Что такое световой луч в физике: 1. Что такое световой луч? 2. Как формулируется закон прямолинейного распространения

Содержание

Световой луч в физике с формулами и примерами

Световой луч

Световой луч обозначает линию, вдоль которой распространяется поток энергии волны, испущенный в определённом направлении источником света.

В однородной среде луч — прямая линия. При переходе через границу, разделяющую две среды с разными показателями преломления, луч преломляется согласно закону преломления Спелля.

Под световым лучом в оптике понимают достаточно узкий пучок света, который на всем пути его распространения, подлежащем изучению, можно считать нерасходящимся.

Термин «луч» употребляется также для обозначения узкого пучка частиц (например, электронный луч).

Распространение света в однородной среде. Одним из первых и основных законов геометрической оптики является закон прямолинейного распространения света:
В однородной среде свет распространяется прямолинейно.


Этот закон был известен ещё Евклиду за 300 лет до н.э.

Тень. Одним из доказательств прямолинейного распространения света является образование тени при освещении предмета точечным источником света (рис. 153, а). Если бы лучи распространялись не прямолинейно, а, скажем, огибали бы предмет, тень могла бы не образоваться.

Полутень. Благодаря все тому же прямолинейному распространению света от источника больших размеров (сравнимых с размерами предмета и расстоянием до него и до экрана) образуются тень и полутень (рис. 153, б). Тень (чёрный круг на рис. 153, б) образуется в том месте на экране Э, куда не доходят лучи ни от одной из точек источника. Полутень (серый круг на рис. 153, б) образуется в местах, куда доходят лучи только от некоторых точек источника (протяжённый источник света всегда можно представить себе состоящим из множества точечных источников).

Рис. 153Рис. 154

Доказательством прямолинейного распространения света является также получение чётких изображений предмета при помощи маленьких отверстий в камере-обскуре, в которой (перевёрнутое) изображение предмета на задней стенке камеры получается проектированием предмета при помощи прямолинейных лучей, (рис. 154).

В природе демонстрацией прямолинейного распространения света являются лунные и солнечные затмения. Они наступают тогда, когда Луна, Земля и Солнце лежат на одной линии и Луна попадает в тень, отбрасываемую Землёй (лунное затмение), или Луна заслоняет собой на несколько минут Солнце.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Световой луч — это… Что такое Световой луч?

Световой луч в геометрической оптике — линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее чётко, но более наглядно, можно назвать световым лучом пучок света малого поперечного размера.

Понятие светового луча является краеугольным приближением геометрической оптики. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место дифракция, и в результате узкий пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение.

Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Эйкональное приближение в волновой оптике

Понятие светового луча можно вывести и из строгой волновой теории света в рамках так называемого эйконального приближения. В этом приближении считается, что все свойства среды, сквозь которую проходит свет, изменяются на расстояниях порядка длины волны света очень слабо. В результате, электромагнитную волну в среде можно локально рассматривать как кусочек фронта плоской волны с некоторым определённым вектором групповой скорости (которая, по определению, и ответственна за перенос энергии). Таким образом, совокупность всех векторов групповой скорости образует некоторое векторное поле. Пространственные кривые, касательные к этому полю в каждой точке, и называют световыми лучами.
Поверхности, ортогональные в каждой точке к полю групповых скоростей, называются световыми поверхностями.

В эйкональном приближении удаётся вместо уравнения для электромагнитной волны получить уравнение для распространения светового потока (то есть, для квадрата амплитуды электромагнитной волны) — уравнение эйконала. Решениями уравнения эйконала как раз и являются световые лучи, выпущенные из заданной точки.

Ход световых лучей

Световые лучи и принцип Ферма

Если свойства среды не зависят от координат (то есть если среда однородна), то световые лучи являются прямыми. Это следует непосредственно из эйконального приближения волновой оптики, однако то же самое удобно сформулировать исключительно в терминах геометрической оптики с помощью принципа Ферма. Стоит, однако, подчеркнуть, что применимость самого принципа Ферма к ходу световых лучей обосновывается только на уровне волновой оптики.

Законы преломления и отражения

Очевидно, что законы геометрической оптики не смогут помочь в случаях, когда одна среда резко, на расстояниях меньше длины волны света, сменяется другой средой. В частности, геометрическая оптика не может ответить на вопрос, почему вообще должно существовать преломление или отражение света. Ответы на эти вопросы даёт волновая оптика, однако результирующие закон преломления света и закон отражения света могут быть сформулированы опять же на языке геометрической оптики.

Гомоцентрические пучки

Набор близких световых лучей может рассматриваться как пучок света. Поперечные размеры пучка света не обязаны оставаться неизменными, поскольку в общем случае разные световые лучи не параллельны друг другу.

Важным случаем пучков света являются гомоцентрические пучки, то есть такие пучки света, все лучи которого пересекаются в какой-либо точке пространства. Такие пучки света могут быть формально получены из точечного источника света или из плоского светового фронта с помощью идеальной линзы. Стандартные задачи на построение изображений в оптических системах используют как раз свойства таких пучков.

Негомоцентрические пучки не сходятся в одну точку пространства. Вместо этого, каждый малый участок такого пучка сходится в свой фокус. Геометрическое место всех таких фокусов негомоцентрических пучков называется каустикой.

См. также

Литература

  • Борн М., Вольф Э.. Основы оптики. М., 1973.
  • Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М., «Наука», 1985.
  • Ф. А. Королев, «Теоретическая оптика», М., «Высшая. школа», 1996.

НАЧАЛА ФИЗИКИ


Все окружающее нас пространство заполнено световыми лучами, которые излучаются Солнцем, Луной, земными источниками света

1. Эти световые лучи, отражаясь от различных предметов, несут информацию о них: о расположении, форме, цвете. Глаз человека представляет собой оптический прибор, который регистрирует эти лучи. Кроме того, человек обладает сложной системой анализа этих лучей: анализируя световые лучи, отраженные предметами, мы можем понять, где расположен предмет, сравнивая лучи, отраженные разными точками предмета, — его форму, измеряя длину волны отраженных лучей (а глаз может ее измерять), — цвет предмета. Таким образом зрение — это регистрация и анализ световых лучей отраженных от предмета.

Вернемся к геометрической оптике. В ее основе лежат три закона распространения света: закон прямолинейного распространения света; закон отражения света и закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в однородной среде (т.е. такой, свойства которой не меняются от точки к точке) свет распространяется прямолинейно. Экспериментальным доказательством закона прямолинейного распространения света могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок с «резкой» границей. Конечно, закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны.

В этом случае лучи начинают расходиться от отверстия благодаря дифракции, которая и определяет, таким образом, границы применимости геометрической оптики. В предельном случае → 0 геометрическая оптика становится точной наукой.

Среди окружающих нас тел существуют прозрачные (в которых может распространяться свет) и непрозрачные (в которых свет распространяться не может) тела. При этом, как показывает опыт, от границы прозрачного и непрозрачного тела свет отражается.

1 Иногда школьники пугаются этого утверждения и задают глупый вопрос — а если этих лучей не будет, глазу нечего будет регистрировать, и что, мы ничего не будем видеть? Конечно, не будем, ведь отсутствие световых лучей наши глаза воспринимают как темноту, в которой, как все мы знаем, мы ничего не видим.

Световой луч и световой пучок в физике

Содержание:

Световые явления:

Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из них, например вид звезд на вечернем небосклоне (рис. 78), радуга (рис. 79) полярные сияния (рис. 80) в полярных широтах, а также подобные сияния в средних широтах, живописны и красивы.

Солнце освещает Землю, электрическая лампа — комнату. Чайная ложка, если поместить ее в стакан с водой, кажется сломанной, на поверхности озера мы видим тучи, плывущие в небе. Почему?

