Εισαγωγή στο φως

Το φως είναι απαραίτητο για όλες σχεδόν τις μορφές ζωής στη Γη. (Σήμεραγνωρίζουμε ότι) Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Μέσω του φωτός μεταφέρεται ενέργεια από την πηγή στον παρατηρητή.

Από τους κανόνες διάδοσης του φωτός σε μέσα με καθορισμένες ιδιότητες εξαρτώνται πολλά φαινόμενα.

Η παρακολούθηση της τηλεόρασης ή της οθόνης ενός υπολογιστή.

Το μπλε χρώμα του ουρανού, τα χρώματα του ουρανού κατά την ανατολή και τηδύση του ήλιου.

Τα είδωλα στους καθρέφτες.

Τα γυαλιά και οι φακοί επαφής για τη διόρθωση της όρασης.

Το ουράνιο τόξο.

Η φύση του φωτός

Α) Πριν από τις αρχές του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι το φωςήταν ροή σωματιδίων (Νεύτωνας).

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα σωματίδια εκπέμπονται από το παρατηρούμενοσώμα και κινούνται ευθύγραμμα.

Β) Christian Huygens (1678): το φως είναι ένα είδος κυματικής κίνησης.

Ανακαλύψεις που έγιναν κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα συνέβαλαν στηγενική αποδοχή του κυματικού μοντέλου του φωτός.

Ο Thomas Young απέδειξε (1801) ότι οι ακτίνες φωτός συμβάλλουν σύμφωναμε την αρχή της υπέρθεσης. Αυτή η συμπεριφορά δεν μπορούσε να ερμηνευτείμε βάση τη σωματιδιακή θεωρία.

Ο Maxwell ισχυρίστηκε ότι το φως είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματοςυψηλής συχνότητας.Ο Hertz επιβεβαίωσε τη θεωρία του Maxwell.

Christian Huygens

1629–1695

Είναι γνωστός για τη συνεισφορά τουστους τομείς της οπτικής και τηςδυναμικής.

Πίστευε ότι το φως είναι ένα είδοςταλάντωσης. Μια ταλάντωση η οποίαδιαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσειςκαι προκαλεί την αίσθηση του φωτόςόταν προσπίπτει στο μάτι.

Διατύπωσε τους νόμους της ανάκλασηςκαι της διάθλασης.

Εξήγησε το φαινόμενο της διπλήςδιάθλασης.

Σωματιδιακή φύση του φωτός

Ο ίδιος ο Herz, που ανίχνευσε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο εργαστήριο,ανακάλυψε και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Όταν φως προσπίπτει σε μεταλλικές επιφάνειες, τότε μερικές φορές οι επιφάνειεςεκπέμπουν ηλεκτρόνια. Η κινητική ενέργεια ενός εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου είναιανεξάρτητη από την ένταση του φωτός.

Το κυματικό μοντέλο του φωτός δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο.

Το 1905, ο Αϊνστάιν πρότεινε μια εξήγηση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενοχρησιμοποιώντας την έννοια της κβάντωσης.

Σύμφωνα με το μοντέλο της κβάντωσης του φωτός, η ενέργεια του κύματοςφωτός ενυπάρχει σε σωματίδια, τα οποία ονομάζονται φωτόνια.

Η ενέργεια το κάθε φωτονίου είναι: E = hƒ (το h είναι η σταθερά του Planck, ηοποία ισούται με 6.63 x 10-34 J.s).

Η διττή φύση του φωτός

Με βάση τα παραπάνω, πρέπει να θεωρήσουμε ότι το φως έχει διττή φύση.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, το φως παρουσιάζει χαρακτηριστικά κύματος,ενώ σε κάποιες άλλες παρουσιάζει χαρακτηριστικά σωματιδίου.

Σε αυτό το κεφάλαιο θα διερευνήσουμε την κυματική φύση του φωτός.

Μετρήσεις της ταχύτητας διάδοσης του φωτός

Επειδή το φως διαδίδεται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, οι πρώτες προσπάθειεςμέτρησής της ήταν ανεπιτυχείς.

Ο Γαλιλαίος προσπάθησε να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός χρησιμοποιώνταςδύο παρατηρητές που βρίσκονταν σε απόσταση 10 km ο ένας από τον άλλο (ο χρόνος αντίδρασης των παρατηρητών ήταν μεγαλύτερος από τον χρόνο διάδοσης τουφωτός).

