- •Билет №1.
- •1. Периодические процессы. Гармонические колебания. Дифференциальное уравнение гармонического осциллятора и его решение.
- •2. Распространение света
- •Принцип Гюйгенса
- •Физический маятник
- •Математический маятник.
- •Электромагнитная волна на границе раздела сред.
- •Коэффициенты отражения и пропускания.Геометрическая оптика.
- •Когерентность. Длина и ширина когерентности.
- •Интерференция света. Условия максимума и минимума. Оптическая разность хода.
Электромагнитная волна на границе раздела сред.
Выясним,
как ведет себя электромагнитная волна
при падении на границу раздела двух
однородных изотропных прозрачных
диэлектриков. Пусть магнитная
проницаемость обоих диэлектриков
.
Для установления основных закономерностей
достаточно ограничиться рассмотрением
случая, когда плоская волна нормально
падает на плоскую границу раздела
диэлектриков с показателями преломления
и
.
Волна идет из среды с показателем
преломления
в среду с показателем преломления
.Обозначим
электрическую составляющую в падающей,
отраженной и преломленной волне
соответственно как
,
,
,
а магнитную составляющую как
,
,
.Ясно,
что колебания векторов
,
и
происходят
в одной плоскости.Это же относится и к
векторам
,
и
.
Направления распространения волн
обозначим волновыми векторами
,
,
.
На рис. показано поведение векторов
,
и
падающей, отраженной и преломленной
волны в непосредственной близости от
границы раздела.
Воспользуемся
граничными условиями для тангенциальных
составляющих векторов
и
.
Как известно из курса электромагнетизма,
тангенциальная составляющая векторов
и
не изменяется при переходе границы
раздела диэлектриков:
,
.Поскольку
вектора
и
располагаются в плоскости границы
раздела и перпендикулярны направлению
распространения, то и можно записать
для нашего случая как:
,
.
Тангенциальная составляющая вектора
(проекция на ось Y)
в первом диэлектрике складывается из
проекций на ось Y
векторов
падающей и отраженной волны:
,
а во втором диэлектрике равна проекции
вектора
прошедшей волны:
.Поскольку
поглощения энергии при переходе границы
раздела нет, тангенциальная составляющая
не изменяется, что позволяет нам,
приравняв и , записать:
Основываясь
на запишем аналогичное выражение для
вектора
:
.Согласно
соотношению между амплитудами векторов
и
(
),
а также приняв равными магнитные
проницаемости диэлектриков (
)
получаем следующие уравнения для
проекций вектора
во всех трёх волнах:
,
,
В
уравнении учтено то, что в отраженной
волне вектора
,
и
должны составлять правую тройку. Отсюда
и знак минус в уравнении .Учитывая
уравнения , выражение можно записать
так:
,
или
.
Из
этого видно, что:
Итак, мы получили систему из двух уравнений:
,
Решая систему, получим выражения для прошедшей и отраженной волны:
,
,или
то же в векторном виде:
,
.Таким
образом, мы получили выражения для
коэффициентов отражения и прохождения
электромагнитной волны:
,
Из
полученных выражений и следует, что:
1. Вектор всегда сонаправлен с вектором , т.е. оба вектора колеблются синфазно – при прохождении границы раздела сред фаза электромагнитной волны не претерпевает скачка.
2.
Если электромагнитная волна отражается
от среды с меньшим показателем преломления
(
),
то ее фаза не меняется. Если же волна
отражается от оптически более плотной
среды (
),
то дробь оказывается отрицательной, а
это говорит о том, что направление
вектора
противоположно направлению вектора
,
то есть колебания вектора
происходят в противофазе с колебаниями
вектора
,
т.е. при
отражении волны от оптически более
плотной среды ее фаза скачком изменяется
на .
Поскольку с потерей разности фаз в
связана потеря полволны в теории волн,
и в особенности в оптике, говорят, что
при отражении от более плотной среды
луч теряет полволны.
Билет№3.
Энергия гармонических колебаний
Собственные гармонические колебания возникают после того, как система выведена из положения равновесия. Если в системе нет трения, то после начального отклонения колебания будут продолжаться бесконечно долго. Другими словами, в начальный момент системе сообщается некоторое количество энергии, которое будет сохраняться системой в виде энергии колебаний. По закону сохранения энергии при гармонических колебаниях полная энергия остается постоянной, но кинетическая и потенциальная энергия, каждая в отдельности, совершают колебания во времени.
Рассмотрим энергию гармонического осциллятора на примере горизонтального пружинного маятника.
Колебания
будут происходить в направлении оси
X,
начало отсчета по которой совместим с
положением равновесия груза. При
отклонении груза на величину x
возникает упругая сила:
,
которая при растяжении пружины совершает
работу
Эта
работа накапливается в виде потенциальной
энергии, которая равна (с учетом того,
что работа внешних сил совершается
против упругой силы):
Если
грузик отпустить, то он, проходя положение
равновесия, будет обладать кинетической
энергией:
Найдем выражение для полной энергии Е
колебательной системы. Поскольку в
выражении используется производная
по времени от смещения, найдем эту
производную. Груз совершает гармонические
колебания, описываемые выражением:
.Тогда
скорость движения груза:
.Полная
энергия колебаний представляет собой
сумму потенциальной и кинетической
энергии:
Подставляя и, а также учитывая связь
между собственной частотой, массой и
коэффициентом жесткости, получим:
откуда
видно, что полная энергия может быть
выражена следующим образом:
.Рассмотрим
энергию электромагнитных колебаний в
контуре. Полная энергия складывается
из энергии Ee
электрического поля в конденсаторе
(аналог потенциальной энергии П)
и энергии Em
магнитного поля в катушке индуктивности
(аналог кинетической энергии К).
Энергия электрического поля зависит от заряда конденсатора:
.Энергия
магнитного поля катушки зависит от
тока, протекающего через катушку:
.При
гармонических колебаниях заряд
изменяется следующим образом:
,соответственно,
выражение для изменения тока:
.
Запишем выражение для полной энергии:
Подставим сюда выражения и:
Учитывая
выражение, определяющее собственную
частоту колебательного контура, получаем
уравнение:
,
определяющее полную энергию колебаний
в контуре:
.Из
полученных выражений и видно, что полная
энергия любого гармонического осциллятора
пропорциональна квадрату амплитуды.
Кроме того, потенциальную и кинетическую
энергию можно выразить через полную
энергию:
,
.Энергия
при гармонических колебаниях переходит
без потерь из одного вида в другой,
причем оба вида энергии также совершают
колебания. Каждый из видов энергии
колеблется с частотой, вдвое большей
собственной.
Соотношение между видами энергии при колебаниях показаны на рис.