При освещении предметов солнечным светом или светом от лампы мы видим их разноцветными, а с наступлением ночи — темными, серыми. Что такое цвет, почему в различных условиях наблюдений цвета предметов изменяются?

Чтобы ответить на эти и другие вопросы, необходимо изучить разные источники света и законы его распространения, действие света на физические тела.

Учение о свете и световых явлениях называют оптикой.

Благодаря изобретению и использованию линз были созданы оптические приборы, без которых сегодня сложно представить себе повседневную жизнь: очки, лупы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, телескопы и т. п.

Темной ночью или в затемненной комнате мы практически ничего не видим. Зажегши свечу, сразу увидим ее пламя. Одновременно мы увидим саму свечу, другие предметы, находящиеся в комнате (рис. 81).

Что необходимо для того, чтобы видеть предметы

1.    Источник света. Пламя свечи

излучает свет, распространяющийся во всех направлениях. Свеча —    Рис. 81

источник света. Предметы, находящиеся в комнате, при отсутствии света невидимы. Если эти предметы освещаются свечой, мы их видим, потому что свет отражается от них.

2.    Глаза. Глаз человека, воспринимая свет, распространяющийся от какого-либо источника света, дает возможность нам видеть этот источник. Так мы видим пламя свечи и другие освещенные предметы.
Источники света — это тела, излучающие свет.

По характеру излучения различают тепловые и люминесцентные (лат. lumen — «свет, холодное свечение») источники света. В тепловых источниках света свечение достигается за счет нагревания тел до высоких температур. Например, тела при температуре 800 °С начинают излучать свет.

Тепловыми источниками света является Солнце, звезды, лампы накаливания (рис. 82, а), дуговая лампа (рис. 82, б), керосиновая лампа (рис. 82, в), вулканическая лава и т. д.

Но свет могут излучать и тела, имеющие температуру окружающей среды. Такие тела называют люминесцентными источниками света. Люминесценция возникает в веществах при разных химических реакциях. Тихой летней ночью на лесной поляне можно увидеть гнилой светящийся пенек. Это светятся бактерии, вызывающие процесс гниения. Светятся также грибы, растущие возле пенька.

Интересно наблюдать светлячков (рис. 83) — маленьких жучков, в верхней части брюха которых есть особенное светящееся вещество.

В морях и океанах светится вода, причина этого — многочисленные мелкие светящиеся организмы. Светятся медузы (рис. 84), глубоководные рыбы.
 

Кстати:

Ученые хорошо изучили свечение жуков-светлячков. Их органы свечения состоят из клеток, которые содержат два белковых вещества — люциферин и фермент люцифераза (лат. lucifer — «носитель света»). Люциферин при присутствии люциферазы окисляется, и при этом освобождает энергию, большая часть которой (до 92 %) превращается в свет.

Среди животных, живущих на суше, светящихся очень мало, а вот среди жителей морей и океанов свечение широко распространено. Много животных живет на глубине, куда не доходит солнечный свет. Существуют рыбы, у которых светящиеся органы расположены по всему телу, словно гирлянды электрических ламп.

У некоторых животных световые органы состоят из клеток, которые отражают и преломляют свет. Другие животные могут светиться за счет живущих в них микроорганизмов.

Существуют естественные и искусственные источники света. К естественным источникам относятся, например, Солнце, звезды, молнии, светящиеся насекомые, растения, рыбы, бактерии. К искусственным — пламя свечи, костры, экран компьютера, электрические лампы, газосветные и люминесцентные лампы:    неоновые, дневного света, ртутные, галогенные (рис. 85).

Что такое приемники света

Приемники света — это тела, чувствительные к свету.

Это, например, наши глаза. Свет, падающий на зрительный нерв, раздражает его. Это раздражение передается в головной мозг, формируя зрительное Рис. 85    изображение.

Если на кино-, фотопленку (в настоящее время — еще и на светочувствительную матрицу цифрового фотоаппарата или видеокамеры) или фотобумагу попадает отраженный от окружающих предметов свет, на них образуются изображения этих предметов (рис. 86, 87).

Если на солнечные батареи, установленные на самолете (рис. 88), космическом корабле, спутнике или на крыше дома, падает свет, они производят электрический ток, который используют для питания разных электроприборов. Небольшие солнечные батареи применяют для питания карманных фонариков, микрокалькуляторов и мобильных телефонов (рис. 89).

Практически всем живым существам на Земле необходим свет, и они являются его приемниками. Свет необходим для нормального роста и развития растений. На рисунке 90 — две головки капусты, одна выросла при недостаточном освещении, а вторая — в обычных условиях. В первом случае капуста небольшая и светлая, а во втором — она больше и ярко-зеленая.

На разных этапах развития физики использовали различные способы измерения скорости распространения света. Первым ее попробовал рассчитать Галилей, но ему это не удалось. В XVII в. ее впервые измерил датский астроном Олаф (Оле)

Ремер, изучая движения спутника Юпитера — Ио.

Фиксируя его появление из-за планеты, он получил приблизительные данные скорости распространения света — 215 000 км/с. Американский физик Альберт Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости распространения света с применением вращающихся зеркал. Была определена скорость в разных прозрачных веществах. В 1862 г. французский физик Жан Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Доминику Араго. Определяя скорость распространения света в воде, ученый выяснил, что она меньше, чем скорость распространения света в воздухе. Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, которое сделал Майкельсон, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. По современным данным скорость распространения света в вакууме равна 299 792 458 ± 1,2 м/с.

Световой луч и световой пучок. Закон прямолинейного распространения света

Если между глазом и каким-либо источником света разместить непрозрачный предмет, мы не увидим источника света. Это объясняется тем, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Среду называют однородной, если плотность вещества, из которого она состоит, во всех точках одинакова.

О прямолинейном распространении света еще за 300 лет до новой эры писал основатель геометрии Евклид. Вполне возможно, что понятие прямой линии возникло из представлений о прямолинейном распространении света в однородной среде.

Свет от любого источника, например электрической лампы, распространяется во всех направлениях. Если от источника света провести прямую линию, мы получим луч света.

Луч света — это мнимая линия, вдоль которой распространяется свет.

Если световые лучи ограничить определенной поверхностью в пространстве, то мы получим световой пучок.

Световые пучки можно наблюдать в воздухе, содержащем достаточное количество пылинок, которые отражают свет. Можно видеть световые пучки от карманного фонарика, прожектора (рис. 91), кинопроектора. В природе наблюдаются большие световые пучки, которые образуются во время прохождения солнечных лучей через разрывы в тучах, просветах в кронах деревьев (рис. 92). В чистом воздухе световые пучки не видны.

Вследствие того, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно, мы можем наблюдать тени и полутени, фазы Луны, солнечные и лунные затмения.
Тень — часть пространства за непрозрачным предметом, куда свет не поступает.

В солнечный день четко видно тени людей, зданий, деревьев и других предметов (рис. 93).

Разместим небольшой непрозрачный шар в световой пучок, падающий на экран от источника света небольших размеров. За шаром в пространстве образуется конусовидная тень, а на экране появляется тень, имеющая форму круга (рис. 94).

Если размеры источника света намного меньше расстояния от источника света до экрана, то такой источник называют точечным источником света.

Возьмем источник света, размеры которого больше по сравнению с расстоянием от него к экрану, и повторим опыт. Вокруг тени на экране образуется частично освещенное пространство — полутень (рис. 95).

Образование полутени также подтверждает закон прямолинейного распространения света. В данном случае источник света состоит из многих точечных источников, каждый из которых излучает свет. На экране есть

участки, в которые свет от одних точечных источников поступает, а от других — нет, там и образуется полутень. В центральную часть экрана не попадает свет ни от одного точечного источника, там наблюдается полная тень.

