czech Ústav fyzikální elektroniky PřF MU F3100 Kmity, vlny, optika příklady do cvičení Jana Jurmanová, Zdeněk Navrátil, Luboš Poláček Brno 2020 2 Obsah czech 1 Kmity 5 1.1 Vlastní netlumené kmity................................ 5 1.2 Skládání kmitů, Fourierova analýza .......................... 14 1.3 Tlumené kmity..................................... IV 1.4 Vynucené kmity..................................... 20 1.5 S pražené oscilátory, struny, tyče............................ 22 2 Vlnění, akustika 27 2.1 Vlnění.......................................... 27 2.2 Fázová a grupová rychlost............................... 29 2.3 Vlnění a energie..................................... 31 2.4 Dopplerův princip.................................... 32 2.5 Hladina zvuku B .................................... 33 2.6 Elektromagnetické vlny................................. 34 3 Optika 39 3.1 Základní zákony šíření světla.............................. 39 3.2 Optické zobrazování .................................. 45 3.3 Interference....................................... 50 3.4 Ohyb .......................................... 55 3.5 Šíření světla na rozhraní ................................ 59 4 Matematický dodatek 61 4.1 Goniometrické funkce ................................. 61 4.2 Věty určující vztahy mezi rozměry stran a úhlů v trojúhelníku ............ 62 4.3 Komplexní čísla..................................... 63 4.4 Exponenciální a logaritmické funkce.......................... 63 4.5 Hyperbolické funkce.................................. 64 4.6 Rozvoj funkcí v řadu.................................. 65 4.7 Diferenciál funkce jedné proměnné........................... 65 4.8 Základy vektorového počtu - gradient, divergence, rotace, Laplaceův operátor .... 65 4.9 Lineární diferenciální rovnice 2. řádu s konstantními koeficienty (a případnou pravou stranou)......................................... 66 Literatura 67 V textu označuje symbol /povinné příklady pro studenty kombinovaného studia, symbol ©příklady vhodné k doplňkovému procvičení. 3 4 Kapitola 1 Kmity 1.1 Vlastní netlumené kmity Obecný případ harmonického pohybu Pohybová rovnice je d2r m—ir = —kr, (1.1) dtL kde m je hmotnost oscilátoru, F = — kr je elastická (harmonická, vratná) síla, k > 0 tuhost elastické vazby. Oscilátor (hmotný bod) opisuje obecně eliptickou dráhu v prostom. Harmonický pohyb po přímce Pohybuje-li se oscilátor, na který působí vratná síla, pouze v přímce, nazýváme jej lineární harmonický oscilátor. Pohybová rovnice lineárního harmonického oscilátoru, kmitajícího podél osy x, je d2x k — + -x = 0. (1.2) atL m Řešením této rovnice je časová závislost výchylky x kmitajícího hmotného bodu z rovnovážné polohy x(t) = Asm(a>ot +
osin(ftbí + or + ot + (p) vznikne pohyb s trajektorií ve tvaru elipsy (viz obr. 16)
(1.12)
(1.13)
Rozklad periodických kmitů na harmonické složky (Fourierova analýza)
Každý periodický pohyb popsaný po částech spojitou periodickou funkcí f(t) o periodě T lze rozložit do Fourierovy řady
Aq 00
f(t) = — [A-m cos {mm) +Bmsm(mwt)], (1-14)
m=l
15
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
x(t)=Asin(o)0t) y(t)=Bsin(cj0t+(p) A=1 B=2w0=2n
■0,5 0 0,5 1 1,5 2
-(p=0 — (p=n/3 —(p=3n/4 ■(p=n/6 — (p=n/2 —(p=5n/6 .(p=n/4 (p=2n/3 —(p=n
Obrázek 16: Skládání kolmých kmitů
ve které co = 2%jT je základní úhlová frekvence. Její celistvé násobky mco nazýváme vyšší harmonické frekvence. Koeficienty řady Am a Bm lze stanovit ze vzorců
B„
2 Ť
2 Ť
J f(t)cos(m(Qt)dt, m = 0,1,2,... o
T
J f(t)sía.(m(Ot)dt, m =1,2,3,...
(1.15)
(1.16)
/27. Odvoďte obecný vztah pro výslednou amplitudu a fázový posuv kmitaní, které vznikne složením dvou stejnosměrných kmitů o stejné frekvenci, amplitudách A i a A2 a počátečních fázích
ot + r + r + Fq .
Z-i _|_ 2y^: + cožx = — sin £lt. dt2 dt m
(1.24)
Obecným řešením této nehomogenní diferenciální rovnice je superpozice vlastních tlumených kmitů a kmitů vynucených
x(t) = A0e~^sin(ff>f+ p)+Avsin(í2f+ i/a). (1-25) Amplituda vynucených kmitů Av je dána vztahem
Fq/m
(co2-a2)2+4y2a2
(1.26)
ve kterém con a co = y C0q — Y2 jsou opět úhlové frekvence vlastních netlumených a tlumených kmitů. Po utlumení vlastních kmitů se výchylka oscilátoru ustálí ve tvaru (viz obr. 21)
x(t) = Avsm(Qí + \jí).
