Реферат по предмету "Физика"


Вывод и анализ формул Френеля на основе электромагнитной теории Максвелла

Постановка задачи Пусть имеются две диэлектрические среды 1 и 2 , с электрической и магнитной проницаемостью и соответственно. Из среды 1 в 2 падает плоская монохроматическая волна (границу раздела будем считать плоской).При переходе через границу раздела волна разделится на две части : отраженную волну (в среде 1) и преломленную волну (в среде 2) , необходимо выяснить соотношения между углами и , а также между интенсивностями падающей и отраженной волн (рис 1).
рис.1 Данная волна должна представлять собой точное решение уравнений Максвелла : и (1) (учитывая , что среда диэлектрическая , т.е. ) для плоской монохроматической волны точное решение этих уравнений будет (если оси Х направить в сторону распространения волны): и (==0) (2) где A и B , и , - постоянные (не зависят от времени и координаты) , и - характеристики среды , в которой распространяется волна , , t - рассматриваемый момент времени x - рассматриваемая координата на оси Х V - скорость распространения волны в данной среде (естественно , в силу линейности уравнений Максвелла любая сумма таких волн будет также их точным решением ) Также она должна удовлетворять условиям на границе раздела : и не терпят разрыва на поверхности раздела , и также не терпят разрыва , поскольку на границе раздела не течет ток и нет поверхностной плотности заряда: (3) (индексом 1 обозначаем все , относящееся к первой среде , индексом 2 - ко второй) Таким образом , необходимо построить точное решение уравнений (1) , удовлетворяющих условиям (3). Для этого рассмотрим два случая : случай ТМ -волны (р-волны ) - вектор перпендикулярен плоскости падения (трансверсальная магнитная) , и случай ТЕ-волны (s-волны)- вектор перпендикулярен плоскости падения (трансверсальная электрическая). Любая плоская волна (с любой поляризацией) может быть представлена как линейная комбинация двух таких волн. Случай ТМ -волны (p - волны) рис.2 Из рисунка видео , что , запишем условия равенства на границе раздела : ( учитывая , что волна в среде 1 есть сумма падающей и отраженной волн) подставляем значения: подставляем из (2) : Аналогично , поскольку получаем для вектора на границе раздела: ( c учетом (2) ) для выполнения равенств для и потребуем равенства аргументов косинусов : потребуем также равенства начальных фаз: из рисунка видно , что : , (4) (,и - соответственно : угол падения , угол отражения и угол преломления ) , тогда имеем : из равенства аргументов получаем : (т.к. , ) т.е. получены , как и следовало ожидать , законы отражения и преломления света разделим теперь выражения дляи на , получим (c учетом (4) ) следующую систему : (5) здесь неизвестными являются и , а - заданно. Умножим первое уравнение на а второе на и вычтем из первого второе , тогда члены с сократятся и получим:
поскольку для неферромагнетиков магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы , то для сравнительно широкого класса сред можно считать , тогда:
. ( разделим числитель и знаменатель на , и учтя , что ) применив закон преломления , получим (6): из второго уравнения системы (5) получаем для : (поскольку полагаем ,) , тогда: (7) проверим теперь выполнение еще двух условий на границе раздела ,которые мы не учли - и . Второе равенство выполняется заведомо , поскольку , проверим первое равенство : из рисунка видно , что , а подставим значения , и ( из 2) , сократив сразу на , и учитывая (4) : (выражая через второе уравнение системы (5) ) Таким образом действительно получено точное решение уравнений (2) , удовлетворяющее всем начальным условия. Итак , имеем следующие формулы Френеля для случая s-волны для отражения и преломления (из (6) и (7) ): и Случай ТЕ -волны ( s - волны) рис.3 Из рисунка видно , что Условия (3) для и : подставляя значения и из (2) получим : как и в случае ТМ-волны предполагаем равенство аргументов косинусов и совершенно аналогично получаем в этом случае закон отражения и преломления света , сокращая на и с учетом (4) получим систему : (8) умножим первое уравнение на а второе на и вычтем из первого второе : поскольку мы полагаем (см. выше) то (9) из второго уравнения системы (8) получаем: (10) проверим теперь неучтенные условия на границе раздела : и . Второе условие выполняется , поскольку , проверим выполнение равенства : из рисунка видно , что , а подставим значения , и ( из 2) , сократив сразу на , и учитывая (4) получим : подставляем из второго уравнения системы (8) : таким образом мы действительно нашли точное решение уравнений (2) , удовлетворяющее всем начальным условиям . В случае p-волны имеем следующие формулы Френеля для отражения и преломления (из (9) и (10)) и Анализ формул Френеля Исследуем отношения энергий (точнее плотности потока энергий ) падающей и отраженной ТМ и ТЕ волн и падающей и прошедшей волн в зависимости от угла падения . Для этого рассмотрим отношение нормальной составляющей вектора Пойтинга падающей и отраженной ( и в случае ТМ и ТЕ волн соответственно) и падающей и прошедшей ( и ) волн. Тогда с из полученных формул Френеля для отражения и преломления , с учетом (2) будем иметь: А. Отражение
Исследуем сначала поведение и на границах отрезка : при (просто положить равным нулю нельзя , потому что будет неопределенность ):
