Введение в волновую оптику

ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ВВЕДЕНИЕ
В ВОЛНОВУЮ ОПТИКУ

Н. Н. Васильев

УДК 535.12+535.41/.42
ББК 22
В19

Р е ц е н з е н т ы: д-р физ.-мат. наук, зав. каф. методики обучения физике
А. В. Ляпцев (РГПУ им. А. И. Герцена); канд. физ.-мат. наук,
доц. каф. электроники твердого тела Е. А. Денисов (С.-Петерб.
гос. ун-т)

Рекомендовано к печати
Методическим советом Академической гимназии
Санкт-Петербургского государственного университета

В19
Васильев Н. Н.
Введение в волновую оптику: учебное пособие.— СПб.:
Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2016. — 38 с.

ISBN 978-5-288-05652-9

Учебное пособие создано на основе многолетней практики преподавания дисциплины «Экспериментальная физика» в Академической гимназии. В пособии излагаются основы электромагнитной теории света, интерференции и дифракции с позиций эксперимента, поэтому громоздкий
математический аппарат сведён к минимуму и упор сделан на приближения, оценки и масштаб оптического диапазона электромагнитных волн.
Обстоятельно рассмотрены методы зон Френеля и векторных диаграмм,
позволяющие количественно описать дифракционную картину высокой
симметрии. Определены дифракция Френеля и её предельный случай —
дифракция Фраунгофера. Обозначена граница применимости геометрической оптики.
Пособие предназначено для учащихся выпускных классов школ физико-математического профиля и первых курсов нефизических специальностей университетов. Оно будет полезно для преподавателей указанных образовательных учреждений при организации лабораторных работ
по оптике.

ББК 22

ISBN 978-5-288-05652-9

c⃝
Санкт-Петербургский
государственный
университет, 2016

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие призвано способствовать более глубокому
пониманию и усвоению теоретического материала по волновой оптике, излагаемого в школьных учебниках для физико-математических классов и типовых учебниках для нефизических специальностей высших учебных заведений. Излагаемый ниже материал не
может заменить посвящённые волновой оптике главы в учебниках
по общей физике и является дополнением к этим разделам. В то же
время автор надеется, что изложение нетривиальной теории волновых процесов с точки зрения экспериментатора поможет ответить
на частные и вполне конкретные вопросы, которые непрерывно возникают у пытливого учащегося. В результате накопления некоторой «критической массы» таких моментов озарения обязательно
наступает время, когда абстрактная теория становится вполне зримой и ощутимой.
При подготовке учебного пособия автор опирался на личный
многолетний опыт преподавания раздела «Волновая оптика» учебной дисциплины «Экспериментальная физика» в Академической
гимназии Санкт-Петербургского государственного университета.
В связи со спецификой подачи материала читатель не найдёт ссылок на использованную литературу, так как невозможно перечислить все издания, которые использовались при написании этой работы. Тем не менее нельзя не упомянуть по крайней мере одну книгу — это «Волновая оптика» (5-е изд., 2008) замечательного профессора физического факультета ЛГУ (СПбГУ) Николая Ивановича
Калитеевского.

§ 1. Электромагнитные волны.
Оптический диапазон электромагнитных волн

Для объяснения ряда оптических явлений (интерференции, дифракции, поляризации) свет можно представить как электромагнитные волны, свойства которых описываются при помощи классической электромагнитной теории Максвелла. В рамках этой теории
под светом подразумевается электромагнитное излучение, испускаемое при колебаниях заряженных частиц — электронов, входящих
в состав атомов и молекул.
Каждый атом (или молекула) испускает электромагнитную волну, весьма близкую к монохроматической. В такой волне колебания
напряженностей электрического и магнитного полей происходят по
гармоническому закону с некоторой частотой ν, величина которой
определяется как природой самого атома, так и условиями его возбуждения, то есть способом сообщения атому энергии, необходимой
для возникновения колебаний электрона.
На рисунке 1 показано положение оптического (светового) диапазона частот относительно диапазонов других видов электромагнитных волн. Оптический диапазон включает в себя инфракрасное,
видимое и ультрафиолетовое излучения. Общим для этих излучений является то, что все они регистрируются оптическими методами: при помощи тепловых датчиков, фотопластинок, фотоэлементов. Видимая часть излучения, кроме того, воспринимается органами зрения живых организмов. Пучками света можно управлять
при помощи приборов, основанных на законах отражения и преломления: зеркал, линз, призм и т. д.
Электромагнитная волна является поперечной: векторы напряженностей электрического (−→
E ) и магнитного (−→
H) полей в ней перпендикулярны направлению распространения волны, а также друг

4