Теневыми проекциями пользуются в театре теней (рис. 96), для демонстрации опытов, например для демонстрации броуновского движения (рис. 97) и т. д.

Луна — естественный спутник Земли. В течение месяца мы можем наблюдать, как изменяется форма видимой из Земли части Луны.

Разные формы видимой из Земли части Луны называют фазами Луны.

Еще в глубокой древности люди могли объяснить явление изменения лунных фаз (рис. 98).

Фазы Луны объясняются взаимным расположением Солнца, Луны и Земли, а также тем, что Луна собственного света не излучает, а отражает солнечный. Солнце находится на большом расстоянии от Луны, поэтому поступающий на Луну пучок солнечных лучей можно считать параллельным. Вследствие этого освещается только половина Луны, а другая ее половина остается в тени. Движение Земли и Луны приводит к тому, что к Земле могут быть одновременно обращены светлая и темная части Луны, и тогда она кажется нам неполной фазы Луны изображены на рисунках 99 и 100.

Когда Луна проходит между Солнцем и Землей, к нам обращена ее темная сторона. Тогда Луны вовсе не видно. Эту фазу называют молодая Луна (новолуние). Через 2 дня, когда Луна переместится на восток от Солнца, к нам будет обращена небольшая часть освещенного полушария Луны — будет виден узкий серп. Еще через 5 дней мы увидим правую половину светлого полушария Луны — первую четверть. Через 2 недели после новой Луны наступает следующая лунная фаза — полная Луна (полнолуние). После нее освещенная часть Луны начинает уменьшаться — наступает последняя четверть, и мы видим левую половину полушария Луны. В следующие дни Луна приобретает форму серпа, и, наконец, ее не видно — опять наступает молодая Луна (новолуние).

В космических масштабах тень и полутень можно наблюдать во время солнечных и лунных затмений. Планеты и их спутники, освещаемые Солнцем, образуют тени и полутени. На рисунке 101 изображены тени и полутени, образованные Землей и Луной.

Если Луна в ходе своего движения вокруг Земли в какой-то момент оказывается между Землей и Солнцем, она образует на земной поверхности тень, и тогда на этих территориях наблюдается солнечное затмение.

Солнечные затмения бывают только при молодой Луне. Их можно наблюдать лишь на тех участках поверхности Земли, на которые падает тень или полутень Луны (рис. 102). Если участок находится в тени Луны, то наблюдается полное затмение Солнца; для участков, находящихся в полутени, солнечное затмение будет частичным.

В связи с тем, что Луна движется с запада на восток, затмение начинается на западном (правом) краю Солнца. В начале затмения на диске Солнца появляется постепенно увеличивающаяся «зазубрина» и Солнце приобретает форму узкого серпа (рис. 103). Когда диск Луны полностью закроет Солнце, мы увидим вокруг него удивительное сияние — корону Солнца — часть раскаленной солнечной атмосферы (рис. 104)

Во время полного солнечного затмения быстро темнеет. На небе становятся видны звезды и планеты. Снижается температура воздуха, иногда выпадает роса. В небе виден черный диск с пылающей вокруг него солнечной короной. В древние времена считали, что это огромный дракон пожирает Солнце.

Дальнейшее перемещение Луны приводит к тому, что спустя некоторое время опять становится виден узкий солнечный серп, а солнечная корона уже не видна. Диск Луны перемещается все дальше в восточном направлении, и вскоре на небе опять ярко светит Солнце.

Полное затмение может длиться не более 8 минут, обычно 2-3 минуты. В разных точках поверхности Земли солнечное затмение не только наблюдается по-разному, но и наступает в разное время. Это объясняют тем, что в результате движения Луны вокруг Земли тень Луны (область полного затмения) движется по поверхности Земли с запада на восток со скоростью 1 км/с. Полное затмение можно наблюдать в пределах полосы длиной в несколько тысяч километров и 270 км в ширину. На остальной части поверхности Земли это затмение наблюдается как частичное или вовсе не наблюдается.

Полное солнечное затмение на Земле можно наблюдать один раз в полтора года, а вот в одном и том же месте земной поверхности — редко, лишь один раз в 300 лет.

Когда Луна попадает в тень Земли, наступает лунное затмение (рис. 105).

Лунные затмения происходят только при полной Луне. Луна движется с запада на восток, и когда она начинает заходить в тень Земли, на лунном диске появляется «зазубрина», постепенно увеличивающаяся в размерах. Луна приобретает форму серпа, на вид резко отличающегося от обычных лунных фаз (рис. 106).

Рис. 106
Затмение Луны будет полным, если она полностью войдет в тень Земли. Если же она перемещается лишь по части области земной тени, затмение будет частичным.

Диаметр земной тени значительно больше диаметра диска Луны, поэтому полное лунное затмение длится сравнительно долго, около 2 часов.

Картина лунного затмения выглядит одинаково во время наблюдения с любой точки поверхности Земли, повернутой в это время к Луне, и во всех этих точках оно начинается и заканчивается одновременно.

При полном затмении диск Луны становится темно-красным. Космонавт, находящийся в это время на Луне, мог бы наблюдать черный диск Земли с красным кольцом вокруг него.
Каждые 18 лет происходит 29 лунных затмений, но интервалы между ними разные. На протяжении года может не наблюдаться ни одного лунного затмения, а в следующем году их может быть 2 или 3.

Пример №1

Является ли Луна источником света?

Ответ: нет; следует также обратить внимание — в литературе используется утверждение, что Луна является мощным источником света, — это неправильно.

Пример №2

На рисунке 88 (см. с. 49) изображен самолет «Гелиос», который питается от солнечных батарей. В 2001 году он установил рекорд высоты, поднявшись на 29 413 м. Солнечные батареи являются источниками или приемниками света?

Ответ: солнечные батареи являются приемниками света — источниками электрического тока.

Пример №3

Почему в первом случае на столе есть тень (рис. 107), а во втором — нет?

Ответ: это зависит от размещения нити накаливания электролампы.

Искривление светового луча в гравитационном поле | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Общая теория относительности‎

Световой луч в гравитационном поле искривляется. Траектория фотона (частицы света) в стационарном грави­тационном поле в общем случае не является прямой ли­нией (пространственной геодезической).

Свет — это электромагнитные волны определенных час­тот. Уравнения электродинамики формулировались для инерциальных систем отсчета, и в инерциальной системе в пустоте световые лучи будут прямыми. Ньютоновская тео­рия гравитации не предусматривает никакой связи между явлениями электромагнетизма и гравитацией, и поэтому предсказание эйнштейновской теорией искривления све­товых лучей полем тяготения Солнца было революцион­ным и вызвало большой интерес у физиков.

Искривление световых лучей гравитационным полем мо­жет быть понято без вычислений, с помощью мысленного эксперимента, предложенного Эйнштейном. Пусть лифт удерживается в шахте электромагнитом. На про­тивоположных стенках лифта на одном уровне имеются отверстия, причем напротив одного из отверстий на стене шахты находится источник света. Как только включается источник света, от­ключается электромагнит и лифт начинает сво­бодно падать. В момент включения света лифт становится инерциальной системой отсчета, в ко­торой свет распространяется прямолинейно. По­этому световой луч, войдя в первое отверстие, выйдет через второе. Но за время прохождения светом расстояния L до второй стенки лифта, рав­ное L / c, лифт опустится на высоту h = gL2 / 2c2 и луч выйдет из второго отверстия в шахту ни­же точки, в которой он был испущен. В систе­ме отсчета, связанной с шахтой, луч будет ис­кривлен.