Μέτρηση της ταχύτητας διάδοσης του φωτός – Η μέθοδος του Roemer

Το 1671-1675 ο Ole Roemer (Δανός Αστρονόμος)πραγματοποίησε αστρονομικές παρατηρήσεις καιεκτίμησε την ταχύτητα του φωτός.

Χρησιμοποίησε την περίοδο περιφοράς του δορυφόρουΙώ γύρω από τον πλανήτη Δία, κατά την περιφορά τούΔία γύρω από τον Ήλιο.

Οι περίοδοι περιφοράς ήταν μικρότερες/μεγαλύτερεςόταν η Γη πλησίαζε/απομακρυνόταν από τον Δία. Αυτότο φαινόμενο μπορούσε να εξηγηθεί αν το φως έχειπεπερασμένη ταχύτητα. Οι μετρήσεις του Ροεμερ έδινανεπίσης και μία πρώτη εκτίμηση για την ταχύτητα τουφωτός:

Μέτρηση της ταχύτητας διάδοσης του φωτός – Η μέθοδος του Fizeau

Η πρώτη επιτυχής μέθοδος για τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός με χρήσηαποκλειστικά επίγειων τεχνικών. Αναπτύχθηκε το 1849 από τον Armand Fizeau.

Ο Fizeau χρησιμοποίησε έναν περιστρεφόμενο οδοντωτό τροχό.

Η απόσταση, d, μεταξύ του τροχού (ο οποίος θεωρείται ότι είναι η πηγή) και ενόςκατόπτρου ήταν γνωστή.

Δt είναι το χρονικό διάστημα για μίαπλήρη διαδρομή (μετάβαση καιεπιστροφή).

Τότε, c = 2d / Δt.

Ο Fizeau υπολόγισε ότι το μέτρο τηςταχύτητας του φωτός είναι

c = 3.15 x 108 m/s

Γεωμετρική οπτική: κλάδος της Φυσικής πουμελετάει τον τρόπο διάδοσης του φωτός σε σώματαμε διαφορετικές “οπτικές ιδιότητες”.

Μέτωπο κύματος: είναι οι επιφάνειες στις οποίεςβρίσκονται τα σημεία ίσης φάσης όλων των κυμάτων.

Ακτίνες: ευθείες, οι οποίες είναι κάθετες στα μέτωπατου κύματος (δείχνουν προς την κατεύθυνσηδιάδοσης του κύματος).

Στην Γεωμετρική οπτική ισχύουν δύο παραδοχές (Προσέγγιση ακτίνων):

1) Όταν το φως διέρχεται μέσα από ένα ομογενές μέσο, διαδίδεται ευθύγραμμα. Ηκατεύθυνση διάδοσής του είναι η κατεύθυνση των ακτίνων του.

2) Αλλάζει κατεύθυνση διάδοσης όταν έρθει σε επαφή με την επιφάνεια ενόςδιαφορετικού μέσου ή όταν οι οπτικές ιδιότητες του μέσου μεταβάλλονται.

Η προσέγγιση των ακτίνων (ειδική περίπτωση)

Αν ένα κύμα με μήκος λ συναντήσει ένα πέτασμαμε οπή διαμέτρου d, και λ << d, τότε το κύμα πουεξέρχεται από την οπή συνεχίζει να κινείταιευθύγραμμα (ενδέχεται να υπάρχουν κάποιαανεπαίσθητα φαινόμενα στα χείλη της οπής).

Η συγκεκριμένη προσέγγιση είναι χρήσιμη στημελέτη κατόπτρων, φακών, πρισμάτων, κ.λπ.

Για οπές πολύ μικρού μεγέθους η παραπάνωπροσέγγιση δεν είναι σωστή και παρατηρούνται

άλλα φαινόμενα.

Ανάκλαση του φωτός

Πειραματικό δεδομένο: Μια ακτίνα φωτός (η προσπίπτουσα ακτίνα), διαδίδεταισε ένα μέσο. Όταν φτάσει στο όριο με ένα δεύτερο μέσο, τότε ένα μέρος τηςανακλάται και επιστρέφει στο πρώτο μέσο. Δηλαδή, μέρος του φωτός διαδίδεται“προς τα πίσω”, με κατεύθυνση προς το πρώτο μέσο.

Κατοπτρική ανάκλαση

Η ανάκλαση του φωτός σε μια λείαεπιφάνεια ονομάζεται κατοπτρικήανάκλαση. (Λεία επιφάνεια: μέγεθοςατελειών στην επιφάνεια είναι πολύμικρότερο από λ).