(1.27)
vlastní
tlumené
kmity
nucené t kmity
úplný t pohyb
Obrázek 21: Výsledný pohyb jako superpozice vlastních tlumených a vynucených kmitů.
Amplitudová rezonance
Závislost Av(£l) daná rovnicí (1.26) představuje rezonanční křivku (viz obr. 22). Křivka nabývá maxima Ar pro rezonanční úhlovou frekvenci Í2r
ar = Jco2-2y2
Ar
Fq/m
(1.28)
2r\/<-r
20
/39. Odvoďte rovnice nuceného kmitání pro kuličku zavěšenou na pružině. Kulička je ponořena do kapaliny, a je tedy tlumena. Předpokládejte, že odporová sílaje tvaru F0(jp = — 6nr\rv (Stokesův vztah) a vynucující sílaje harmonická, Fv = F únClt. Určete frekvenci a amplitudu vlastních i vynucených kmitů, odvoďte vztah (1.26). Pro jaké hodnoty parametrů soustavy dochází k rezonanci?
Řešení: #| + 2y§ + (ůo2x = g(l- ^) + - sinfíř, kde 7 = 2™Ľ ^ = JI frekvence vlast-
dtz 1 dt u a V p£u/ J m ' ' m ' u y m'
nich kmitů je co = a/(Uq2 — 72, jejich amplituda Ae~^, frekvence vynucených kmitů je Cl, jejich amplituda je Av = , F^"2 , k rezonanci dojde pro frekvenci vynucující síly
Clr= v/co02 - 272.
40. Vlivem vnější vertikální síly F = Focosílř koná těleso zavěšené na pružině stacionární vynucené kmity podle vztahu x = xocos(Clt — <ř»). Určete práci síly F, vykonanou během jedné periody. A = 7txoFoún<í>
41. Jaká je rezonanční amplituda a rezonanční frekvence hmotného bodu, který koná vynucené kmity, je-li hmotnost bodu m = 0,1 kg, kruhová frekvence vlastních kmitů a>o = 20 s-1, koeficient útlumu 7=3 s-1 a amplituda vynucující síly Fq = ION? Ar = 84,3cm, (Or = 19,54s_1
42. Těleso o hmotnosti m = 0,2kg koná vynucené harmonické kmity působením sinusově proměnné síly, jejíž amplituda je Fq = 2N. Určete rezonanční kruhovou frekvenci (Or a rezonanční amplitudu AT, je-li doba vlastního kmitání tělesa Tq = -| a koeficient útlumu 7= 4s_1. Ar = 0,18m, cor = 5,7s"1
21
1.5 Spřažené oscilátory, struny, tyče
Spřažené oscilátory. Nejméně dva oscilátory jsou spojeny vazbou, která může sloužit k vzájemnému předávání energie.
Normální kmity. Libovolný kmitavý pohyb soustavy spřažených oscilátorů lze vyjádřit jako superpozici normálních kmitů. Pro ./V spřažených oscilátorů existuje při lineárních kmitech ./V normálních frekvencí (modů). Při kmitání na jednom normálním módu nedochází k předávání energie mezi jednotlivými oscilátory.
Kmity tyčí a strun. Výchylka u(x,t) libovolného bodu x tyče (struny) délky L musí splňovat rovnici
d2u(x,t) 1 d2u(x,t)
0,
dx2 v2 dt2 kde v je rychlost šíření zvuku v tyči (struně). Řešení je tvaru
u(x, t) =A sin ^—x + (p^j sin (cot + i/a)
(1.29)
(1.30)
kde co je vlastní frekvence kmitů, (1-32)
kde F je síla, napínající strunu, a /i je hmotnost její jednotkové délky. Podélné kmity tyče. Rychlost šíření je dána vztahem
(1.33)
kde E je Youngův modul tyče a p její hustota.
/43. Kmitající systém dvou těles o hmotnostech m je uspořádán podle obrázku 24. Předpokládejte, že pro tuhost pružin platí k <^k. Nechť x\ (ř), X2(t) jsou výchylky těles z jejich rovnovážných poloh.
Lyv-0
K
Obrázek 24: Dvě tělesa na pružinách spojená slabou vazbou.
(a) Napište pohybové rovnice pro obě tělesa.
(b) Ukažte, že zavedením normálních souřadnic ^ = Xl~^X2, r\ = Xl 2*2 lze systém separovat na dvě nezávislé rovnice.
(c) Najděte obecné řešení obou normálních módů Č, (t) a r\ (t).
(d) Najděte obecné řešení pohybu těles x\(t) a X2(t) a ukažte, že pro slabou vazbu dochází k výraznému přelévání energie.
44. Dvě stejná tělesa o hmotnosti m leží na hladkém stole a jsou navzájem spojena pružinou s tuhostí K. Obě tělesa rozkmitáme ve vodorovném směru. Jak se změní frekvence vlastních kmitů soustavy, připevníme-li jedno z těles ke stolu - viz obr. 25. Frekvence se zmenší \fl krát.
K
m
KAM
m
m
Obrázek 25: Dvě tělesa na pružině
/45. Napište pohybové rovnice pro kmity soustavy dvou spřažených kyvadel (viz obr. 26), určete kmitové módy soustavy.
23
Obrázek 26: Spřažená kyvadla
Řešení:
dlxA mg
m~ďl2~ = —TXA ~k(XA~XB>
d2xB mg
m~ďi2~ = —TXB ~ ~
kde xa (xb) značí výchylku kuličky A (B) z její rovnovážné polohy. Vlastní kmitové módy jsou
46. Odvoďte vztah pro okamžitou výchylku p-té kuličky systému na obr. 27, určete vlastní frekvence systému ./V kuliček a počet těchto kmitových módů (kmity se konají podél osy x). Okrajová podmínka: nultá a ./V + 1 kulička mají v libovolném čase nulovou výchylku.
k k k k
• • VW^>WV(5>VvV(5>VvV •
-►
xp-1 xp xp+1 x
Obrázek 27: Kuličky vázané pružinami
Řešení: Pohybová rovnice ^-^t = k(xp-i + xp+i ~ 2xp),její řešení je tvaru
xp = A ún(p& + í») sin(coŕ + (p), po aplikaci okrajových podmínek dostaneme pro výchylku
xp = A sin(p^j-) sin(úV + 9) a Pro vlastní frekvence vztahy con = 2(Qq sin 2(n+i) ■> 0)0 = \pt-> těchto frekvencí je nejvýše N.
24
/47. Homogenní struna délky 2,5 m a hmotnosti 0,01 kg je napjata silou 10 N.
(a) Najděte frekvenci jejího nej nižšího módu.
(b) Jestliže strunu vychýlíme příčně a v místě vzdáleném 0,5 m od jednoho konce se jí dotkneme, jaká frekvence zní v tomto případě?
ml'
Řešení: Pro výchylku struny platí y(x,t) = A sin (^r) sin(conř), kde con = ncoi, (ů\ = Tty tedy (a) f\ = 10Hz, (b) s = 5n, tedy jsou povoleny frekvence 50Hz, 100Hz, 150Hz ...
48. Homogenní tyč je upevněna ve středu a oba její konce jsou volné.
(a) Najděte frekvence volných podélných kmitů tyče.
(b) Určete vlnovou délku pro n-tý mod těchto kmitů.
(c) Kde se nacházejí uzly pro n-tý mod těchto kmitů?
Tyč má délku L, je zhotovena z materiálu, jehož Youngův modul je £ a hustota je p. Řešení:
(a) con = ^Jl
(b) K =
(c) xn = 2(2^) (2w- l±2fc), fc = 0,l,2,...,n-l
49. Homogenní tyč není upevněna a volně leží na drsném stole. Je rozezněna úderem kladiva ve směru délky tyče.
(a) Najděte frekvence volných podélných kmitů tyče.
(b) Určete vlnovou délku pro n-tý mod těchto kmitů.
Tyč má délku L, je zhotovena z materiálu, jehož Youngův modul je £ a hustota je p.
Řešení: Taková tyč má volné okraje, okrajové podmínky tedy jsou w(0, t) = ±A a w(L, t) = ±A.
(a) CQn = nZ^±
(b) Xn = 2^. Frekvence je stejná jako u tyče (struny) uchycené na obou koncích, ale rozložení uzlů je jiné - viz obr 28.
▲ i i i | i i i | i i i | i i i | i | i | i i u | i i i | i i i | i i i | i i i | i | i | i i i | 0 0,25L 0,5L 0,75L f 0 ---- ~ ----
0,25L 0,5L 0,75L L
Obrázek 28: Vlastní frekvence tyče upnuté na koncích a volné na obou koncích
©50. Dvě stejné struny napjaté identickým napětím kmitají na základní frekvenci 100 Hz. Jak se musí změnit napětí jedné struny, aby vznikly 4 rázy za sekundu? Při změně napětí se délka struny nezmění. klesne 0,9216 krát
25
26
Kapitola 2 Vlnění, akustika
2.1 Vlnení
Vlněním v látce nebo poli se nazývá šíření kmitavého rozruchu prostorem (látkou nebo polem). Vlnová rovnice popisuje šíření netlumených vln s výchylkou u(r, t) v prostoru:
AS(?,í)--LÍ|^ = 0, (2.1)
kde A je Laplaceuv operátor a v rychlost, jakou se vlny šíří. Veličina u(r,t) může být i skalární. Pokud se vlnění šíří rychlostí v ve směru osy x, má vlnová rovnice tvar
d2u(xj) 1 d2u(xj) =Q dx2 v2 dt2
Řešení vlnové rovnice (2.2) je superpozicí vlny u+ (x, t) postupující v kladném směru osy x a vlny u-(x,t) postupující v záporném směru osy x :
u(x,t) = c+u+(x,t) +c-u-(x,t) = c+Uq+ sin(coř — kx) +c-Uq- sin(ct)ř + kx), (2.3)
kde v je tzv. fázová rychlost vlnění, £/o+, Uq- jsou amplitudy a co je úhlová frekvence vlnění. Symbol k v rovnici značí vlnové číslo
2%
* = T- (2'4)
Vlnová délka X vlnění o periodě T a frekvenci / je
X=vT = j. (2.5)
/51. Ukažte, že rovnice vlny u(x,t) = Uosin(kx— cot) je ekvivalentní kterémukoliv z následujících tvarů:
(a) u(x,t) = UQsmk(x — vt)
(b) u(x,t) = U0sm27c(%-f-t)
(c) u(x,t) = Uq sinco(f -t)
(d) u(x,t) = Uoún27t(f-y)
Symboly ve vztazích mají standardní význam.