Обнаружение искривления световых лучей гравитационным полем было первой экспериментальной проверкой (если не считать объяснения прецессии орбиты Меркурия) новой теории тяготения. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Во время полного солнеч­ного затмения становятся видимыми звезды. Если сфотографировать звезд­ное небо в окрестности Солнца и сравнить полу­ченную фотографию с фотографией того же участка звездного неба, сделанной в другое вре­мя, то, при наличии ис­кривления световых лу­чей, положение звезд на фотографиях будет раз­личным. В пределах неиз­бежных ошибок выводы новой теории тяготения были подтверждены.

На этой странице материал по темам:
  • Почему физически искривляются лучи света в гравитационном поле?

  • Искривление луча света в гравитационном поле

  • Где можно увидеть искривление светового луча в поле тяготения солнца

  • «свет распространяется прямолинейно» искривление светового луча

  • Кривизна прохождения светового луча в гравитационном поле солнц

Световой луч | Проекты

Автор проекта:

Мехова Татьяна Витальевна, студентка ВГСПУ, МИФ-МИБ-22 (2013-2014)

Тема проекта:

Оптические явления.

Предмет, класс:

Физика, 9 класс.

Краткая аннотация проекта:

Проект направлен на выявление волновых свойств света. Проявление этих свойств в природе и их практическое использование. Основная идея: практическая направленность процесса познания — от наблюдения к знанию и от знания к воплощению. Продолжительность проекта: 7 уроков раздела «Оптика».

Вопросы, направляющие проект:

Основополагающий вопрос:

Зачем изучать окружающий мир?

Проблемные вопросы:
  1. Как возникает радуга?
  2. Почему окрашивается мыльный пузырь?
  3. Почему окрашиваются облака?
  4. Что общего между радугой, закатом и мыльным пузырём?

Учебные вопросы:

1. Перечислите методы научного познания.
2. Какова природа света?
3. Какие физические явления соответствуют волновым свойствам света?
4. Какие опыты демонстрируют волновую природу света?
5. Назовите имена ученых, внесших значительный вклад в развитие представлений о природе света.
6. В каких областях науки и техники используются волновые свойства света?
7. Как называются приборы волновой оптики, и в чем заключается принцип их действия?

Основа проекта: образовательные стандарты

Цели:

  • освоение знаний об электромагнитных явлениях, величинах, характеризующих эти явления, законах, которым они подчиняются, о методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира; (на примере световых волн)
  •  овладение умениями проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, использовать простые измерительные приборы для изучения физических явлений; представлять результаты наблюдений или измерений с помощью таблиц, применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов (оптических явлений), принципов действия важнейших технических устройств, (оптических приборов спектральной направленности)
  •  развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе решения интеллектуальных проблем, выполнения экспериментальных исследований; способности к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами;
  •  воспитание убежденности в познаваемости окружающего мира, уважения к творцам науки и техники; отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры

Обязательный минимум содержания основных образовательных программ.

Естественнонаучный метод познания и его составляющие: наблюдение, измерение, эксперимент, гипотеза, модель, теория.
Наиболее важные естественнонаучные идеи и открытия, определяющие современные знания о мире.
Волновые и корпускулярные свойства света.
Проведение простых исследований или наблюдений (в том числе с использованием мультимедиа): волновых свойств света, оптических спектров

Требования к уровню подготовки выпускников.

знать
• смысл понятий: естественнонаучный метод познания, электромагнитные волны,
• имена великих ученых и их вклад в формирование современной естественнонаучной картины мира;
уметь
• приводить примеры экспериментов или наблюдений, обосновывающих: волновые и корпускулярные свойства света,
• объяснять прикладное значение важнейших достижений в области естественных наук
• работать с естественнонаучной информацией, содержащейся в сообщениях СМИ, ресурсах Интернета, научно-популярных статьях: владеть методами поиска, выделять смысловую основу и оценивать достоверность информации.

Дидактические цели и ожидаемые результаты обучения:
  • Учебная : научить понимать природу явлений, происходящих в окружающем мире.
  • Социальная: используя учебный материал предмета «физика», развивать качества, необходимые для успешной адаптации выпускников в жизни

Цель проекта:  Формирование умений XXI века на основе усвоения базовых знаний о природе света и применения их к объяснению оптических явлений.

После завершения проекта учащиеся смогут:

  • Продемонстрировать знание этапов организации учебного исследования;
  • Организовывать командную работу.
  • Организовывать свою проектную работу  в соответствии с методами научного познания.

 

План проведения проекта

1 неделя:  Подготовительный этап.

(выполняется до начала работы над проектом; его задача – подготовить учащихся к восприятию нового учебного материала и действий по реализации проекта).

Учитель:

  • планирует общий ход проекта, определяет его содержание;

  • составляет перечень действий, которые необходимо проделать учащимся;

  • подбирает оборудование и материалы, необходимые для осуществления проекта;

  • определяет перечень необходимых знаний и умений для успешного восприятия учебного материала и начала работы над проектом..

Урок 1 (подготовительный).

Учитель организует повторение с целью выявления объёма и глубины предварительных знаний учащихся по уже изученным разделам оптики;

С помощью системы упражнений отрабатывает необходимые навыки.

Урок 2.

Проводится анкетирование с помощью карт «Знаю – Интересуюсь – Умею) с целью выявления предварительных знаний и интересов учащихся.

 

2 неделя:  Организационный этап.

Урок 3.

Учитель с помощью вводной презентации организует обсуждение темы проекта; ставит проблему и задачи обучения. Рассматривается вводный теоретический материал. На основе выявленных на предварительном этапе знаний и интересов учащихся, организуются три группы – по отдельным направлениям учебной темы (дисперсия, дифракция, интерференция света).

Урок 4.

Работа в группах. Учащиеся  знакомятся с критериями оценивания исследовательских работ; распределяют задания и роли, составляют план исследования, используя памятки и шаблоны по организации   исследовательских работ.

 

Поисковый этап.

Во внеурочное время, в соответствии с графиком работы кабинета информатики и библиотеки, а также используя возможности домашних компьютеров, учащиеся собирают материал по выбранным темам исследования (используются памятки по поиску и обработке информации).

Планируют проведение экспериментов.

Учитель проводит консультации через командиров групп и отслеживает продвижение учащихся с помощью таблицы продвижения по проекту.

 

3 неделя:  Практический этап.

Урок 5, 6.

Учащиеся проводят групповые исследования согласно составленным планам; ставят эксперименты по выбранным темам и обрабатывают полученные данные.

Учитель проводит консультацию с помощью презентации «Как создать презентацию».

Учащиеся в соответствии с графиком работы компьютерного класса, используя памятку и шаблон по оформлению презентаций, оформляют результаты своих работ. Проводят самооценивание выполнения заданий.

Учитель проводит консультации через командиров групп и отслеживает продвижение учащихся с помощью таблицы продвижения по проекту.

 

4 неделя:  Заключительный этап.

Учитель вместе с командирами групп проводит предварительную оценку готовности групп к защите своих проектов (выступлению по теме исследования).

Урок 7, 8.  Итоговая конференция.

Учащиеся представляют свои работы в форме публичных выступлений с демонстрацией презентаций.

Учитель организует обобщение изученного материала путём заполнения обобщающей таблицы. Учащиеся проводят самооценивание своих проектов и рецензирование работы других групп по круговой схеме (1 группа оценивает работу 2-й; 2 группа – работу 3-й; 3 группа – работу 1-й).

Учитель обобщает итоги работы над проектом, используя таблицу продвижения по проекту и критерии оценивания ученических проектов.

Во внеурочное время учащиеся оформляют материалы конференции в школьной стенгазете и размещают на межшкольном образовательном портале.

