Распространение волн. Наложение волн. Когерентность: Лекция 2

Распространение волн. Когерентность и интерференция

image.png Электромагнитные волны - колебания напряженностей электрических и индукции магнитных полей. По классическим представлениям, источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды. По частоте подразделяются на: радиоволны (примерно до 10^{10} Гц), тепловые (инфракрасные) лучи ( 10^{11}-10^{14} Гц), видимый свет (от 4 \cdot 10^{14} Гц до 8 \cdot 10^{14} Гц), ультрафиолетовое 10^{15} Гц), рентгеновское ( 10^{16}-10^{19} Гц) и гамма ( 10^{20} Гц и выше) излучения. Внутри этих диапазонов также выделяют различные поддиапазоны значений частоты. Наиболее знакомое нам разделение связано с цветоощущением. Действительно, различные видимые цвета отвечают определенным значениям длин волн электромагнитного излучения в оптическом диапазоне:

2 При изучении световых волн важно отметить, что частоты колебаний электромагнитных полей в них огромны, так что и наши глаза, и наши приборы при взаимодействии с волной «усредняют» результат взаимодействия по большому числу периодов. Интенсивность света (средняя энергия, проходящая через единицу площади волнового фронта за единицу времени) пропорциональна среднему значению от квадрата напряженности электрического поля в волне. Для монохроматической (гармонической) волны в вакууме с амплитудой колебания напряженности E_{m} интенсивность находится как произведение удвоенной плотности энергии электрического поля (удвоенной - потому что в волне есть еще и магнитное поле с такой же плотностью энергии), умноженное на скорость распространения волны и усредненное по времени (усреднение квадрата гармонической функции дает 1/2): I=2 \frac{\varepsilon_{0} E_{m}^{2}}{2} \cdot c \cdot \frac{1}{2}=\frac{1}{2} \varepsilon_{0} c E_{m}^{2} .

Обсудим наблюдаемые явления, связанные с волновой природой света. Очень важное свойство электромагнитных волн в вакууме - то, что скорость их распространения не зависит от выбора инерциальной системы отсчета. Этот факт экспериментально установлен с очень хорошей точностью, так что в современной метрологии скорость света в вакууме считается «метрологической константой», то ее значение считается точным, и используется для связи единиц измерения длины и времени в системе СИ (то есть единица измерения времени определена с помощью «атомного эталона», а единица измерения длины - через нее и скорость света). Исторически принцип постоянства скорости света был использован в качестве одной из исходных идей при построении СТО (специальной теории относительности) Альберта Эйнштейна. На самом деле мы понимаем, что принятие СТО потребовало от нас полного пересмотра принципов описания не только физики, но и геометрии, и представлений о природе времени. Идеи СТО и ее структура описаны в отдельном курсе. При изучении распространения света мы будем учитывать только факт одинаковости величины скорости света в вакууме во всех ИСО. При этом мы будем использовать формулы «обычной» физики (теоретики называют ee «нерелятивистской»), а не формулы СТО. Из-за этого в наших результатах будут ошибки порядка квадрата отношения скорости изучаемых тел к скорости света в вакууме.

Понимая это, мы будем учитывать в результатах только поправки порядка первой степени этого отношения - в этом случае наше ответы будут правильны (с этой точностью).

Посмотрим на первое следствие.