Атомная физика | Физические законы механики | Термодинамика | Электричество | Магнетизм | Оптика | Молекулярная физика | Физмат.ру
Математика 1 семестр | Математика 2 семестр | Математика 3 семестр | Математика 4 семестр | Интегралы | 1 курс

Законы геометрической оптики начало

 

Отражение света. Плоское зеркало

Отражение света происходит на границе сред с различными (фазовыми) скоростями распространения волны. Особый интерес представляет собой граница металл - вакуум. Внутри металла распространение света, вообще говоря, невозможно.

Рассмотрим процесс отражения света от зеркальной металлической поверхности подробнее.

Сложности при анализе оптических явлений возникают из-за сложности самих процессов. По мере углубления их анализа нам будет необходимо учитывать все больше разного рода тонкостей и особенностей. К таковым относится, например, поляризация света.

Мы говорили, что электромагнитная (световая) волна называется поперечной - в ней колеблющееся электрическое поле направлено перпендикулярно лучу, перпендикулярно направлению распространения света. При этом возникает достаточно много разных возможностей изменения направления вектора электрического поля вдоль луча света, типов поляризации. Простейшим является случай линейно или плоско поляризованного света, когда направление вектора  в некоторой точке или вдоль направления распространения остается неизменным. Им мы пока и ограничимся. Более того, будем считать вектор  направленным перпендикулярно плоскости чертежа, параллельно поверхности зеркала. В этом случае (согласно граничным условиям для вектора электрического поля) вблизи зеркальной поверхности  равно нулю, что существенно упрощает наши рассуждения. А рассуждения наши будут такими.

В направлении от точки A к точке B’ распространяется электромагнитная волна, встречающая на своем пути металлическое зеркало. Под действием электрического поля в металле возникает ускоренное (колебательное) движение электронов, и в результате возникает вторичное излучение. Результирующая волна (или волны) есть результат сложения (суперпозиция) волны, пришедшей от точки A, и волны, которая излучается электронами зеркала. Эта последняя такова, что справа от зеркала электрическое поле равно нулю - колебания этих двух волн противоположны по фазе, они “гасят” друг друга.

 

 A                      A’

 

 

         1

         2   

               C

    B                   B’

Вспомним результат, который мы получили для излучения цепочки непрерывно расположенных точечных источников - при линейном изменении фазы колебаний вдоль цепочки излучение происходит под некоторым отличном от /2 направлении. При “косом” падении волны на поверхность зеркала фаза колебаний электронов, естественно, изменяется от точки к точке - расстояния от источника света до этих точек различны. Поэтому и вторичная волна, излучаемая колеблющимися электронами, направлена под некоторым углом к норамали к поверхности зеркала. И именно под тем, под которым она на него падает.

Можно быть уверенными, что справа и слева от зеркала излучение колеблющихся электронов симметричны. Излучаемая вправо волна гасит исходную волну, а излучаемая влево как раз и является волной отраженной. Как мы видели, фаза этой волны должна быть противоположна фазе волны падающей.

Волну, идентичную отраженной, мы могли бы получить поместив в точку A’ такой же источник света как в A, но излучающий волну с  противоположной фазой. И этом случае в плоскости зеркала (в плоскости симметрии) напряженность электрического поля равна нулю - такие волны “гасят” друг друга в плоскости симметрии, в плоскости зеркала. Амплитуда электромагнитных колебаний равна нулю.

При взаимодействии электромагнитной волны с веществом с этим последним взаимодействует именно электрическое, а не магнитное поле. Поэтому, если из точки A’ происходит излучение волны с противоположной фазой и мы просто уберем зеркало, картина колебаний не изменится.

В связи с изменением фазы колебаний при отражении от зеркала на  вводится новый для нас термин - “потеря полуволны”. Он будет достаточно понятен, если вспомнить, что при распространении волны в отстоящих на /2 точках колебания происходят в противофазе.

Закон отражения утверждает, что при отражении света луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности зеркала в точке отражения лежат в одной плоскости. При этом угол падения равен углу отражения - 1 = 2. Этот закон можно считать следствием принципа Ферма: длина ломаной ACB, равная длине отрезка A’B, представляет собой минимальный путь между точками A и B для распространения света с отражением от зеркала. При смещении точки отражения C вверх или вниз длина пути увеличивается.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ.

Введение.

Предмет и задачи курса физики для химиков. Место физики среди других наук.

Понятие пространства и времени и их свойства в классической физике. Материя и движение.  Две формы существования материи – вещество и поле.

Предмет механики. Классическая механика, релятивистская механика, квантовая механика и их взаимная связь.

Физические модели: материальная точка, абсолютно твердое тело, абсолютно упругое тело. Относительность движения. Система отсчета.

Кинематика материальной точки.

Перемещение и длина пути. Скорость. Разложение вектора скорости по базисам ортов декартовой системы. Сложение скоростей. Кинематика поступательного движения материальной точки и твердого тела. Равномерное и равнопеременное движение. Расчет пути. Общий случай движения частицы. Кривизна траектории и радиус кривизны.

Число степеней свободы для материальной точки и системы из многих точек.

Ускорение. Разложение вектора ускорения по базисам ортов декартовой системы. Тангенциальное и нормальное (центростремительное) ускорение .

Кинематика вращательного движения. Линейная и угловая скорости. Период обращения. Ускорение при неравномерном вращении. Связь линейных и угловых величин.

Основы динамики.

Законы Ньютона и их физическое толкование. Виды сил в механике. принцип независимости действия сил. Применение законов Ньютона к системе материальных точек. Центр масс системы и его движение.

Механическая работа и мощность. Работа консервативных и неконсервативных сил. Энергия кинетическая и потенциальная. Примеры расчета потенциальной энергии для различных взаимодействий. Закон сохранения энергии в механике. 

Вращение тела вокруг неподвижной оси. Момент импульса. Момент силы. Кинетическая энергия вращательного движения. Момент инерции для материальной точки и момент инерции системы материальных точек и сплошного твердого тела. Центральные главные оси инерции и главные моменты инерции тела. Кинетическая энергия вращения, выраженная через главные моменты инерции и соответствующие угловые скорости.

Волчки: сферический, симметрический, асимметрический. Ротатор. Моменты инерции симметричных тел разной формы. Теорема о параллельных осях (теорема Штейнера). Приложения к химии: момент инерции молекул. Модель жесткого ротатора для двухатомной молекулы. Приведенная масса. Число степеней свободы вращательного движения для молекул.

Аналитическое выражение основного закона динамики для вращательного движения. Момент силы и закон изменения момента импульса. Работа и мощность при вращательном движении твердого тела.

Законы сохранения в механике. Понятие замкнутой системы (изолированной системы) в механике. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Закон сохранения момента импульса. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии. Законы сохранения и свойства симметрии пространства – времени.

Деформации и напряжения в твердых телах. Основы механики деформируемых твердых тел. Виды деформаций и их количественные характеристики. Закон Гука. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Энергия упругих деформаций.

Распределение молекул идеального газа по импульсам и скоростям (распределение Максвелла). Вычисление средней арифметической, средней квадратичной и наиболее вероятной скоростей. Теорема Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекулы. Внутренняя энергия идеального газа - расчет через число степеней свободы его молекул. Классическая теория теплоемкости идеального газа и ее недостатки. Средняя длина свободного пробега и среднее число столкновений молекул идеального газа в единицу времени. Газокинетический диаметр молекул и его зависимость от температуры.