Презентация учителя для выявления представлений и интересов учащихся

Svoistva_sveta

Пример продукта проектной деятельности учащихся

http://prezi.com/d8cjltb1_e2y/?utm_campaign=share&utm_medium=copy&rc=ex0share

Оценивание

Инструменты оценивания

Бланк оценивания

Таблица продвижения и график проекта

Материалы для дифференцированного обучения

Ученик с проблемами освоения учебного материала

Создать кроссворд по данной теме.

Ответить на учебные вопросы с помощью дополнительной литературы.

Одаренный ученик.

Заполнить кроссворд.

 

Материалы и ресурсы, необходимые для проекта

Программное обеспечение:

программы для создания презентаций

программы для обработки фотографий

текстовый редактор

….

Материалы на печатной основе:
  1.  А. А, Перышкин. Физика. Учебник для 9 класса.- М.: Дрофа, 2008.

  2.  А. Пинский. Физика. Учебник для 9 класса. — М.: Просвещение, 2007

  3.  Программы общеобразовательных учреждений. Физика 7-9 классы. /авт.-сост. Н. К. Мартынов. — М.: Просвещение, 2007

  4.  Стандарты второго поколения. примерные программы по учебным предметам. Физика. — М.: Просвещение, 2010.

  5.  Образовательный стандарт среднего (полного) образования по естествознанию.

  6.  С. А. Тихомирова.Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень).

    — М.: Мнемозина, 2009
  7.  Физика 7-11 классы: развернутое тематическое планирование/авт.-сост. Г. Г. Телюкова — Волгоград:Учитель, 2010

  8.  Информационные технологии в учебном процессе/сост. О. Н. Черненко. -Волгоград:Учитель, 2007

  9.  Стивен Р. Кови. Семь навыков высокоэффективных людей. — М.: Алпина Паблишерз, 2010

 

Проекты с аналогичной тематикой

Урок физики по теме «Световые явления». 9-й класс

Урок физики в 8 классе на тему «Отражение света. Закон отражения света»

Тема урока: » Световые лучи. Закон преломления света. Призма». 11-й класс

Отзывы на проект

 

 

 

Световые пучки. Фазовый объем | Центр физики частиц и высоких энергий НИИ ЯП БГУ

пучков в обычных оптиче­ских системах. Чтобы световые лучи не рассеялись в пространстве, в оптических приборах применяются слож­ные системы линз и зеркал. Для удержания пучков заря­женных частиц также нужны линзы, но не стеклянные, а магнитные. Познакомимся более подробно с проблемой фокусировки в оптике.

Начнем нашу беседу с одномерной задачи. Пусть све­товой пучок, попадающий в оптическую систему, сформи­рован на щели, поперечный размер которой очень мал по сравнению с продольным. Движение вдоль длинной стороны щели нас в дальнейшем интересовать не будет — мы займемся движением луча в направлении поперек Щели.

Рассмотрим оптическую систему, состоящую из щели, линзы и передвижного экрана, как это изображено на рис. 21. Рассмотрим лучи, вышедшие из одной точки Щели, например, из точки А. По выходе из А эти лучи расходятся. Чтобы полностью задать луч, нужно указать два числа — координату и угол, составляемый лучом с

оптической осью системы. Выражаясь математически каждый световой луч, пересекающий щель, можно харак­теризовать точкой на некоторой плоскости, на которой по одной оси отложено удаление луча (например, от се­редины щели), а по другой — угол, который составляет луч с оптической осью системы или с какой-нибудь дру­гой линией, принятой за начало отсчета углов. Углы и координаты откладываются по осям фазовой плоскости. На рис. 22, а изображена фазовая плоскость, характери­зующая световые пучки в сечении I (рис. 21), т. е. в се­чении, проходящем через щель. Площадь, занимаемая

Рис. 21. Ход световых лучей в фокусирующей оптической системе.

пучком, слева и справа ограничена вертикальными ли­ниями, соответствующими границам щели: ни один луч не покидает сечение I с координатой, которая лежит вне щели. Занятая пучком область ограничена также сверху и снизу: если пучок покидает щель со слишком большим углом, то он не пройдет через линзу и будет потерян. Верхняя и нижняя границы наклонены по отношению к оси X. Из рис. 21 видно, что световые лучи, вышедшие при х<0 (из нижнего края щели), могут попасть в линзу при несколько больших положительных углах, чем лучи, вышедшие из верхнего края щели, т. е. при x>0.

В процессе движения светового пучка световые лучи сходятся и расходятся, причем координаты и углы пере­ходят друг в друга. Так, пучок, испущенный под большим углом, со временем приобретает и большую координату, а пучок, вошедший в линзу дальше от ее оптической оси, преломляясь в линзе, сильнее изменяет направление свое­го движения (см. ниже). Площадь, обрисованная пучком в фазовой плоскости

Физика света — Световые лучи

Физика света — Световые лучи Световой луч

Мы можем использовать световую станцию, чтобы прояснить этот свет путешествует по прямой по воздуху, и чтобы изучить, что происходит когда свет на что-то натыкается. Мы также удалили еще один отвлекающий аспект: обычно в любой точке космоса путешествует свет много разных направлений, от всех источников света вокруг комната. Даже когда у нас только один источник света, у нас есть свет, идущий из разных его частей. Световой луч, который мы делаем однослотовую маску, имеет весь свой световой путь. в том же направлении (почти).

Тип лампочки, используемой для создания луча. оказывает важное влияние на качество луча. Конечно, важно, чтобы лампочка была прозрачной, а не матовой. Однако также важно, чтобы нить лампочки в виде перевернутой V. Если вы посмотрите на лампочку с правильного направления, она просто выглядит как вертикальная линия.Это приводит к тому, что он дает исключительно острые края. тени вертикальной щели, и будет производить луч света с острыми краями.

Разные лампы дают разные лучи

A. Матовая лампочка излучает широкий нечеткий луч.

B. Прозрачная лампочка не работает, если ее неправильно повернуть.

C. Направление нити накала в прорезь дает хороший луч

(Эти лампочки видны сверху)

Качество луча зависит от формы нити накала, и его ориентация и положение.Луч немного расходится из-за того, что лампа находится несколько близко к прорези. Было бы быть более параллельным, если бы он находился дальше назад — но это сделало бы его более тусклым,

Луч света — это действительно своего рода тень — это свет, окруженный тени.

Помещение дифракционной решетки в пучок показывает, что только часть свет отклоняется, чтобы спектр, который мы видим, и что отклонение находится под углом, который характерен для длины волны света. Возможно, это поможет объяснить некоторые из наблюдений, которые мы сделали ранее по поводу дифракционные решетки и цветные фильтры.
Коробка: Яркость света

Copyright 2002 Дж. П. Стрэйли и С. С. Коваш.

Физика света — Световые лучи

Физика света — Световые лучи Изготовление светового луча

В этом разделе мы узнаем, как настроить световая станция. Это будет инструмент, который мы будем использовать в следующих разделах, когда будем изучать свойства зеркал и линз.Луч света противоположен тени, поэтому вы не можете понять ее не понимая другого.

Вещи, которые нам понадобятся, это

  • Тускло освещенная комната
  • Цоколь с прозрачной лампочкой
  • То, из чего можно построить экраны. Обычный папки с файлами (желательно темного цвета) полезны для этого — их легко резать, и уже есть сложите их, чтобы их было легко поставить вверх.
  • Лист белой бумаги, который будет экраном для просмотра на котором будет виден световой луч.

