Kvant. Световые волны

А так ли хорошо знакомы вам световые волны? // Квант. — 1989. — № 2. — С. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...мы имеем серьезные основания сделать заключение, что сам по себе свет...
является электромагнитным возмущением в форме волн...
Дж. К. Максвелл

История утверждения волновой теории света драматична и увлекательна. Господствовавшая до конца XVIII века корпускулярная теория оказалась не способной объяснить такие явления, как интерференция и дифракция, которые столь естественно излагались на волновом языке в веке XIX. Успехи волновой оптики были огромны, они позволили составить более глубокое представление о природе света, увенчавшееся слиянием теория света и теории электромагнетизма. Волновая теория не охватывает всего многообразия проявлений света. Однако когда разговор идет о дифракции и интерференции, дисперсии и поляризации без нее не обойтись.

Мы надеемся, что предлагаемые сегодня задачи убедят вас в этом.

Вопросы и задачи

1. В однородной прозрачной среде освещенность поверхности, создаваемая лазером, практически не зависит от расстояния до источника света. Как это объяснить?
2. Почему для точного определения показателя преломления вещества пользуются не белым светом, а монохроматическим?
3. Луч белого света переходит из стекла в воздух. Как расположатся преломленные лучи различных цветов по отношению к перпендикуляру, проведенному к границе сред в точке преломления луча?
4. Для каких лучей — красных или фиолетовых — будет больше главное фокусное расстояние собирающей линзы? рассеивающей?
5. На белом листе красным фломастером написано «отлично» и зеленым — «хорошо». Через какое стекло — зеленое или красное — можно разглядеть оценку «отлично»?
6. Длина волны красного света в воде равна длине волны зеленого света в воздухе. Какой цвет увидит человек под водой, если ее осветить красным светом?
7. Если две волны интерферируют друг с другом, то влияет ли одна волна на распространение другой?
8. Можно ли возникновение стоячих волн считать частным случаем интерференции?
9. По мыльной пленке, расположенной вертикально, цветные интерференционные полосы будут с течением времени смещаться вниз, меняя свою ширину. Отчего это происходит?
10. Отчего во время полного солнечного затмения на поверхности Земли наблюдаются чередующиеся широкие полосы — скользящие тени?
11. Чем меньше отверстие, тем более отчетливое изображение предмета можно получить с его помощью. Но при очень малом размере отверстия резкость изображения вновь падает. Почему?
12. В чем причина того, что частицы размером 0,3 микрометра уже не различимы в микроскоп?

Микроопыт

В кусочке алюминиевой фольги сделайте бритвой разрез длиной 3-5 см. Посмотрите одним глазом сквозь щель на матовую лампочку. Что вы будете наблюдать? Объясните картину.

Любопытно, что…

...в мемуаре «Мысли о лучевых колебаниях», опубликованном в 1846 году, М. Фарадей поставил вопрос: не имеют ли колебания, которые составляют свет, отношения к электрическим и магнитным силовым линиям? Однако еще в 1832 году Фарадей высказал предположение о свете как о распространении магнитного возмущения с конечной скоростью. Но письмо с изложением гипотезы лежало запечатанным в Архиве Королевского общества до 1938 года.

...факт исключительной важности о независимости скорости света от движения источника света был установлен в 1887 году с помощью интерферометра, созданного А. Майкельсоном.

Что читать о световых волнах в «Кванте»

1. «Дифракция волн» — 1986, № 1, с. 27;
2. «А что будет, если...?» — 1986, № 12, с. 9;
3. «Поляризация света» — 1987, № 1, с. 34;
4. «Дифракционной решетке — 200 лет» — 1987, № 4, с. 37;
5. «Как однажды Жак-звонарь головой сломал фонарь...» — 1987, № 12, с. 32;
6. «Интерференция и интерферометры» — 1988, № 1, с. 39;
7. «О рассеянии, или Как измерить жирность молока» — 1988, № 8, с. 8.

Ответы

1. Свет, испускаемый лазером,— почти строго параллельные лучи.
2. Для разных длин световых волн показатели преломления вещества различны.
3. Ближе к перпендикуляру — красный луч, дальше всех — фиолетовый.
4. Для любой линзы главное фокусное расстояние больше (по модулю) для красных лучей.
5. Зеленое.
6. Красный, поскольку при переходе из одной среды в другую частота света, определяющая цвет лучей, не изменяется.
7. Нет, поскольку сама интерференция — следствие принципа суперпозиции, согласно которому фронты волн, «проникающих» одна в другую, взаимно не деформируются.
8. Да, так как прямая и обратная волны когерентны.
9. Из-за стенания воды нижняя часть пленки утолщается, а верхняя становится тоньше. Поэтому соответствующие интерференционные полосы смещаются.
10. Из-за дифракции на краях Луны на поверхности Земли появляется интерференционная картина.
11. Начинают сказываться дифракционные явления.
12. См. ответ к задаче 11.

Микроопыт

В щель будут видны темные дифракционные полосы: четкая полоса в центре и ряд более слабых боковых.