Οι ανακλώμενες ακτίνες είναιπαράλληλες μεταξύ τους και βρίσκονταιστο ίδιο επίπεδο με τις προσπίπτουσεςακτίνες (αυτό το επίπεδο είναι κάθετοπρος την ανακλαστική επιφάνεια).

Θα μελετήσουμε φαινόμενα όπου όλεςοι ανακλάσεις είναι κατοπτρικές.

Διάχυτη ανάκλαση

Η ανάκλαση του φωτός σε μια τραχιάεπιφάνεια ονομάζεται διάχυτηανάκλαση.

Οι ανακλώμενες ακτίνες διαδίδονταιπρος διάφορες κατευθύνσεις.

Ο νόμος της ανάκλασης

Η προσπίπτουσα ακτίνα σχηματίζει γωνίαθ1 με την κάθετο. Η ανακλώμενη ακτίνασχηματίζει γωνία θ1΄ με την κάθετο (“κάθετος” ονομάζεται ευθεία που είναι κάθετηστην επιφάνεια, στο σημείο όπου η προσπίπτ-ουσα ακτίνα έρχεται σε επαφή μαζί της. Ηπροσπίπτουσα, η ανακλώμενη ακτίνα και ηκάθετος βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.).

ΝΟΜΟΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ (ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΔΕΔΟΜΕΝΟ):

Η γωνία ανάκλασης είναι ίση με τη γωνίαπρόσπτωσης: θ1΄= θ1

Σημείωση για τον συμβολισμό: Ο δείκτης 1αναφέρεται σε παραμέτρους του φωτός στοαρχικό μέσο διάδοσής του. Αν το φως περάσεισε κάποιο άλλο μέσο, χρησιμοποιούμε τονδείκτη 2 για τις παραμέτρους στο νέο μέσο.

Διάθλαση του φωτός

Όταν μια ακτίνα φωτός που διαδίδεται σε ένα μέσο φτάσει στο όριο κάποιουάλλου διαφανούς μέσου, τότε ένα μέρος της ενέργειάς της ανακλάται και τουπόλοιπο εισέρχεται στο δεύτερο μέσο.

Η ακτίνα που εισέρχεται στο δεύτερο μέσο αλλάζει κατεύθυνση στο όριο μεταξύτων δύο μέσων. Αυτή η εκτροπή της ακτίνας ονομάζεται διάθλαση.

Οι ανακλώμενες και οι διαθλώμενες ακτίνες

Η ακτίνα είναι η προσπίπτουσα ακτίνα.

Η ακτίνα είναι η ανακλώμενη ακτίνα.

Η ακτίνα διαθλάται στο πλεξιγκλάς.

Η ακτίνα ανακλάται εσωτερικά στο πλεξιγκλάς.

Η ακτίνα διαθλάται καθώς εξέρχεται από τοπλεξιγκλάς και εισέρχεται στον αέρα.

Διάδοση του φωτός στο εσωτερικό ενός διάφανου μέσου(δηλαδή μέσω ενός υλικού που επιτρέπει την ευθύγραμμη διάδοση τουφωτός, χωρίς σημαντική απορρόφηση).

Έστω φως που εισέρχεται σε γυαλί (διάφανομέσο) από τα αριστερά.

Το φως μπορεί να συναντήσει ένα (δέσμιο)ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο ενδέχεται νααπορροφήσει το φως, να ταλαντωθεί (ναλειτουργήσει ως “διπολική κεραία”), και να τοεκπέμψει ξανά.

Το φως διαδίδεται από το ένα άτομο στο άλλο μεταχύτητα c. Όμως, η συνεχής απορρόφηση καιεκπομπή μειώνουν τη μέση ταχύτητα διάδοσης του φωτός μέσα στο υλικό.

Συχνότητα φωτός σε διαφορετικά μέσα

Υποθέτουμε διάδοση φωτός σε διάφανο μέσο.

Αφού αλλάζει η ταχύτητα διάδοσης, u, και αφού για κύματαισχύει ότι: λf=u, τότε τι αλλάζει στο κύμα: το μήκος κύματοςή η συχνότητα;

Έστω παρατηρητής Α (στο μέσο 1) και παρατηρητής Β(στο μέσο 2). Αν δεν έχει μεταβληθεί η ενέργεια τωνφωτονίων κατά την αλληλεπίδρασή τους με τα ηλεκτρόνιαστα άτομα του υλικού, τότε η συχνότητα του κύματος δενμεταβάλλεται. Επίσης, η συχνότητα ταλάντωσης τουηλεκτρομαγνητικού πεδίου που παράγει τοηλεκτρομαγνητικό κύμα καθορίζεται από την επιτάχυνσητων φορτισμένων σωματιδίων στην πηγή του κύματος.