Папка с файлами будет использоваться в вертикальном положении, как показано на рисунках. Вырежьте прорезь в папке: она должна быть вертикальной, когда папка находится внутри. место шириной от 1/8 дюйма до 1/4 дюйма с прямыми и параллельными сторонами; должен быть почти такой же высоты, как нить накаливания лампочки в цоколе лампы. Приклейте к первой изоленту другую папку, чтобы вокруг три стороны лампы (и чтобы папка не падала все время вниз).Выключите свет в комнате, включите лампу, и вы получите свой луч!
Вот некоторые вещи, на которые следует обратить внимание:

  1. Поверните лампу влево и вправо и обратите внимание на эффект луч. Имеет ли значение ориентация лампы? Если да, ты видишь, что свойство лампочки задействовано (внимательно посмотрите на лампочку, когда она выключена)?
  2. Попробуйте расположить лампу ближе и дальше от папки с прорезью в нем. Как это влияет на луч?
  3. Сравните лучи, полученные от прозрачных и матовых лампочек.
  4. Предположим, прорезь была вырезана не так высоко, как рекомендовалось. Как это влияет на луч? Приклейте карту через верхние 10 см прорези, чтобы проверить свой прогноз. Обратите внимание, что происходит со слишком коротким слотом, когда вы двигаетесь лампу рядом с папкой с прорезью в ней.
  5. Изменить высоту лампы над столешницей чтобы изучить эффект.
  6. Что было бы, если бы паз не был прямым? Сделайте прорезь, которая будет двигаться вперед и назад примерно на дюйм.Противоречит ли результат нашему убеждению в том, что свет всегда путешествует? по прямым?
Нарисуйте схему настройки вашей системы, которая производит лучший луч. Включите измерения, чтобы вы могли легко настроить снова.

Все готово? На к деятельности!

Copyright 2002 Дж. П. Стрэйли и С. С. Коваш.

Световые лучи — обзор

2.4.2 Цилиндрические многополюсные поля

Наиболее распространенные световые лучи имеют цилиндрическую, а не сферическую природу. Цилиндрические мультипольные поля возникают из скалярных решений волнового уравнения Гельмгольца цилиндрически разделенного типа

(34) ψmk (r) = GmK (R) eiκzeimϕ,

, где R — цилиндрически-радиальный параметр x2 + y2, а κ — z -компонента волнового вектора. Целое число м — азимутальный индекс. Уравнение радиальной волны:

(35) (d2d R2 + 1rdd R + K2 − m2R2) GmK (R) = 0.

Частота волны ω определяется величиной ω 2 = c 2 2 + K 2 ), а K — поперечная ( xy ) составляющая волновой вектор.

По аналогии с выражениями (23) и (25) для векторного потенциала сферических мультипольных полей, цилиндрические поля имеют вид

(36) AmKTE (r, t) = (ez × ∇) ψmKe − iωt + cc, AmKTM (r, t) = — icω∇ × (ez × ∇) ψmKe − iωt + cc

Это также определяет электрическое и магнитное поля в этих двух случаях. В цилиндрических координатах и ​​единичных векторах e R , e ϕ и e z мы находим выражения для полей TE в виде

(37) EmKTE = ( eRωmRGmK + iωeϕdGmKdR) eiKzeimϕe − iωt + c. c., BmKTE = (- iKeRdGmKdR + eϕKmRGmK − ezK2GmK) eikzeimϕe − iωt + c.c.

Обратите внимание, что электрическое поле EmKTE ограничено плоскостью xy, что оправдывает название этих полей. Поля TM следуют из этих выражений посредством преобразования двойственности EmKTM = cBmKTE, BmKTM = −EmKTE / c.

Подставляя эти результаты в уравнение (3), теперь легко найти выражения для усредненных по времени плотности энергии и импульса для этих полей. Результаты одинаковы для полей TE и TM.В результате цилиндрической симметрии плотность энергии зависит исключительно от расстояния R от оси. Это также верно для компонент плотности импульса вдоль цилиндрических единичных векторов. Используя уравнение (1), можно найти выражение для z -компоненты AM в виде

(38) jz (r) = Rp⋅eϕ = 2ω∈0K2m | GmK (R) | 2.

Выражения в уравнениях (37) для полей могут отображать сингулярности на оси, где R = 0.Для поля без источника радиальная функция G m κ ( R ) должна быть регулярной в начале координат, что делает ее пропорциональной функции Бесселя J m ( KR ). Соответствующие бесселевы пучки обладают тем особенным свойством, что они не имеют дифракции [16,17]. Однако цена, которую приходится платить, состоит в том, что мощность луча, проходящего через поперечную плоскость, бесконечна. Вблизи оси функция Бесселя J m ( KR ) пропорциональна R | m | .Из уравнений (37) мы можем найти форму электрических полей TE и TM вблизи оси, и их можно записать в декартову форму, используя тождества (eR + ieϕ) eiϕ = ex + iey и R exp (iϕ) = x + iy. Для значений m ⩾ 1 находим

(39) EmKTE (r, t) ∝ (ex + iey) (x + iy) m − 1eiKze − iωt + cc, EmKTM (r, t) ∝ (iKm (ex + iey) (x + iy) m − 1 + K2ez (x + iy) m) eiKze − iωt + cc

Эти поля обладают вращательной симметрией м и раз. Для соответствующих отрицательных значений m ⩽ −1 электрические поля имеют вид

(40) EmKTE (r, t) ∝ (ex + iey) (x + iy) | m | −1eiKze − iωt + c .c., EmKTM (r, t) ∝ (−iK | m | (ex + iey) (x + iy) | m | −1 + K2ez (x − iy) | m |) eiKze − iωt + c. c.

TE поля имеют круговую поляризацию в начале координат, в то время как фаза имеет вихрь с зарядом m — 1 для положительных значений m и зарядом — | м | + 1 = м + 1 для отрицательных значений м . (Для фазового вихря с зарядом m фаза увеличивается со значением 2π m вдоль замкнутого контура вокруг начала координат.) Это означает, что TE поля с m = ± 1 не имеют фазового вихря в начале координат. .Поля TM имеют ту же структуру, с дополнительной линейно поляризованной компонентой в направлении z и фазовым вихрем с зарядом m . Особого внимания требует изотропный случай m = 0. В этом случае также второй член в разложении по мощности функции Бесселя J 0 необходим для получения самого низкого ненулевого порядка поля. Когда мы подставляем приближение J 0 ( KR ) ≈ 1 — ( KR ) 2 /4, мы получаем как выражения для электрических полей с m = 0 в декартовой системе счисления

( 41) E0KTE (r, t) ∝ (−exy + eyx) eiKze − iωt + c. c., E0KTM (r, t) ∝ (iK (exx + eyy) −ez) eiKze − iωt + c.c.

TE поле около начала координат имеет линейную поляризацию в азимутальном направлении e ϕ , так что оно имеет поляризационный вихрь. В начале координат поляризация не определена, и поле исчезает. Поле TM имеет конечную z -компоненту в начале координат, в то время как поперечная компонента имеет поляризационный вихрь с радиальной поляризацией вокруг начала координат. Поляризация вокруг оси в поперечной плоскости показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Схема линейной поляризации в поперечной плоскости для цилиндрических ТЕ- и ТМ-мод с m = 0. Стрелки указывают направление линейной поляризации.

И сферическое, и цилиндрическое мультипольные поля являются точными решениями уравнений Максвелла. С другой стороны, их энергосодержание бесконечно, а интенсивность бесселевых лучей бесконечна, как и для плоских волновых полей. Это делает эти бесселевские лучи нереалистичными как представление световых лучей. В следующих разделах мы обсудим AM и вихревые свойства световых пучков, которые не страдают этим недостатком.

Световой луч с изгибом

& bullet; Phys. Rev. Focus 20, 19

Кажется, что луч света изгибается и распространяется, не расширяясь.

