Свет внутри прозрачной среды
Сравни длину волны, скорость и время при неизменной частоте.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Монохроматический свет, постоянный фазовый показатель. Расчёт времени d/v — идеализированная недиспергирующая среда; границы неподвижны.
История моделей: наблюдение проверяет объяснение
Прямолинейное распространение и тень удобно описываются лучами. Интерференция и дифракция требуют волнового описания. Электромагнитная теория объединяет свет с другими волнами поля, а квантовые явления позже потребовали учитывать порционный обмен энергией.
Модели отвечают на разные вопросы. Луч не является материальной нитью, а синусоида поля не изображает траекторию фотона. Выбор описания определяется наблюдаемым явлением и нужной точностью, а не желанием объявить одну картинку универсальной.
Наблюдение
Тень, интерференция, взаимодействие
Подходящая модель
Лучи, волны или кванты
Проверка
Сопоставление с измерениями
Геометрическая, волновая и квантовая оптика имеют разные области применения.
Почему для обычной тени часто достаточно лучей?
Размеры препятствий обычно намного больше длины волны, и дифракционные отклонения малы вдали от границ тени.
Скорость: вакуум и прозрачная среда
В вакууме свет распространяется со скоростью c. Абсолютный показатель преломления n = c/vф связывает её с фазовой скоростью в среде. Для обычной прозрачной оптики n > 1, поэтому фазовая скорость меньше c.
Свет не перестаёт быть электромагнитным при попадании в стекло: поле взаимодействует с веществом. Для импульсов и сильно диспергирующих сред нужно различать фазовую и групповую скорости; простая школьная модель считает n постоянным для выбранного цвета.
Показатель
n = c/vф
Скорость
vф = c/n
Пример n = 1,5
vф ≈ 2,00·10⁸ м/с
Показатель преломления характеризует распространение в среде и может зависеть от частоты.
Меняется ли фундаментальная скорость c при внесении стекла?
Нет. Меняется скорость распространения в веществе, а c остаётся скоростью света в вакууме.
Солнечный спектр после прохождения стекла
Разные спектральные составляющие могут разделяться из-за дисперсии. Стекло меняет направления распространения; частоты на неподвижных границах сохраняются.
Pittigrilli · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Преломление света линзой
Собирающая линза меняет направления лучей. Точное схождение зависит от положения предмета и ограничений параксиальной модели.
白露为霜 at Chinese Wikipedia · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Граница: частота сохраняется, длина меняется
При прохождении неподвижной границы частота света сохраняется: колебания по обе стороны должны согласовываться во времени. Поскольку v = λν, уменьшение скорости приводит к уменьшению длины волны. Для среды λ = λ₀/n, где λ₀ — вакуумная длина волны.
Свет с λ₀ = 600 нм в среде n = 1,5 имеет λ = 400 нм, но его частота остаётся 5·10¹⁴ Гц. Нельзя объявить такой свет «фиолетовым» только из-за числа 400 нм внутри стекла: цвет обычно связывают с частотой или вакуумной длиной волны.
| Величина | На неподвижной границе |
|---|---|
| Частота ν | Сохраняется |
| Скорость v | Может измениться |
| Длина волны λ | Меняется вместе со скоростью |
| Направление | Может измениться при наклонном падении |
Уменьшение длины волны в стекле не означает изменения частоты источника.
Что нужно уточнить возле значения длины волны?
В какой среде она измерена; обозначение λ₀ обычно относится к вакууму.
Модель: один источник и разные расстояния между фронтами
Интерактив сравнивает волну в вакууме и в среде. Меняй n и вакуумную длину волны: частота определяется источником, а шаг пространственного рисунка в веществе сокращается. Масштаб рисунка не воспроизводит нанометры в натуральную величину.
Для вычисления времени в однородном образце толщины l при нормальном прохождении t = nl/c. Например, для 0,30 м и n = 1,5 время около 1,5 нс. Дополнительная задержка по сравнению с вакуумом составляет 0,5 нс.
Найти частоту источника
ν = c/λ₀
Учесть среду
v = c/n, λ = λ₀/n
Найти время
t = l/v
Расчёт скорости, длины волны и частоты должен удовлетворять v = λν в каждой среде.
Почему время прохождения нельзя найти по одной частоте?
Нужно знать расстояние и свойства среды, определяющие скорость.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 14. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 14. Электромагнитная природа света.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.