для случая падения из воздуха в стекло () : т.е. это величина порядка нескольких процентов (можно заметить , что если поменять среды местами - т.е. рассматривать падение из воды в воздух , то это значение не изменится) В случае падения из оптически менее плотной среды в оптически более плотную при: Действительно, преломленной волны при скользящем падении не образуется и интенсивность падающей волны не меняется. В случае падения из оптически более плотной среды в оптически менее плотную , необходимо учесть явление полного внутреннего отражения , когда прошедшей волны нет - вся волна отражается от поверхности раздела. Это происходит при значениях больших , чем , вычисляемого следующим образом: [1][к1] Для падения из стекла в воздух Здесь не рассматривается полное внутреннее отражение , поэтому в случае падения из оптически более плотной среды в оптически менее плотную изменяется до , в этом случае: Далее исследуем поведение этих функций между крайними точками , для этого исследуем на монотонность функции: и Нам понадобится производная , найдем ее как производную функции , заданной неявно : Знак этой производной ( поскольку , ) зависит только от знака выражения , это выражение > 0 , когда (то есть падение из оптически мене плотной среды в оптически более плотную ) и (из более оптически плотной в менее оптически плотную ) , следовательно в первом случае монотонно возрастает, а во втором , убывает . Но в случае , следовательно по модулю это выражение будет возрастать , в случае оно также будет по модулю возрастать . Таким образом , , как квадрат этого выражения , в обоих случаях монотонно возрастает от при до 1 при .или. Знак этой производной ,( поскольку , есть >0 при и . Знак функции меняется следующим образом : при если невелико>0 , но эта функция проходит через нуль. Поскольку числитель , при рассматриваемых пределах изменения в 0 обращаться не может[2][к2] это происходит тогда , когда знаменатель обращается в бесконечность т.е.: Это есть угол Брюстера () , при котором обращается в 0 , то есть отраженная волна отсутствует . Для случая падения из воздуха в стекло , для обратного случая (из стекла в воздух) При переходе через этот угол меняет знак на минус , следовательно как квадрат этой функции сначала убывает (до нуля) , а затем возрастает (до 1). При для небольшихзнак будет меняться на плюс. Переход через действительно будет иметь место , хотя изменяется до ,а не до , поскольку . Таким образом снова монотонно убывает до 0 , а затем монотонно возрастает до 1.
Итак , в обоих случаях сначала монотонно убывает от при до 0 при , а затем монотонно возрастает до 1 при или .
Полученные зависимости иллюстрируются следующими графиками : на первом показана зависимость (сплошная линия) и (пунктирная линия) от для случая падения волны из воздуха в стекло (n=1.51) на втором -для случая падения волны из стекла в воздух В. Преломление Для анализа поведения и воспользуемся следующим соображением - падающая волна на границе раздела разделяется на две - прошедшую и отраженную , причем энергия падающей волны (энергия , переносимая волной через границу раздела сред) уходит в энергию отраженной и преломленной волн (поскольку никаких других источников нет). Поэтому , поскольку коэффициент показывает отношение энергии прошедшей волны к энергии падающей , - отношение энергии отраженной волны к энергии падающей в p-волне , а и - аналогичные отношения в s-волне , должны выполнятся соотношения : и Действительно , проверим это : рассмотрим отдельно числитель: таким образом действительно , аналогично Таким образом , используя предыдущее исследование , можно сказать , что : Для случая падения из воздуха в стекло (а можно заметить , что если среды поменять местами , то это значение не изменится ) Между этими точками и ведут себя противоположно и . Окончательно , монотонно возрастает от ( )до , а затем монотонно убывает до 0 ( при ) , монотонно убывает от до 0 (при тех же пределах изменения). Причем как для случая падения из менее оптически плотной среды , так и из более оптически плотной. Ниже на рисунке представлены графически зависимости для обоих этих случаев. С. Набег фаз при отражении и преломлении Из формул Френеля следует , что отношения ,,и могут в принципе получится и отрицательными . Поскольку амплитуда есть существенно положительная величина , в этом случае имеет место сдвиг фазы волны на . Далее выясним , когда такой сдвиг имеет место. В случае отраженной p-волны , как установлено в п. А , эта функция при n>1 больше 0 при и меньше 0 при , при n в отраженной p-волне наблюдается при , а в случае падения из более плотной в менее плотную - при. В случае отраженной s-волны , эта функция меньше 0 при и больше 0 в противном случае. Таким образом , сдвиг фаз на в отраженной s-волне наблюдается при падении из менее оптически плотной среды в более плотную , и не наблюдается при падении из более плотной среды в менее плотную. В случае произвольно падающей линейно поляризованной волны , которая представляется в виде суммы p и s-волн , в отраженной волне , таким образом , можно получить , в общем случае волну произвольной (эллиптической) поляризации . Для исследования сдвига фаз в прошедшей волне , воспользуемся соотношениями , возникшими как промежуточные результаты при выводе (7) и (10) : и из этих соотношений видно , что , поскольку и , то всегда и . То есть , в прошедшей волне изменения фазы не происходит (причем это верно для волн произвольной поляризации).
Дополнительная литература: Cивухин Д.В. “Общий курс физики. Оптика” , Москва , “Наука”,1985г. Савельев И.В. “Курс общей физики” , том 2 , Москва , “Наука” , 1979г. [1] -здесь под n понимается показатель преломления той среды , куда падает луч относительно той , откуда он падает , в оптике в этом случае под n понимают показатель преломления оптически более плотной среды относительно оптически менее плотной , т.е. в этом случае в этой формуле стоит
[2]-- числитель также не может обращаться в бесконечность , поскольку это возможно только в случае , но в этом случае , а это невозможно т.к. и [к1]-здесь под n понимается показатель преломления той среды , куда падает луч относительно той , откуда он падает , в оптике в этом случае под n понимают показатель преломления оптически более плотной среды относительно оптически менее плотной , т.е. в этом случае в этой формуле стоит [к2]


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.