Phys. Rev. Lett. 99 , 213901 (2007)

Phys. Rev. Lett. 99 , 213901 (2007)

×

В новом оптическом эксперименте создается впечатление, что луч света изгибается в воздухе.Самый яркий участок луча также, кажется, распространяется практически без расширения, в отличие от обычных лазерных лучей, как сообщает группа ученых в 23 ноября Physical Review Letters . Так называемый луч Эйри может привести к новым видам оптики.

Любой обычный луч света распространяется по мере движения благодаря волновому эффекту, известному как дифракция. Даже луч лазерной указки становится шире и тусклее по пути к дальнему экрану. Но в 1987 году группа ученых представила пучок Бесселя, интенсивность которого остается постоянной по мере удаления от источника [1]. «Уловка» в том, что свет на самом деле не движется вдоль оси луча; интенсивность в любом месте луча является результатом сложной интерференции света, выходящего из всех точек в большой кольцеобразной щели у источника. Другие исследователи разработали вариации пучка Бесселя, обладающие другими удивительными свойствами.

Теперь Деметри Христодулидес, Аристид Догариу и их коллеги из Университета Центральной Флориды в Орландо придумали новое семейство недифрагирующих сигналов, которые обладают еще одним, еще более странным свойством: они кажутся кривыми.Форма волны Эйри была теоретически описана почти 30 лет назад как удивительное решение квантового уравнения для свободной частицы, проблема с математической аналогией в оптике [2].

Phys. Rev. Lett. 99 , 213901 (2007)

Невозможный свет. Луч Эйри, теперь созданный в лаборатории, изгибается в сторону примерно на 1 миллиметр по сравнению с 35-сантиметровым сечением, показанным в этом компьютерном моделировании (вверху, горизонтальная ось преувеличена). Двумерный вариант показан с балкой, обращенной к нам (внизу). Невозможный свет. Луч Эйри, теперь созданный в лаборатории, изгибается в сторону примерно на 1 миллиметр по сравнению с 35-сантиметровым сечением, показанным в этом компьютерном моделировании (вверху, горизонтальная ось преувеличена). Показан двумерный вариант с ориентацией на пучок … Подробнее

Phys. Rev. Lett. 99 , 213901 (2007)

Невозможный свет. Луч Эйри, теперь созданный в лаборатории, изгибается в сторону примерно на 1 миллиметр по сравнению с 35-сантиметровым сечением, показанным в этом компьютерном моделировании (вверху, горизонтальная ось преувеличена).Двумерная версия показана с лучом, обращенным к нам (внизу). ×

Луч асимметричный, с одной яркой областью в центре и серией постепенно более тусклых пятен на одной стороне центрального пятна. Но вместо того, чтобы распространяться по прямой линии, весь узор из ярких и темных пятен изгибается в одну сторону. В то же время ширина и интенсивность каждого пятна остаются практически постоянными, даже после того, как обычный луч упал бы почти до половины своей исходной интенсивности и расширился бы до нескольких раз своей исходной ширины.

Повторяющиеся тусклые участки идеального луча Эйри простираются в сторону до бесконечности, но Христодулидес и его коллеги недавно поняли, что они могут довольно хорошо аппроксимировать его, используя обычный лазер [3]. Колоколообразный профиль луча математически хорошо соответствует «усеченной» волне Эйри.

Чтобы создать луч, исследователи направили лазерный луч шириной в сантиметр на жидкокристаллический экран размером с часы, называемый пространственным модулятором света (SLM). Отражательная способность каждого пикселя на этом экране связана с его показателем преломления, поэтому устройство позволяет контролировать точную фазу света, отраженного от каждого пятна.Команда запрограммировала пиксели SLM для обеспечения фазовых соотношений, необходимых для луча Эйри.

Их измерения профиля луча в нескольких местах соответствовали теоретическим предсказаниям, включая изгиб луча и отсутствие растекания. Затем команда перепрограммировала SLM для создания двумерного луча Эйри — с вторичными пятнами ниже и слева от основного пятна. Он загибался вправо.

Как и в случае бездифракционного «распространения» пучка Бесселя, свет на самом деле не распространяется по криволинейной траектории.Луч — это узор, созданный интерференцией света от 500 000 тщательно сфазированных пикселей SLM. Тем не менее, Мордехай Сегев из Израильского технологического института в Хайфе впечатлен. «Это прекрасная работа», — говорит он. Сегев предполагает использовать аналогичные приемы фазирования в ситуациях, когда требуется несколько световых лучей для создания определенного светового эффекта на точном расстоянии от источника. «Если вы правильно спроектируете фазу, у вас будет белый свет только там, где встречаются импульсы.Представьте, если бы вы сделали что-то подобное в атмосфере », где лучи, подобные Эйри, могут улучшить LIDAR, тип лазерного радара, используемого для изучения атмосферы.

–Майк Вофси

Ссылки

  1. Дж. Дурнин, Дж. Дж. Мичели и Дж. Х. Эберли, «Пучки без дифракции», Phys. Rev. Lett. 58, 1499 (1987)
  2. М. В. Берри и Н. Л. Балаш, «Нераспространяющиеся волновые пакеты», Am. J. Phys. 47, 264 (1979)
  3. Г. А. Сивилоглоу и Д. Н. Христодулидес, «Ускорение пучков Эйри конечной энергии», Опт.Lett. 32, 979 (2007)

Дополнительная информация


Тематические области

Статьи по теме

Сверхтекучесть

Скользкие фотоны

Исследователи превратили свет в сверхтекучесть, используя «синтетическое» измерение, которое создается с использованием временных степеней свободы для имитации пространственных степеней свободы. Подробнее »

Astrophysics

Разрешение солнечного парадокса

Новая модель взаимодействия света и материи решает многолетнюю проблему путем согласования теоретических предсказаний и экспериментальных наблюдений поляризованного света от Солнца.Подробнее »

Еще статьи

Лучи света — значение, типы пучка, показатель преломления и ответы на часто задаваемые вопросы

Свет — это форма электромагнитного излучения любой длины волны, видимого или невидимого. Свет состоит из небольших пакетов энергии, называемых фотонами, состоящих из волн электромагнитного излучения. Фотоны не обладают зарядом или массой покоя и движутся со скоростью света. В физике и оптике идеализированная модель света, нарисованная в виде прямой линии, называется световым лучом.Луч света всегда рисуется стрелкой, указывающей направление потока энергии. Световые лучи — не что иное, как модель, объясняющая движение света от одной точки к другой. Группа световых лучей или световой луч, исходящий от источника света, называется точечным источником.

Различные типы лучей света

Лучи света могут быть трех типов. Они параллельны, сходятся и расходятся.

Параллельно: когда лучи от удаленного точечного источника движутся параллельно друг другу в определенном направлении, они формируют параллельный световой луч.Солнечный луч — это пример параллельного луча света.

Сходящийся: в сходящемся луче световые лучи от источника света в конечном итоге встречаются или сходятся в точку.

Расходящийся: в расходящемся луче световые лучи расходятся от источника света.

Отражение света

Световые лучи меняют свое направление при движении от одной среды или при отражении от поверхности. Закон отражения гласит, что луч света, отражающийся от ровной поверхности, имеет одинаковый угол падения и угол отражения.

Преломление света

Когда луч света перемещается от одной прозрачной среды к другой прозрачной среде, часть света отражается, а другая часть света передается во вторую прозрачную среду, изменяя направление света. Это явление определяется как преломление света.

Закон преломления или закон Снеллиуса гласит, что отношение синуса углов падения и преломления равно отношению показателей преломления первой и второй сред соответственно.