27
/52. Je zadána rovnice mechanické vlny u(x,t) = 1 • 10~3sin(8 • 103ř — 3x) [m]. Údaje délkových veličin jsou v metrech, čas je v sekundách. Porovnáním s obecným tvarem vlny typu u(x,t) = Uq sin(coř — kx) určete:
(a) amplitudu
(b) kruhovou frekvenci
(c) frekvenci
(d) fázovou rychlost
(e) vlnovou délku
(f) vlnové číslo.
Řešení: (a) U0 = 1 • l(T3m, (b) co = 8 • 103s_1, (c) / = 1,27 kHz, (d) v = 2667ms_1, (e) X =2,lm, (f)fc = 3m-1.
53. Napište rovnici mechanické vlny šířící v záporném směru osy z, mající amplitudu 50 nm, frekvenci 10Hz a rychlost šíření 500m.s_1. Může být uvedená vlna vlnou zvukovou?
u(z,t) = 50sin(20^ř + 0.04^z)[nm], ano
54. Dokažte, že interferencí dvou vln postupujících podél osy x v opačném směru vznikne stojatá vlna daná vztahem u(x,t) =A únkx ■ sin cot.
55. S pomocí reproduktoru vytvoříte v místnosti stojatou zvukovou vlnu frekvence 440 Hz. Jaká je vzdálenost sousedního uzlu a kmitný? ^ = \~&ôm = 0,19 m pro c = 330m s-1.
/56. Dokažte, že funkce typu u(x,t) = u(t ± ^) vyhovuje vlnové rovnici, tj. diferenciální rovnici
/57. Ukažte, že výraz u(x,t) = Ael(m~kx^ vyhovuje vlnové rovnici za podmínky, že veličiny co a k jsou vázány vztahem co = vk.
58. Ukažte, že vlnové rovnici vyhovuje
(a) rovnice postupné vlny u(x, t) = Uq sin co(t — ^)
(b) rovnice stojaté vlny u(x7t) = ř/osin (j^-x) sincoř.
/59. Najděte rovnici vlnoplochy
(a) postupné rovinné vlny šířící se v kladném směru osy x rychlostí v,
(b) postupné kulové vlny šířící se z bodového zdroje rychlostí v,
(c) postupné válcové vlny šířící se z lineárního zdroje rychlostí v.
Jakým způsobem se mění amplituda vlnění se vzdáleností? Návod: najděte řešení vlnové rovnice zapsané ve vhodných souřadnicích.
Řešení:
(a) u(xj) =Asin(coř — kx), co = kv, vlnoplocha x = konst + j-t, (rovina kolmá k ose x)
(b) w(r, t) = j sin(coř — kr)7 co = kv7 vlnoplocha r = konst + j-t (koule)
(c) w(r,r) = sin(coř — kr), co = kv, vlnoplocha r = konst + j-t (válec).
28
2.2 Fázová a grupová rychlost
Fázová rychlost Vf udává, jakou rychlostí se pohybuje fáze vlnění (cot ±kx) prostorem:
CO
(2.6)
Grupová rychlost vgr je rychlost, kterou se v prostoru šřří obálka vlnového balíku
dco
(2.7)
v,
gr —
(2.8)
Normální a anomální disperze: Úhlová frekvence co je obecně funkcí vlnového čísla: co = co(k). Tento vztah udává disperzi, čili jak se mění úhlová frekvence a rychlosti z ní určené podle vztahů (2.6) a (2.7) s rostoucím vlnovým číslem (vlnovou délkou).
Podle Rayleigho vztahu (2.8) je v případě, kdy fázová rychlost Vf roste s rostoucí vlnovou délkou X (tedy klesá s vlnovým číslem k), grupová rychlost menší než fázová. Říkáme, že vlnění má normální disperzi. Pokud fázová rychlost s rostoucí vlnovou délkou klesá, je grupová rychlost větší než fázová, a říkáme, že vlnění má anomální disperzi. Příklady jsou zakresleny na obrázku 29. Pokud prostředí nemá disperzi (fázová rychlost není funkcí vlnového čísla), jsou grupové a fázové rychlosti šíření vlnění shodné.
Obrázek 29: Vlevo: Protože tato disperzní křivka co = co(k) (závislost úhlové frekvence co na vlnovém čísle k) je vypouklá směrem vzhůru, je grupová rychlost vgr, která je gradientem této křivky, v každém bodě menší než fázová rychlost Vf. Vlnění má normální disperzi.
Vpravo: Je-li disperzní křivka co = co(k) vypouklá směrem dolů, je grupová rychlost vgr, která je gradientem této křivky, v každém bodě větší než fázová rychlost Vf. Vlnění má anomální disperzi.
60. Disperzní vztah pro úhlovou frekvenci vlnění v plazmatu je dán rovnicí
co2 = U2 + c2k2, kde ľ!2 = je konstanta (ne je koncentrace elektronů).
k
k
normální disperze
anomální disperze
29
(a) Určete fázovou a grupovou rychlost šíření vlnění v plazmatu.
(b) Určete typ disperze.
Řešení:
(a) Vi = cJ\ + ^2>c,vgľ=cyí = ^w d), vlevo chod paprsků interferujících na odraz (1,2) a na průchod (3,4). V místech označených fialovými kroužky dochází při odrazu na skle ke změně fáze o %.
148. Plankonvexní čočka má poloměr křivosti kulové plochy R = 4m. Tuto čočku položíme konvexní plochou na rovinnou skleněnou desku a systém osvětlíme monochromatickým světlem. Poloměr prvního jasného Newtonova interferenčního kroužku v prošlém světle je pi = 1 mm.
(a) Jaká je vlnová délka použitého monochromatického světla?
(b) Jaký bude poloměr prvního světlého kroužku, vyplníme-li prostor mezi čočkou a deskou vodou (nv = 1,33)?
(a)250nm (b) 0,86 mm
©149. Vyjádřete vztah 3.17 pro koherenční délku vlny pomocí šířky spektrální čáry AX odpovídající její frekvenční šířce Av. / = ^
©150. Vypočítejte koherenční délku odpovídající světlu výbojky s koherenční dobou To = 10~9 s. Vypočítejte spektrální šířku AX tohoto světla, je-li X = 600nm. / = 0,3m AA = 1,2 •10~12m
©151. Klínová vrstva je osvětlena bílým světlem z bodového zdroje. Odhadněte interval její tloušťky, pro který je na vrstvě možné okem pozorovat interferenční obrazec. Jak se výsledek změní, použijeme-li monochromatický zdroj čáry (X = 488 nm, pološířka čáry (celá šířka v polovině výšky) 0.02 nm)? polovina z hodnot 1,8 jim, 12mm
54
3.4 Ohyb
Při pozorování chování světla v blízkosti neprůhledných překážek zjišťujeme, že se světlo šíří i do oblasti geometrického stínu - dochází k ohybu světelných paprsků. Z metodických důvodů rozlišujeme ohyb rovinných světelných vln (Frauenhoferova difrakce) a ohyb kulových vln (Fresnelova difrakce), my se budeme zabývat Frauenhoferovým ohybem. Ohyb na obdélníkové štěrbině
Dopadá-li na obdélníkovou, velmi dlouhou štěrbinu šířky b rovinná monochromatická vlna vlnové délky X, jejíž vlnový vektor k je kolmý k rovině štěrbiny, pak intenzita světla po průchodu štěrbinou v místě, určeném směrem odklonu a, je dána vztahem
kde x = kb sm(a)/2 a Iq je intenzita světla uprostřed středního světlého proužku, tj. pro a = 0. Grafické znázornění závislosti intenzity / na směru odklonu a je ukázáno na obr. 54 vlevo. Poloha tmavých proužků (ohybových minim) je určena podmínkou
búna = mX m = ±1, ±2, ±3,... (3.20)
rozložení intenzity při difrakci na štěrbině rozložení intenzity při difrakci na kruhovém otvoru
Obrázek 51: Difrakce na obdélníkové štěrbině (vlevo) a na kruhovém otvoru (vpravo).
55
I(x)
-4n ! -3n ; -2n ; -n -3.46n -2.46n -1.43n
2n 3n 4n
Obrázek 52: Polohy maxim a minim pro ohyb na štěrbině (červeně) a kruhovém otvoru (modře). Křivky jsou vykresleny tak, že intenzity prvních ohybových maxim jsou stejné.
Ohyb na obdélníkovém otvoru
Intenzita / při ohybu na obdélníkovém otvoru, jehož rozměry jsou b a c, je dána vztahem
2 / • \ 2
/ snu \ / siny I = Io - * '
V x
y
(3.21)
kde x = kbún(a)/2 a y = fccsin(/3)/2. Ohyb na kruhovém otvoru
Intenzita světla / při ohybu na kruhovém otvoru průměru D ve směru, který svírá s osou otvoru úhel a, je dána vztahem
I = I0
2Ji(x)
x
(3.22)
kde x = kDún(oc)/2 a výraz Ji(x) reprezentuje Besselovu funkci prvního druhu řádu jedna. Pro ohybový obrazec (obr. 54 vpravo) dostáváme, že jeho středová světlá ploška má úhlový poloměr dán vztahem
X
sinao = l,22-, (3.23)
který pro D 3> X přechází ve tvar
D
a0 = 1,22-.
(3.24)
Rayleighovo rozlišovací kritérium Dva objekty jsou na hranici rozlišení, jestliže centrální difrakční maximum jednoho padne do prvního minima druhého - viz obr. 53.
Rayleighova mez
Obrázek 53: Rozlišení
56
Difrakční mřížka je soustava ./V štěrbin stejné šířky b. Vzdálenost mezi středy sousedních štěrbin d se nazývá mřížková konstanta. Intenzita difrakčního obrazce je při kolmém dopadu světla dána vztahem
I(a)=I sin2[^sin(«)/2] sin2[AíMsin(oQ/2] 1 ' 0 [tosin(a)/2]2 sin2[Msin(a)/2] '
kde první zlomek je tzv. difrakční (otvorový) faktor a druhý zlomek tzv. interferenční (mřížkový) faktor. Pro kolmý dopad světelného záření vlnové délky X je poloha tzv. hlavních maxim dána vztahem
dúna = mX, m = 0,±1,±2, ... (3.26)
Hlavní maxima, která padnou do minim otvorového faktoru, nejsou pozorována.
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
násobky ksin(a/2l násobky ksin(a/2l
jd=0.4 mm 7b=0.2 mm
5 i.
jd=0.4 mm 1 b=0.2 mm
l'lri i i i
násobky ksin(a/2]
násobky ksin(a/2]
Obrázek 54: Difrakce na mřížkách s různým počtem štěrbin N, s různou šířkou štěrbiny b a různými vzdálenostmi středů štěrbin d. Vždy zeleně: „čistá" interference daná druhým členem součinu v 3.25, modře: „čistá" difrakce daná prvním členem součinu v 3.25 vynásobená N2, červeně: výsledný obrazec daný 3.25. Intenzita v posledním obrázku je 4x větší než v předchozích, což je způsobeno zvětšením počtu štěrbin.
Důležitým parametrem mřížek používaných pro spektrální analýzu je úhlová disperze
da m
(3.27)
dX Jcosa'
kde m je řád difrakčního maxima a d je mřížková konstanta.
Rozlišovací schopnost mřížky s celkovým počtem vrypů ./V pro řád maxima m je definována
X
& = — = mN, (3.28) ÁX
kde AX je vzdálenost vlnových délek, které mřížka právě ještě rozliší.
152. Rovnoběžný svazek monochromatického světla o vlnové délce 450 nm dopadá kolmo na štěrbinu šířky 1 mm. Těsně za štěrbinou je umístěna čočka s ohniskovou vzdáleností 1 m. Na stínítku, umístěném v ohniskové rovině čočky, se vytvoří ohybový obraz. Určete vzdálenost minima prvního, druhého a třetího řádu od hlavního maxima. jci=0,45mm jC2 = 0,9mm X3 = l,35mm
57
153. Obdélníková štěrbina je osvětlena světlem vlnové délky 500 nm. Rozměry štěrbiny jsou 1 mm x 3 mm. Jaké jsou rozměry hlavního maxima v difrakčním obrazci vytvořeném na stínítku rovnoběžném s rovinou štěrbiny a vzdáleném od ní 50 m? Světlo dopadá na štěrbinu kolmo. 50 x 17 mm
/154. Fraunhoferova difrakce vzniká na štěrbině šířky 0,4 mm a je zviditelněna na stínítku v ohniskové rovině čočky. Ohnisková vzdálenost použité čočky je 1 m a štěrbina je osvětlena dvěma vlnovými délkami X\, %2- Bylo zjištěno, že čtvrté minimum pro vlnovou délku X\ splývá s pátým minimem pro vlnovou délku X2 a je přesně 5 mm od hlavního maxima. Určete obě vlnové délky. Ai =500 nm, X2= 400 nm
155. Rovnoběžný svazek monochromatického světla o vlnové délce X = 600nm prochází štěrbinou, jejíž šířka je 0,2 mm, a je zaostřen čočkou na stínítko. První minimum leží 3 mm od hlavního maxima. Určete ohniskovou vzdálenost použité čočky. /' = 1,0m
156. Najděte poloviční úhlovou šířku středního světlého pruhu při Fraunhoferově ohybu na štěrbině šířky a = 1,4 • 10~3mm, je-li osvětlena monochromatickým světlem vlnové délky (a) 400 nm, (b)700nm. (a) 16,6° (b) 30°
©157. Dokažte, že maxima při difrakci na obdélníkovém otvoru nejsou ekvidistantně vzdálena. Maxima leží pod úhly a splňujícími rovnici tga = a.
/158. Oční pupila má průměr 3 mm. Za použití Rayleighova kritéria určete:
(a) Na jakou vzdálenost rozliší oko dvě rovnoběžné čáry narýsované na listě papíru ve vzdálenosti 50 cm.
(b) Na jakou vzdálenost může oko za ideálních podmínek rozlišit přední světla automobilu, jehož reflektory jsou 180 cm od sebe?
