KURZUS: Mérnöki fizika

MODUL: Optika

11. lecke: Hullámoptika

Hullámoptika

A jegyzet feldolgozandó fejezetei:

  • Bevezetés
  • A fény és az elektromágneses spektrum
  • A fény sebessége
  • A fényhullámok interferenciája
  • A fény polarizációja
  • Fény elhajlása kis lyukakon és réseken
  • Az optikai rács
  • Fényelhajlás széles résen

Tanulási célok:

A lecke anyagának feldolgozása után Ön képes lesz:

  • Elhelyezni a fényt az elektromágneses hullámok teljes tartományában, felsorolni az egyes tartományokat jellemző tipikus hullámhossz- és frekvencia-értékeket.
  • A színekkel kapcsolatos alapvető ismeretek kvalitatív visszaadására.
  • A mindennapokban előforduló anyagok törésmutatójának és a bennük való fénysebességnek tipikus értékeit közelítőleg felsorolni.
  • A fény interferenciájával kapcsolatos speciális jelenséget, a véges koherenciahosszat értelmezni.
  • Elmondani, mit is jelent a fény polarizációja, és felismerni, hol találkozhatunk polarizált fénnyel a gyakorlatban.
  • A Huygens-Fresnel elv alkalmazásával megérteni a lyukakon és réseken történő fényelhajlási jelenségeket, ezzel kapcsolatos elemi számítási feladatokat elvégezni.

Támpontok a tanuláshoz

A hullámokról általában tanult ismeretek alkalmazhatóak a fényre is, hisz az elektromágneses hullám. A mérnöki gyakorlat szempontjából fontos, de sokszor még a mindennapi életben is hasznos ismerni az elektromágneses spektrum főbb tartományainak (rádióhullám, mikrohullám, stb.) jellemzőit. Ezért az ezek határait jelölő hullámhossz-értékeket tanulja meg fejből. (A frekvencia-értékek ebből könnyen kiszámolhatók.)

A fény sebességéről, interferenciájáról és polarizációjáról szóló részek szinte csak elméleti ismereteket tartalmaznak. Ezen rész feldolgozásakor fordítson figyelmet a mindennapi jelenségekkel való kapcsolat megértésére. (Erre a jegyzet sok utalást tesz.)

A fényhullámok kis réseken és rácsokon mutatott jelenségeinek megértéséhez a hullámtanban az interferenciáról és a Huygens-Fresnel elvről tanultak felidézése hasznos lehet. Ezért az erről szóló rész feldolgozása előtt érdemes lehet a jegyzet erről szóló részeit fellapozni.

Az ábrák helyes értelmezése itt kiemelt szerepű, ezért erre fordítson különös figyelmet. A réseken és optikai rácson való elhajlással kapcsolatban számolási példákat is talál a jegyzetben, ezek megértése és önálló megoldása követelmény.

Ellenőrző kérdések
1. A 450 nm-es hullámhosszú fényhullám útkülönbség nélkül találkozik a 650 nm-es hullámhosszú hullámmal. Okoz-e látható interferenciát ezeknek a hullámoknak a találkozása?
Igen, méghozzá erősítik egymást, mert nincs köztük útkülönbség.
Okoz, de csak akkor, ha megfelelő fázisban találkoznak.
Nem, mert látható interferenciát csak azonos hullámhosszú fénynyalábok kelthetnek.
Igen, ha azonos fényforrásból származnak a hullámok.
2. Miért nem koherens két izzólámpa fénye?
Mert nem férnek egymáshoz elég közel.
Mert nem lehet teljesen egyforma fényforrásokat készíteni.
Mert nem ugyanannyi atom sugároz a két fényforrásban.
Mert egymástól függetlenül, összehangolatlanul sugároznak a fényforrások atomjai.
3. Az optikai rács által előállított színképet ernyőn szokás tanulmányozni. Vajon a hullámok csak az ernyőn erősítik, vagy oltják ki egymást, vagy az ernyő és a rács közötti térben is létrejön az interferencia?
A térben mindenütt, ahol hullámok találkoznak, létrejön az interferenciás erősítés és kioltás.
Az üres térben nem interferálnak a hullámok.
A térben mindenütt jelen vannak a hullámok, interferencia viszont csak az ernyőn jön létre.
A térben az optikai rács és az ernyő között állóhullámok keletkeznek.
4. Az egymástól 0,2 mm-re lévő réspárt 635 nm hullámhosszúságú, párhuzamos fénynyalábbal világítjuk meg. Milyen távolságra kell elhelyezni az ernyőt a résektől, hogy a maximum helyek egymástól 1 mm-re legyenek?
22,7 cm.
13,9 cm.
31,4 cm.
52,6 cm.
5. Milyen széles az a rés, amelyikre merőlegesen esik az 520 nm-es hullámhosszú, monokromatikus fénynyaláb, és a réstől 2,5 m-re lévő ernyőn 8 mm távolságra vannak egymástól az első elhajlási minimumok?
0,89 mm
0,32 mm
4,3 mm
0,57 mm