Математическая форма

отношение sin θ 1 и sin θ 2 (sin θ 1 / sin θ 2 ) = отношение показателя преломления (n 1 / n 2 )

или,

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

где,

θ1 = угол падения

θ2 = угол преломления

Показатели преломления среды 1 и 2 равны n1 и n2, соответственно

A light Луч из более легкой среды при попадании в более плотную среду изгибается по нормали к поверхности.С другой стороны, луч, выходящий из более плотной среды, попадающей в более легкую среду, отклоняется от нормали. Когда падающий луч равен нормали к поверхности, направление света остается неизменным, когда он входит во вторую среду.

Показатель преломления

Отношение скорости света в вакууме к его скорости в этой конкретной среде известно как показатель преломления или показатель преломления. Например, показатель преломления вакуума всегда равен 1.Показатель преломления воздуха (стандартные условия) — 1.0003, воды — 1.3, стекла — 1.5.

По законам отражения и преломления вы можете понять, как распространяется луч света. Закон отражения можно использовать для понимания изображений, создаваемых различными типами зеркал, такими как плоское зеркало, вогнутые и выпуклые зеркала. А в линзах можно использовать закон Снеллиуса. Например, человеческий глаз.

Решенные примеры

1. Луч света движется по воздуху под углом 30 ° к вертикали.он переходит в водную среду, и угол становится половиной вертикали. Что такое показатель преломления воды? θair = 1,00

Ответ: используя закон Снеллиуса,

n1sin (θ1) = n2sin (θ2)

или, n2 = n1sin (θ1) sin (θ2)

θ2 = θ1 / 2 = 15 o (как на вопрос)

Решение по закону Снеллиуса,

n2 = (1.0) sin (30 o ) / sin (15 o ) = 1,93

2. Что такое показатель преломления?

Отв. Отношение скорости света в вакууме к его скорости в этой конкретной среде известно как показатель преломления или показатель преломления.Например, показатель преломления для вакуума всегда равен 1. Показатель преломления воздуха (стандартные условия) равен 1.0003, воды — 1,3, а стекла — 1,5.

Заключение

Здесь мы рассмотрели понятие света, определение луча света, различные типы лучей света, закон отражения и закон преломления. С помощью математических форм законов вы можете решать различные численные задачи, связанные с лучом и лучом света.

Световой луч, световой луч и его различные типы

Световой луч и световой луч — это основные термины, которые мы часто используем при изучении лучевой оптики или геометрической оптики.


Луч света:

Прямолинейный путь, по которому свет распространяется в однородной среде, называется лучом. Луч также можно определить как воображаемую прямую линию, проведенную в направлении распространения света.

Луч света:

Одиночный световой луч не имеет практического значения, поскольку там не может быть реального источника света, который излучает только один луч света. Всегда есть пучок световых лучей, путешествующих вместе.

Совокупность световых лучей, движущихся вместе, известна как световой луч .

Типы светового луча:

Как описано ниже, существует три основных типа балок:

1.) Параллельный луч света: Это пучок световых лучей, которые параллельны друг другу, как показано ниже на схеме. Диаметр балки везде остается одинаковым.


Практически вы не найдете источника света или освещенной конструкции, излучающей 100% параллельный луч света.В идеале большой и равномерный плоский источник света может быть источником идеально параллельного луча.

Если источник света расположен на очень большом расстоянии от области наблюдения (например, солнце), тогда и в этом случае полученный луч будет фактически параллельным (только для небольших областей).

2.) Расходящийся луч света: Это луч света, в котором все лучи встречаются в одной точке, когда они направляются назад. Диаметр такого луча продолжает увеличиваться по мере продвижения лучей вперед.Все физические источники света обычно излучают расходящийся луч.

Лучи, исходящие от точечного источника света, являются наиболее подходящим примером расходящегося луча.

3.) Сходящийся луч света: Это луч света, в котором лучи встречаются (или сходятся) в одной точке, а диаметр луча продолжает уменьшаться в направлении лучей.

Параллельный луч света после прохождения через собирающую линзу становится сходящимся лучом. Настоящий источник света не излучает напрямую сходящийся луч.

Обоснованность лучевого приближения света?
Лучевая или лучевая аппроксимация света не действительна или актуальна не для всех случаев. Свет (или видимый свет) — это узкая полоса из электромагнитных волн (спектр). Лучевое приближение работает только тогда, когда размер препятствия, с которым сталкивается свет, намного превышает длину волны света. В таких случаях волновая природа не является доминирующей, и путь световых лучей можно аппроксимировать прямыми линиями.

На макроскопических уровнях мы обычно рассматриваем свет как лучи или лучи, чтобы иметь дело с изучением простых фактов, таких как прямолинейное распространение, законы отражения и преломления, формирование изображения геометрическими методами и т. Д.



Что такое лазер? | Космическое пространство НАСА — Наука НАСА для детей

Краткий ответ:

Лазер излучает очень узкий луч света, который используется во многих технологиях и инструментах.Буквы в слове лазер обозначают L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation.

Буквы в слове лазерная подставка для L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. Лазер — необычный источник света. Он сильно отличается от лампочки или фонарика. Лазеры излучают очень узкий луч света.Этот тип света полезен для многих технологий и инструментов — даже для тех, которые вы можете использовать дома!


Как работает лазер?

Свет распространяется волнами, и расстояние между пиками волны называется длиной волны .

Каждый цвет света имеет разную длину волны. Например, синий свет имеет более короткую длину волны, чем красный свет. Солнечный свет — и типичный свет от лампочки — состоит из света с множеством разных длин волн.Наши глаза видят эту смесь длин волн как белый свет.

На этой анимации показаны различные длины волн солнечного света. Когда все разные длины волн (цвета) объединяются, вы получаете белый свет. Изображение предоставлено: НАСА

.

А лазер другой. Лазеры не встречаются в природе. Однако мы придумали способы искусственно создать этот особый тип света. Лазеры производят узкий луч света, в котором все световые волны имеют очень похожие длины волн.Световые волны лазера движутся вместе со своими пиками, выстроенными в линию, или в фазе . Вот почему лазерные лучи очень узкие, очень яркие и могут быть сфокусированы в очень крошечное пятно.

Эта анимация представляет синфазные световые волны лазера. Изображение предоставлено: НАСА

.

Поскольку лазерный свет остается сфокусированным и не сильно распространяется (как фонарик), лазерные лучи могут перемещаться на очень большие расстояния. Они также могут сконцентрировать много энергии на очень небольшой площади.

На этой анимации показано, как лазер может сфокусировать весь свой свет в одну маленькую точку. Предоставлено: НАСА

.

У лазеров есть много применений. Они используются в высокоточных инструментах и ​​могут резать алмазы или толстый металл. Они также могут быть разработаны для помощи в деликатных операциях. Лазеры используются для записи и извлечения информации. Они используются в коммуникациях и для передачи телевизионных и интернет-сигналов. Мы также находим их в лазерных принтерах, сканерах штрих-кода и DVD-плеерах.Они также помогают изготавливать детали для компьютеров и другой электроники.

Лазеры также используются в приборах, называемых спектрометрами. Спектрометры могут помочь ученым выяснить, из чего сделаны предметы. Например, марсоход Curiosity использует лазерный спектрометр, чтобы увидеть, какие химические вещества содержатся в определенных породах на Марсе.

Это изображение марсианского грунта до (слева) и после (справа), когда он был забит лазерным прибором марсохода Curiosity под названием ChemCam.Вырезая крошечные дыры в марсианской почве и камнях, ChemCam может определить, из чего сделан этот материал. Изображение предоставлено: NASA / JPL-Caltech / LANL / CNES / IRAP / LPGN / CNRS

В

миссиях НАСА использовались лазеры для изучения газов в атмосфере Земли.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *