História fyzickej optiky, časté pojmy, zákony, aplikácie

Ten Fyzická optika Je to časť optiky, ktorá študuje zvlnenú povahu svetla a fyzikálny jav, ktoré sú chápané iba z zvukového modelu. Študuje tiež javy interferencie, polarizácie, difrakcie a iných javov, ktoré nemožno vysvetliť z geometrického hľadiska.

Zlušný model definuje svetlo ako elektromagnetickú vlnu, ktorej elektrické a magnetické polia sa navzájom líšia.

Elektromagnetická vlna [autor: Lennart Kudling Raphaël DeKnop (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/súbor: elektromagnetic_wave_color.Pdf)]

Elektrické pole (A) Svetelná vlna sa správa podobne ako ich magnetické pole (B), ale elektrické pole na magnetickom prevládaní vzťahom Maxwella (1831-1879), ktoré stanovuje nasledujúce:

A= CB

Kde c = Rýchlosť šírenia vlny.

Fyzická optika nevysvetľuje spektrum absorpcie a emisie atómov. Na druhej strane, kvantová optika, ak sa zaoberáte štúdiom týchto fyzikálnych javov.

[TOC]

História

História fyzickej optiky sa začína experimentmi, ktoré uskutočnil Grimaldi (1613-1663), ktorý poznamenal, že tieň premietaný osvetleným objektom bol širší a bol obklopený farebnými pruhmi.

Pozorovaný jav ho nazval difrakciou. Jeho experimentálna práca ho viedla k zvýšeniu zvlnenej povahy svetla, v opozícii voči koncepcii Izáka Newtona, ktorá prevládala počas 18. storočia.

Newtonovská paradigma preukázala, že svetlo sa správalo ako lúč malých mŕtvol, ktoré sa pohybovali vysokou rýchlosťou v priamých trajektóriách.

Robert Hooke (1635-1703) obhajoval zvlnenú povahu svetla, vo svojich štúdiách o farbe a lomu, v ktorom uviedol, že svetlo sa správali ako zvuková vlna, ktorá sa rýchlo šírila takmer okamžite prostredníctvom materiálneho média.

Neskôr Huygens (1629-1695), založený na Hookeho myšlienkach, upevnil zvlnenú teóriu svetla vo svojom I Octu de la Lumière (1690), v ktorom sa svetelné vlny emitované svetelnými telami šíria jemným a elastickým médiom nazývaným éter.

Huygensova zvlnená teória vysvetľuje javy reflexie, lomu a difrakcie oveľa lepšie ako Newtonova korpuskulárna teória a demonštruje, že rýchlosť svetla klesá presunutím z menej hustej na jedno hustejšie médium.

Huygensove nápady neboli akceptované vedcami času z dvoch dôvodov. Prvým bol nemožnosť uspokojivého vysvetlenia definície éter, A druhým bol Newtonova prestíž okolo jeho teórie o mechanike, ktorá ovplyvnila veľkú väčšinu vedcov, aby sa rozhodli podporiť korpuskulárnu paradigmu svetla.

Renesancia zvlnenej teórie

Začiatkom 19. storočia Tomas Young (1773-1829) dostane vedeckú komunitu, aby prijala ondulačný model Huygens z výsledkov svojho experimentu s ľahkým interferenčným experimentom. Experiment umožnený určiť vlnové dĺžky rôznych farieb.

V roku 1818 Fresnell (1788-1827) prehodnocujte zvlnenú teóriu Huygens na základe zásady rušenia. Vysvetlil tiež jav Birrefringencia de la Luz, čo mu umožnilo potvrdiť, že svetlo je priečna vlna.

V roku 1808 Arago (1788-1853) a Malus (1775-1812) vysvetlili jav polarizácie svetla z zvukového modelu.

Experimentálne výsledky Fizaua (1819-1896) v roku 1849 a Foucalt (1819-1868) v roku 1862 umožnili overiť, či sa svetlo šíri vo vzduchu rýchlejšie ako vo vode, čo je v rozpore s vysvetlením, ktoré poskytol Newton.

Môže vám slúžiť: čo je relatívna a absolútna drsnosť?

V roku 1872 vydáva Maxwell jeho Zmluva o elektrine a magnetizme, v ktorom vyvoláva rovnice, ktoré syntetizujú elektromagnetizmus. Z jeho rovníc získal vlnovú rovnicu, ktorá umožnila analýzu správania elektromagnetickej vlny.

Maxwell zistil, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny súvisí s propagačným médiom a zhoduje sa s rýchlosťou svetla, pričom dospela k záveru, že svetlo je elektromagnetická vlna.

Nakoniec, Hertz (1857-1894) v roku 1888 dokáže produkovať a detekovať elektromagnetické vlny a potvrdzovať, že svetlo je elektromagnetický vlnový typ.

Aké štúdie fyzická optika?

Štúdie fyzickej optiky Fenomény súvisiace s zvlnenou povahou svetla, ako je interferencia, difrakcia a polarizácia.

Zasahovanie

Interferencia je jav, ktorým sa dve alebo viac svetelných vĺn prekrývajú v rovnakej oblasti priestoru a tvoria jasné a tmavé svetlá pásma.

Jasné pásy sa vyskytujú, keď sa pridá niekoľko vĺn, aby sa vytvorila vyššia vlna. Tento typ rušenia sa nazýva konštruktívne rušenie.

Keď sa vlny prekrývajú, aby sa vytvorila dolná šírka, interferencia sa nazýva deštruktívne rušenie a vyrábajú sa pásma tmavého svetla.

Interferencia [induktiveLoad (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/file: construktion_interference.Svg)]

Spôsob, akým sú distribuované farebné pásy, sa nazýva interferenčný vzor. Interference je možné vidieť v mydlových bublinách alebo v ropných vrstvách mokrej cesty.

Difrakcia

Fenomén difrakcie je zmena v smere šírenia, ktorú prežíva svetelná vlna ovplyvňovaním prekážky alebo otváraním zmeny jej amplitúdy a fázy.

Rovnako ako fenomén rušenia, aj difrakcia je výsledkom prekrývania koherentných vĺn. Dve alebo viac svetelných vĺn sú konzistentné, keď sa pohybujú s rovnakou frekvenciou udržiavaním konštantného fázového pomeru.

S rastúcou prekážkou.

Polarizácia

Polarizácia je fyzikálny jav, ktorým vlna vibruje v jednom smere kolmom na rovinu obsahujúcu elektrické pole. Ak vlna nemá pevný smer šírenia, hovorí sa, že vlna nie je polarizovaná. Existujú tri typy polarizácie: lineárna polarizácia, kruhová polarizácia a eliptická polarizácia.

Ak vlna vibruje rovnobežne s pevnou čiarou opisujúcou priamku v polarizačnej rovine, hovorí sa, že je lineárne polarizovaná.

Keď elektrické pole Wave opisuje kruh v rovine kolmej na rovnaký smer šírenia, pričom udržuje svoju veľkosť konštanty, hovorí sa, že vlna je kruhovo polarizovaná.

Ak vektor vlnového elektrického poľa opisuje elipsu v rovine kolmej do rovnakého smeru šírenia, hovorí sa, že vlna je elipticky polarizovaná.

Časté výrazy vo fyzickej optike

Polarizačný

Je to filter, ktorý umožňuje iba časť svetla, ktorá je orientovaná v jednom špecifickom smere, prechádza cez ňu bez toho, aby chýbala vlny, ktoré sú orientované v iných smeroch.

Môže vám slúžiť: Diagram bezplatného tela

Predná vlna

Je to geometrický povrch, pri ktorom majú všetky časti vlny rovnakú fázu.

Amplitúda a vlnová fáza

Amplitúda je maximálne predĺženie vlny. Fáza vlny je stav vibrácií v okamihu. Keď majú rovnaký stav vibrácií, sú vo fáze dve vlny.

Uhol pivovaru

Je to uhol výskytu svetla, cez ktorý je odrazená svetelná vlna úplne polarizovaná.

Infračervený

Svetlo nie je viditeľné ľudským okom v 700 elektromagnetickom radiačnom spektrenm 1 000μm.

Rýchlosť svetla

Je to konštanta rýchlosti šírenia svetelnej vlny vo prázdnote, ktorej hodnota je 3 × 10⁸pani. Svetlo svetla svetla sa líši pri šírení v materiálovom médiu.

Vlnová dĺžka

Miera vzdialenosti medzi jedným hrebeňom a druhým hrebeňom alebo medzi jedným údolím a druhým vlnovým údolím na šírenie.

Ultrafialová farba

Neistiteľné elektromagnetické žiarenie so spektrom vlnovej dĺžky menej ako 400nm.

Zákony o fyzickej optike

Niektoré zákony fyzickej optiky opisujúce javy polarizácie a zásahu sú uvedené nižšie

Zákony Fresnell a Arago

1. Dve vlny svetla s lineárnymi, koherentnými a ortogonálnymi polarizáciami sa navzájom nezasahujú do rušenia, aby vytvorili interferenčný vzor.
2. Dve vlny svetla s lineárnymi, koherentnými a paralelnými polarizáciami môžu zasahovať do oblasti vesmíru.
3. Dve prírodné svetelné vlny s lineárnymi, nekoherentnými a ortogonálnymi polarizáciami sa navzájom nezasahujú do rušenia, aby vytvorili interferenčný vzor.

Zákon

Malusov zákon ustanovuje, že intenzita svetla prenášaného polarizátorom je priamo úmerná štvorcovej kosínusu uhla, ktorý tvorí os prenosu polarizátora a polarizačnú osi svetla. Inými slovami:

I = i₀cos²θ

I =Itenzita svetla prenášaného polarizátorom

θ = Uhol medzi osou prenosu a osou polarizácie dopadajúceho lúča

Jo₀ = Intenzita dopadajúceho svetla

Malus Law [autor Freshneesz (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/súbor: maus_law.Svg)]

Brewsterský zákon

Svetlý lúč odrážaný povrchom je úplne polarizovaný, v normálnom smere k rovine výskytu svetla, keď uhol, ktorý tvorí lúč odrážaný s refragovaným lúčom, sa rovná 90 °.