Όμως, αφού u = ƒλ και ƒ1 = ƒ2 θα πρέπει να αλλάζει τομήκος κύματος της ακτινοβολίας.

Για παράδειγμα, αν u1 > u2, τότε και λ1 > λ2.

Προσέξτε πως τα μέτωπα κύματοςπλησιάζουν μεταξύ τους.

Η διαφορά στην ταχύτητα μετάδοσης του κύματος μπορεί να εξηγήσει τοφαινόμενο της διαθλασης.

Στην εικόνα δίπλα, φώς προσπίπτει υπό γωνία σεεπιφάνεια (διάφανου) μέσου με διαφορετικέςοπτικές ιδιότητες από το μέσο που διαδίδεται τοφως αρχικά (π.χ. το κενό).

Το άκρο που φτάνει πρώτο στην επιφάνειαδιαδίδεται με μικρότερη ταχύτητα καθώς εισέρχεταιστο υλικό ενώ το άλλο άκρο συνεχίζει να διαδίδεταιμε την ταχύτητα του φωτός στο κενό.

Άρα, η απόσταση AC που διανύεται από τοαριστερό άκρο είναι μικρότερη από την BD τουδεξιού άκρου, για το ίδιο χρονικό διάστημα.

Άρα, το μέτωπο κύματος CD εντός του υλικού δενείναι πλεόν παράλληλο στο μέτωπο κύματος ΑΒπου δεν έχει εισέλθει ακόμα στο υλικό.

Δείκτης διάθλασης

Ο δείκτης διάθλασης n ενός μέσου μπορεί να οριστεί ως: ταχύτητα του φωτός στο κενό c n= = ταχύτητα του φωτός στο μέσο u

Για το κενό: n=1. Το ίδιο δεχόμαστε (προσεγγιστικά) και για τον αέρα.

Αφού ταχύτητα διάδοσης του φωτός σε οποιοδήποτε υλικό είναι μικρότερη απότην ταχύτητά του στο κενό, ο δείκτης διάθλασης του οποιουδήποτε μέσου είναιένας αδιάστατος αριθμός μεγαλύτερος της μονάδας (όχι κατ' ανάγκη ακέραιος).

Ο δείκτης διάθλασης είναι αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας διάδοσης τουκύματος. Όσο μειώνεται η ταχύτητα, ο δείκτης διάθλασης αυξάνεται.

O δείκτης διάθλασης ενός υλικού μπορεί να οριστεί και συναρτήσει των μηκώνκύματος:

n= λλn

( λ στο κενόλστο υλικό

)

Μερικοί δείκτες διάθλασης

Ενότητα Ο1.5

Διάθλαση του φωτός

Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώμενη ακτίνα,η διαθλώμενη ακτίνα, και η κάθετος βρίσκονταιστο ίδιο επίπεδο.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΔΕΔΟΜΕΝΟ:

Η γωνία διάθλασης, θ2, εξαρτάται από το υλικό,καθώς και από τη γωνία πρόσπτωσης, θ1:

Η πειραματική ανακάλυψη αυτής της σχέσηςαποδίδεται συνήθως στον W. Snell (1540-1626)και γι’ αυτό η σχέση είναι γνωστή ως νόμοςτης διάθλασης του Snell.

sinθ1sin θ2

=n2n1

⇒ n1 sinθ1=n2 sinθ2.

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ:

Η διαδρομή του φωτός το οποίοδιέρχεται από τη διαθλαστική επιφάνειαείναι αντιστρέψιμη.

Για παράδειγμα, μια ακτίνα ξεκινάαπό το μέσο 1 ακολουθώντας τηδιαδρομή A, και διαθλάται στο μέσο 2ακολουθώντας τη διαδρομή Β.

Αν η ακτίνα είχε ξεκινήσει από τομέσο 2 ακολουθώντας τη διαδρομήΒ, τότε θα έπρεπε να διαθλαστεί στομέσο 2 ακολουθώντας τη διαδρομήΑ.

Οι λεπτομέρειες της διάθλασης

Α) Όταν φως εισέρχεται σε ένα υλικόστο οποίο η ταχύτητά του είναιμικρότερη, τότε διαθλάται και:

Η γωνία διάθλασης είναι μικρότερη απότη γωνία πρόσπτωσης: Η ακτίναεκτρέπεται προς την κάθετο.

Β) 'Οταν φως εισέρχεται σε ένα υλικό στοοποίο η ταχύτητά του είναι μεγαλύτερη,τοτε διαθλάται και:

Η γωνία διάθλασης είναι μεγαλύτερη απότη γωνία πρόσπτωσης: Η ακτίναεκτρέπεται μακριά από την κάθετο.

ΔιασποράΟ δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται συναρτήσει του μήκους κύματος του φωτός τοοποίο διέρχεται από το υλικό. Γενικά:

ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού μειώνεται όταν αυξάνεται το μήκοςκύματος.

Η εξάρτηση του δείκτη διάθλασης n από το μήκος κύματος του φωτός λονομάζεται διασπορά.

Το φαινόμενο της διασποράς, σε συνδυασμό με τον νόμο της διάθλασης του Snell, προβλέπει ότι: όταν σε ένα διαθλαστικό υλικό προσπίπτει φως με διαφορετικά μήκη κύματος, τότε εκτρέπεται υπό διαφορετικές γωνίες. Για παράδειγμα, το ιώδες φως θα εκτρέπεται περισσότερο σε σχέση με το κόκκινο φως.

Πρίσμα

Μια ακτίνα μονοχρωματικού φωτός, ηοποία προσπίπτει σε ένα πρίσμα,εξέρχεται από αυτό σχηματίζονταςγωνία δ ως προς την αρχική διεύθυνσηδιάδοσής της.

Η γωνία δ ονομάζεται γωνία εκτροπής.

Η γωνία εκτροπής εξαρτάται από το μήκοςκύματος της ακτινοβολίας.

(Η γωνία Φ είναι η γωνία κορυφής).

Διάθλαση σε πρίσμα

Επειδή κάθε χρώμα έχει διαφορετικήγωνία εκτροπής, το λευκό φωςαναλύεται σε ένα φάσμα.

Το ιώδες φως παρουσιάζει τημεγαλύτερη εκτροπή.

Το κόκκινο φως παρουσιάζει τημικρότερη εκτροπή.

Τα υπόλοιπα χρώματα βρίσκονταιμεταξύ αυτών των δύο χρωμάτων.

Το ουράνιο τόξο

Μια ακτίνα φωτός προσπίπτει σε μια σταγόνα νερού στην ατμόσφαιρα. Η ακτίναανακλάται και διαθλάται.Πρώτα διαθλάται στην μπροστινή επιφάνεια της σταγόνας. Το ιώδες φως παρουσιάζει τη μεγαλύτερη εκτροπή. Το κόκκινο φως παρουσιάζει τη μικρότερη εκτροπή.

Στην πίσω επιφάνεια της σταγόνας, το φως ανακλάται. Επιστρέφει στην μπροστινή επιφάνεια, όπου διαθλάται ξανά και περνά στον αέρα.Οι ακτίνες εξέρχονται από τη σταγόνα υπό διάφορες γωνίες.

Η γωνία που σχηματίζει το λευκό φως με την πιο έντονη ιώδη ακτίνα είναι 40°.

Η γωνία που σχηματίζει το λευκό φως με την πιο έντονη κόκκινη ακτίνα είναι 42°.

ΚΙ

Παρατηρώντας το ουράνιο τόξο

Αν κάποιος παρατηρεί μια σταγόνα βροχήςπου βρίσκεται ψηλά στον ουρανό, θα δει τηνκόκκινη ακτίνα.

Μια σταγόνα που βρίσκεται πιο χαμηλά στονουρανό, θα κατευθύνει το ιώδες φως προςτον παρατηρητή.

Τα υπόλοιπα χρώματα του φάσματοςβρίσκονται μεταξύ του κόκκινου και τουιώδους χρώματος.

Διπλό ουράνιο τόξο

Το δευτερεύον ουράνιο τόξο είναι πιοαχνό από το κύριο.

Τα χρώματά του είναι αντεστραμμένα.

Το δευτερεύον ουράνιο τόξοσχηματίζεται επειδή μέρος τουεισερχόμενου στις σταγόνες φωτόςανακλάται δύο φορές στην εσωτερικήεπιφάνεια της σταγόνας προτού εξέλθειαπό αυτήν.

Μπορούν να σχηματιστούν ουράνιατόξα «μεγαλύτερης τάξης», αλλά ηέντασή τους είναι μικρή.

