолетовые лучи, направленные от Солнца, недостаточно поглощаются в атмосфере нашей планеты. Даже обычные очки могут защитить глаза от вредного ультрафиолетового излучения - стекло очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи.Однако, в малых дозах ультрафиолетовые лучи даже полезны. Они оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируют ряд важных жизненных функций. Под их воздействием на коже появляется защитный пигмент - загар. Помимо всего прочего эти лучи убивают различные болезнетворные бактерии. С этой целью чаще всего они используются в медицине.

Вопрос 2. Рентгеновские лучи. Их природа и свойства.Рентгеновы лучи — это разновидность электромагнитных волн, к числу которых относятся также световые лучи, гамма-лучи радия и лучи, испускаемые радиоантеннами. Но так как длина волны рентгеновых лучей мала, а энергия квантов велика, то они обладают еще другими свойствами: 1) проникают через среды различной плотности — картон, дерево, ткани организма животного и т. д. Проникающая способность рентгеновых лучей тем больше, чем короче длина волны и, следовательно, больше энергия квантов. 2) вызывают свечение — люминесценцию некоторых химических соединений. Одни вещества светятся в момент действия рентгеновых лучей, такое свечение называется флуоресценцией. Другие вещества продолжают светиться некоторое время после того, как рентгеновы лучи прекратили действие, это свечение называется фосфоресценцией;3) подобно видимому свету, вызывают изменения в галоидных соединениях серебра, входящих в состав фотоэмульсий. Иначеговоря,вызываютфотохимические реакции;

4)вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул. В результате ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Ионизированная среда становится проводником электрического тока. Это свойство используют для измерения интенсивности лучей с помощью так называемой ионизационной камеры.В основе биологического действия рентгеновых лучей лежит явление ионизации.

Вопросы для самоконтроля

4. Что такое ультрафиолетовое излучение?

5.  Что такое инфракрасное излучение?

6. Что такое Рентгеновское излучение?

7. Польза и вред данных излучений.