Brewster Law [autor Pajs (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/súbor: Brewsters-Ullec.Svg)]

Žiadosti

Niektoré z aplikácií fyzickej optiky sú v štúdiu tekutých kryštálov, pri navrhovaní optických systémov a optickej metrológie.

Tekuté kryštály

Kvapalné kryštály sú materiály medzi tuhým stavom a tekutým stavom, ktorého molekuly majú dipólový moment, ktorý indukuje polarizáciu svetla, ktorá ich ovplyvňuje. Z tejto vlastnosti boli vyvinuté kalkulačkové obrazovky, monitory, notebooky a mobilné telefóny.

Digitálne hodiny s obrazovkou tekutého kryštálu (LCD) [podľa BBCLCD (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/súbor: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Návrh optických systémov

Optické systémy sa často používajú v každodennom živote, vo vede, technike a zdraví. Optické systémy umožňujú spracovanie, registráciu a prenos informácií zo zdrojov, ako sú Slnko, LED, LAMP volfrámu alebo laser. Príklady optických systémov sú difraktometra a interferometer.

Optická metrológia

Je zodpovedný za uskutočnenie meraní fyzikálnych parametrov s vysokým rozlíšením na základe svetelnej vlny. Tieto merania sa uskutočňujú s interferometrami a refrakčnými prístrojmi. V lekárskej oblasti sa metrológia používa na neustále monitorovanie vitálnych príznakov pacienta.

Môže vám slúžiť: magnetizácia: orbitálny a rotátny magnetický moment, príklady

Nedávny výskum vo fyzickej optike

Optomechanický Kerkerov efekt (a. Vložka. Poshakinskiy1 a a. N. Poddubny, 15. januára 2019)

Poshakinskiy a Poddubny (1) ukázali, že nanometrické častice s vibračným pohybom môžu prejaviť optický mechanický účinok podobný účinku navrhovaným Kerkerom a kol. (2) v roku 1983.

Efekt Kerker je optický fenomén, ktorý spočíva v získavaní silnej smeru svetla rozptýleného magnetickými sférickými časticami. Táto smerovosť vyžaduje, aby častice mali magnetické reakcie rovnakej intenzity ako elektrické sily.

Kerker Effect je teoretický návrh, ktorý vyžaduje materiálové častice s magnetickými a elektrickými charakteristikami, ktoré v súčasnosti neexistujú v postiekinskiy a poddubny prírode dosiahli rovnaký účinok na nanometrické častice, bez významnej magnetickej odozvy, ktorá vibruje v vesmíre.

Autori preukázali, že vibrácie častíc môžu vytvárať magnetické a elektrické polarizácie, ktoré správne interferujú, pretože je indukovaná v častici magnetických a elektrických polarity zložiek rovnakého rádu, keď sa nepružná disperzia svetla považuje.

Autori navrhujú aplikáciu optického mechanického účinku na nanometrické optické zariadenia, keď ich robia vibrácie aplikáciou akustických vĺn.

Mimoškolská optická komunikácia (D. R. Dhatchayeny a y. H. Chung, máj 2019)

Dhatchayeny a Chung (3) navrhujú experimentálny systém mimoškolskej optickej komunikácie (OEBC), ktorý môže prenášať informácie o vitálnych príznakoch ľudí prostredníctvom aplikácií na mobilných telefónoch s technológiou Android Technology. Systém pozostáva zo súboru senzorov a koncentrátora Diodes (usporiadanie LED).

Senzory sú umiestnené v rôznych častiach tela na detekciu, spracovanie a komunikáciu životne dôležitých príznakov, ako je pulz, telesná teplota a rýchlosť dýchacích ciest. Dáta sa zhromažďujú prostredníctvom usporiadania LED a prenášajú sa cez fotoaparát mobilného telefónu s optickou aplikáciou.

Usporiadanie LED vyžaruje svetlo v rozsahu rozptylových vlnových dĺžok Rayleight Gans Debye (RGB). Každé emitované kombinácie farieb a farieb súvisia so vitálnymi príznakmi.

Systém navrhnutý autormi môže spoľahlivo uľahčiť monitorovanie vitálnych príznakov, pretože chyby v experimentálnych výsledkoch boli minimálne.

Odkazy

1. Optomechanický Kerkerov efekt. Poshakinskiy, a v a poddubny, n. 1, 2019, Fyzický prehľad x, zv. 9, p. 2160-3308.
2. Elektromagnetický rozptyl magnetickými guľami. Kerker, M, Wang, D S a Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, zv. 73.
3. Optická komunikácia mimo tela pomocou kamier smartfónov pre prenos ľudskej vitálnej značky. Dhatchayeny, d a chung a. 15, 2019, Appl. Zvoliť., Zvuk. 58.
4. Al-azawi, a. Princípy a postupy fyzickej optiky. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan Huiness, i. Spoločná encyklopédia histórie a filozofia matematických vied. New York, USA: Routledge, 1994, zv. Ii.
6. Akhmanov, s a a Nikitin, s yu. Fyzická optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G a Lipson, H. Fyzická optika. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Fyzická optika. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, F A a White, h e. Základy optiky. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.