Pro výpočty berte vlnovou délku viditelného světla rovnu 550 nm. (a) 2,23 km, (b) 8,05 km
159. Astronaut je v kosmické lodi na oběžné dráze kolem Země ve výšce 160 km. Jak velké musí být předměty na zemském povrchu, aby je pouhým okem rozlišil? Předpokládejte, že oční pupila má průměr 4 mm a oko je nejcitlivější na vlnovou délku 550nm. Asi 27 m
©160. V dírkové komoře (camera obscura) je fotografická deska vzdálena od čelní stěny o 10 cm. Jak veliký musí být otvor, abychom získali ve viditelném světle (X = 500 nm) snímek Slunce s nejlepším rozlišením? D = 0,13 mm
/161. Při ohybu laserového světla na difrakční mřížce bylo zjištěno, že v difrakčním obrazci chybí sudá interferenční maxima. Určete šířku a vzdálenost štěrbin. b = d/2
162. Při difrakci na mřížce detekujeme intenzivní spektrální čáru ve směru, odpovídající vlnové délce 506 nm. Je možné, že záření má ve skutečnosti jinou vlnovou délku? ano
/163. Difrakční mřížka má hustotu vrypů 50 vr/mm. Určete, pod j akým úhlem bude ležet první hlavní maximum pro vlnovou délku 10/im a s jakým řádem maxima vlnové délky 500nm se bude překrývat. a = 30 °, m = 20
164. Určete nejvyšší řád spektra, ve kterém můžeme ještě pozorovat červenou čáru 700 nm pomocí optické mřížky, která má na 1 mm 300 vrypů. m = 4
165. Jakou mřížkou (tj. s jakým počtem vrypů na mm) musíme vybavit spektrometr, požadujeme-li, aby rozlišil jednotlivé komponenty sodíkového dubletu 588,9950 nm a 589,5924 nm? Spektrometr používá mřížky 72 x 72 mm. Rozliší je standardně rozšířená mřížka 1200 gr/mm?
14gr/mm, ano
58
166. Mřížka obsahující 400 vrypů/mm je 4 cm dlouhá. Vypočtěte její rozlišovací schopnost ve spektru prvního řádu. Rozliší tato mřížka obě čáry sodíkového dubletu (589,0 a 589,6 nm)? AXmin = 0,037 nm M=l 6000 rozliší
/167. Navrhněte difrakční mřížku, pro kterou by leželo maximum třetího řádu vlnové délky 600 nm ve směru odchýleném o 30° od přímého směru. Rozlišovací schopnost mřížky musí být taková, že dokáže rozlišit dvě blízké vlnové délky, lišící se o 0,05 nm. Vypočtěte: (a) vzdálenost vrypů mřížky, (b) její rozlišovací schopnost, (c) minimální počet vrypů, (d) minimální rozměr mřížky, (a) 3,6-10~4cm (b) 12000 (c) 4000 (d) l,4cm
©168. Odvoďte teoretickou rozlišovací schopnost optické mřížky s ./V vrypy. Použijte Raylei-ghovo kritérium, pro jednoduchost uvažujte mřížku na průchod a kolmý dopad paprsků.
& = mN, m - difrakční řád
3.5 Šíření světla na rozhraní
Na rozhraní dvou optických prostředí s indexy lomu n\ a n2 se světlo částečně odráží, částečně láme do druhého prostředí. Paprsky dopadající, odražený a lomený leží spolu s dopadovou normálou v tzv. rovině dopadu (směr p). Rovina kolmá k rovině dopadu je tzv. polarizační rovina (směr s). Fresnelovy amplitudy Pro amplitudy odražené a lomené vlny na rozhraní dvou dielektrik platí
«2cos a — řzicos/3 tg(a — j5) n2cos a + n\ cos/3 tg(a + /3)' n\cos a — n2cosj5 sin(a — j5) n\cos a + n2cosj5 sin(a + /3)
2n\cos a n2 cos a + n\ cos j5 '
2n\cos a n\cos a + n2cos j5 '
(3.29)
kde r jsou amplitudy vlny odražené, t amplitudy vlny lomené, indexy p (s) značí složku příslušných amplitud v rovině dopadu (v polarizační rovině) (viz 55).
Závislost velikosti Fresnelových amplitud odraženého i lomeného světla na úhlu dopadu a pro případ dopadu světla z vakua do skla (n2 = 1,50) je ukázán na obr. 55. Je zřejmé, že existuje úhel dopadu «3, pro který je rp = 0. Znamená to, že světlo dopadající na rozhraní pod úhlem «3 je po odrazu dokonale lineárně polarizováno tak, že elektrický vektor odražené vlny kmitá v rovině kolmé k rovině dopadu. Uhlu «3 říkáme Brewsterův úhel a platí pro něj vztah
tg as = —. (3.30)
169. Určete úhel dopadu a lomu světelného paprsku, je-li paprsek odražený od skleněné destičky (n = 1,50) zcela polarizován. a = 56,3° /3 = 33,7°
170. Vypočtěte Brewsterův úhel pro následující případy:
(a) světlo dopadá ze vzduchu na sklo s indexem lomu 1,6.
(b) světlo vychází ze skla s indexem lomu 1,6 do vzduchu.
59
Obrázek 55: Polarizace odrazem při dopadu pod Brewsterovým úhlem pro rozhraní vzduch a sklo (index lomu 1,5) - chod paprsků a závislost průběhu Fresnelových koeficientů na úhlu dopadu a.
(c) rozhlasová vlna dopadá na hladinu vody, jejíž index lomu pro uvažovaný kmitočet je roven 9.
(a) 58° (b)32° (c)83,7°
171. Mezní úhel pro světelný paprsek na rozhraní vzduch - jisté prostředí je 45°. Najděte Brewsterův úhel pro dopad ze vzduchu. 35,3°
60
Kapitola 4
Matematický dodatek
4.1 Goniometrické funkce
Zavedení funkcí pomocí jednotkové kružnice:
y n
sin (a)
sin (a) < 0 cos (a) <0
sin (a+2kn) = sin (a) cos (a+2kn) = cos (a), k je celé číslo
Základní hodnoty goniometrických funkcí:
a 0 71 6 71 4 71 3 71 2 % ■Í7l 2 2tí
sin(a) 0 1 2 V2 2. V3 2 1 0 -1 0
cos(a) 1 V3 2 V2 2 1 2 0 -1 0 1
tg(«) 0 V3 3 1 V3 oo 0 —co 0
cotg(a) oo V3 1 V3 3 0 —oo 0 oo
Grafy goniometrických funkcí:
tg (a)
J , J
0 í '
cofg (aj
"SN
Základní vlastnosti goniometrických funkcí:
61
periodicita:
derivace:
tg(a) = tg(a + k7t) cotg(a) = cotg(a + fc7ť)
cos(—a) = cos(a)
sin(a) = sin(a + 2fc^) cos(a) = cos(a + 2fc7r)
fcez
lichost a sudost:
sin(—a) = — sin(a) tg(-a) = -tg(a) cotg(-a) = —cotg(a)
vzájemné posunutí:
sin(a) = cos(a-f) tg(a) = —cotg(a —f) cos(a) = sin(a+f) cotg(a) = tg(| - a)
goniometrická jednička
sin2 (a) + cos2 (a) = 1
dvojnásobný argument
sin(2a) = 2sin(a) cos(a) cos(2a) = cos2(a) — sin2(a)
poloviční argument |sin(f)| =
1—cos(ot) 2
•■m
l+cos(ot) 2
součtové vzorce
sin(a + /3) = sin(a)cos(/3) + cos(a) sin(/5) sin (a — J3) = sin(a)cos(/3) — cos(a) sin(/5) cos (a + J3) = cos(a) cos(/5) — sin(a) sin(j8) cos (a — J3) = cos(a) cos(/5) + sin(a) sin(j8)
vzorce pro součet funkcí sin(a) + sin(j8) = 2sin |
\ ' <*-B\
) COS \ 2 )
\ . 'a-B\
Isin ,2 )
cos(a) + cos(/3) = 2cos
cos
cos(a) - cos(/5) = -2sin sin
a—f: 2
(sin(a))' = cos(a) (cos(a))' = — sin(a) (arcsin(a))' = , 1 (arccos(a))':
integrály:
J sin(a)da = — cos(a) J cos(a)da = sin(a)
další integrály obsahující sinus a kosinus
J sin2(a)da = \a— 7jsin(2a) J cos2(a)da = \a+ \sm(2á) J sin(a)cos(a)da = \ sin2 (a)
pro m, n celé kladné, m ^ n lze vyčíslit následující integrály
J sin(ma)da = — — cos(raa) J cos(ma)da = ^ sin(ma)
ľ • I ™\ I „\ j„ cos((m+n)a) cos((m—n)a)
j sin(ma) cos(na)da —----—----—
2{m-\-n) 2{m—n)
s'm((m—n)ct) , sin((m+řz)Cř)
2{m—n) 2(m+n)
s'm((m—n)ct) s'm((m+n)ct)
J cos(raa) cos(na)da = J sinn(a)da = — ^cos(a) sin"_1(a) + ^ J sinn~2(a)da J cos" (a)da = — \ sin(a) cos"_1(a) + ^ J cos"~2(a) l
-2 -1 Logaritmické funkce:
x = logay^ax =y
(p, q jsou reálná čísla, m, n, a ^ 1 jsou čísla celá kladná)
* logfl(/?-9) =1°gfl/? + logfl9
* logflf =logfljp-logfl?
63
4.5 Hyperbolické funkce
64
cosh(—a) = cosh(a)
lichost a sudost: sinh(—a) = — sinh(a) tgh(-a) = -tgh(a) cotgh(—a) = — cotgh(a)
základní vztah 9 9
cosh (a) — sinh (a) = 1
souvislost s goniometrickými funkcemi (i2 = — 1):
sinh(a) = —;sin(/a) cosh(a) = cos(/a) tgh (a) = —ítg(ía) cotgh (a) = /cotg(/a)
derivace:
(sinh(a))' = cosh(a) (cosh(a))' = sinh(a) integrály:
/ sinh(a)