Ολική εσωτερική ανάκλαση/Κρίσιμη γωνία

Όταν το φως κατευθύνεται προς σε ένα μέσο με μικρότερο δείκτη διάθλασης, τότεπαρατηρείται ένα φαινόμενο που ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Έστω ακτίνα που εισέρχεται από μέσο 1 σε μέσο 2 (με n1 > n2).Πάντα θ1 < 90ο. Οι διαθλώμενες ακτίνες 2 και 3 στο διπλανό

σχήμα εκτρέπονται μακριά από την κάθετο επειδή n1 > n2.

Για την ακτίνα όμως 4, η γωνία διάθλασης ισούται με 90°. Η γωνία πρόσπτωσης γι΄αυτή την ακτίνα ονομάζεται κρίσιμηγωνία, θC, γι΄αυτό το υλικό.

Για γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες από την κρίσιμη γωνία, ηδέσμη ανακλάται πλήρως στο όριο μεταξύ των δύο οπτικώνμέσων (“φαινόμενο ολικής ανάκλασης”).10

Το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης παρατηρείταιμόνο όταν το φως κατευθύνεται από ένα μέσο με δεδομένοδείκτη διάθλασης σε ένα μέσο με μικρότερο δείκτη διάθλασης.

Οπτικές ίνες

Μια εφαρμογή της εσωτερικής ανάκλασης είναι ημετάδοση του φωτός από ένα σημείο σε έναάλλο, χρησιμοποιώντας λεπτές, πλαστικές ήγυάλινες ράβδους (οπτικές ίνες).

Ο διαφανής πυρήνας περιβάλλεται από έναπερίβλημα. Και τα δύο περικλείονται με πλαστικήεπένδυση.

Το περίβλημα έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης n από τον πυρήνα. Αυτό επιτρέπει στο φως πουδιαδίδεται στο εσωτερικό του πυρήνα ναυφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Οι οπτικές ίνες, μεταξύ άλλων, έχουν εφαρμογές στην Ιατρική εξέταση των εσωτερικών οργάνωντου σώματος και στις Τηλεπικοινωνίες.

Η αρχή του Huygens

Ο Huygens θεωρούσε ότι το φως δεν είναι ροή σωματιδίων αλλά μια μορφήκυματικής κίνησης.

Αρχή του Huygens: Όλα τα σημεία ενός δεδομένου μετώπου κύματοςθεωρούνται σημειακές πηγές που δημιουργούν σφαιρικά δευτερεύοντα κύματα,τα κυμάτια. Αυτά διαδίδονται σε ένα μέσο με κατεύθυνση “προς τα έξω” καιταχύτητες που είναι χαρακτηριστικές των κυμάτων στο συγκεκριμένο μέσο.

Έπειτα από κάποιο χρονικό διάστημα, η νέα θέση του μετώπου είναι η επιφάνειαπου εφάπτεται στα κυμάτια (συνήθως ονομάζεται περιβάλλουσα).

Η αρχή του Huygens είναι μια γεωμετρική κατασκευή, στην οποίαχρησιμοποιούμε ένα γνωστό μέτωπο κύματος για να προσδιορίσουμε τη θέσηενός νέου μετώπου σε κάποια μεταγενέστερη χρονική στιγμή.

Η κατασκευή του Huygens για ένα επίπεδο/σφαιρικό κύμα

Α) Επίπεδο κύμα: τη χρονική στιγμή t = 0,το μέτωπο του κύματος παριστάνεται απότο επίπεδο AA΄.

Τα σημεία στο επίπεδο του κύματος είναιαντιπροσωπευτικές πηγές των κυματίων.

Αφού τα κυμάτια διανύσουν απόσταση cΔt,μπορούμε να σχεδιάσουμε ένα νέο επίπεδοBB΄, το οποίο εφάπτεται σε αυτά.

Β) Σφαιρικό κύμα: το εσωτερικό τόξο παριστάνει ένα μέρος του σφαιρικού κύματος.

Τα σημεία σ΄αυτό είναι αντιπροσωπευτικές πηγές των κυματίων. Αφού τα κυμάτιαδιανύσουν απόσταση cΔt, μπορούμε να σχεδιάσουμε έναν νέο κύκλο, ακτίνας ίσημε την ακτίνα του προηγούμενου μετώπου συν cΔt, ο οποίος θα εφάπτεται σε αυτά.

Αυτή η νέα σφαιρική επιφάνεια είναι το το νέο μέτωπο του κύματος, που εφάπτεταιστα κυμάτια (στις 3 διαστάσεις).