ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light

งานนำเสนอเรื่อง: "ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light
การแทรกสอด (Interference / superposition) การเลี้ยวเบนและแทรกสอดผ่านช่องเปิดคู่ การสะท้อนกลับเฟส แสงโพลาไรส์ ฟิสิกส์เบื้องต้น II 2/2556 ภุชงค์ กิจอำนาจสุข

2 ธรรมชาติของแสง (The Nature of Light)
แสง (visible light) คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตามนุษย์สามารถรับรู้ได้ 380 nm 740 nm ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ

3 ธรรมชาติของแสง (The Nature of Light)
แสง มีสมบัติทวิภาค (duality) “Light exhibits the characteristics of a wave in some situations and the characteristics of a particle in other situations.” “แสงแสดงสมบัติของ คลื่น ในบางสถานะการณ์ และแสดงสมบัติของ อนุภาค ในบางสถานะการณ์” 𝑬=𝒉𝒇 ค่าคงตัวของแพลงค์ 𝒉=𝟔.𝟔𝟑×𝟏 𝟎 −𝟑𝟒 𝐉⋅𝐬 ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ

4 (Reflection) (Refraction) (Interference) (Diffraction) แทรกสอดแบบหักล้างกัน

5 ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light
การแทรกสอด (Interference / superposition) การเลี้ยวเบนและแทรกสอดผ่านช่องเปิดคู่ การสะท้อนกลับเฟส แสงโพลาไรส์ ฟิสิกส์เบื้องต้น II 2/2556 ภุชงค์ กิจอำนาจสุข

6 การแทรกสอด (Interference)
แทรกสอดแบบเสริมกัน Constructive interference แทรกสอดแบบหักล้างกัน Destructive interference

7 การแทรกสอด (Interference)

8 การแทรกสอด (Interference)
เงื่อนไขการการแทรกสอด The sources must be coherent; that is, they must maintain a constant phase with respect to each other. แหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์ คือมีความถี่เดียวกันและความต่างเฟสคงตัว The sources should be monochromatic; that is, they should be of a single wavelength. แหล่งกำเนิดแสงเอกรงค์ คือ สี/ความยาวคลื่นเดียว

9 ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light
การแทรกสอด (Interference / superposition) การเลี้ยวเบนและแทรกสอดผ่านช่องเปิดคู่ การสะท้อนกลับเฟส แสงโพลาไรส์ ฟิสิกส์เบื้องต้น II 2/2556 ภุชงค์ กิจอำนาจสุข

10 การทดลองช่องเปิดคู่ของยัง (Young’s Double-Slit Experiment)

11 การทดลองช่องเปิดคู่ของยัง (Young’s Double-Slit Experiment)

12 เงื่อนไขการเกิดแถบมืดและแถบสว่างโดย แหล่งกำเนิดแสง อาพันธ์และเอกรงค์
ความต่างเฟส แปรผันตาม ความต่างของเส้นทางเดินของแสง Phase different ∝ Path different Δ𝑋 ∝Δ𝜙 𝚫𝐗= 𝝀𝚫𝝓 𝟐𝝅 การแทรกสอดแบบเสริมกัน: Δ𝑋=𝑚𝜆; 𝑚=0,1,2,… การแทรกสอดแบบหักล้างกัน: Δ𝑋=𝑛𝜆; 𝑛= 1 2 , 3 2 , 5 2 ,…

13 การทดลองช่องเปิดคู่ของยัง (Young’s Double-Slit Experiment)
screen P r1 r2 y d r2-r1 q L แถบสว่าง Bright fringes แถบมืด Dark fringes

14 การทดลองช่องเปิดคู่ของยัง (Young’s Double-Slit Experiment)
screen P ym L q r1 r2

15 การทดลองช่องเปิดคู่ของยัง (Young’s Double-Slit Experiment)
Summary the positions of the bright fringes: the positions of the dark fringes:

16 01420118 ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ
ตัวอย่าง ฉากอยู่ที่ระยะ 3.0m จากช่องเปิดคู่ซึ่งมีระยะระหว่างช่องเปิด 15nm แสงเอกรงค์ความยาวคลื่น 4000nm ระยะห่างจากแถบสว่างอันดับที่ m=1 กับแถบสว่างกลางมีค่าเท่าใด 1. คำนวณหามุมของแถบสว่างอันดับที่ 1 จากสมการ 𝑚𝜆=𝑑 sin 𝜃 => × 10 −6 m = 1.5× 10 −5 m sin 𝜃 sin 𝜃 = × 10 −6 m 1.5× 10 −5 m คำนวณระยะแถบสว่างบนฉากสมการ 𝑦/𝐿= tan 𝜃 โดยการประมาณ sin 𝜃 ≈ tan 𝜃 𝑦 = 3.0m 4.0× 10 −6 m 1.5× 10 −5 m 1 =80.0 m 15mm ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ

17 01420118 ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ
คำถาม ฉากอยู่ที่ระยะ 3.0m จากช่องเปิดคู่ซึ่งมีระยะระหว่างช่องเปิด 15nm แสงเอกรงค์ความยาวคลื่น 4000nm ระยะห่างจากแถบสว่างอันดับที่ m=2 กับแถบสว่างอันดับที่ m=1 มีค่าเท่าใด 15mm บนฉาก ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ

18 ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light
การแทรกสอด (Interference / superposition) การเลี้ยวเบนและแทรกสอดผ่านช่องเปิดคู่ การสะท้อนกลับเฟส แสงโพลาไรส์ ฟิสิกส์เบื้องต้น II 2/2556 ภุชงค์ กิจอำนาจสุข

19 การสะท้อนแบบกลับเฟส และการแทรกสอดผ่านฟิลม์บาง

20 Interference in Thin Films

21 Interference in Thin Films

22 Interference in Thin Films
Dark and bright fringes depend on the thickness of film and wavelength of light. bright fringes dark fringes

23 ตัวอย่าง Ex คำนวณความหนาต่ำสุดของฟิลม์ฟองสบู่ซึ่งทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันของแสงสะท้อน เมื่อฟิลม์ถูกฉายด้วยแสงความยาวคลื่น𝜆=600𝑛𝑚 ดรรชนีหักเหของฟิลม์ 𝑛 𝑓𝑖𝑙𝑚 =1.33

24 Ex โซลาร์เซลซิลิกอน 𝑛 Si =3
Ex โซลาร์เซลซิลิกอน 𝑛 Si =3.5 เคลือบด้วยฟิลม์บางซิลิกอนออกไซด์ โดยที่ 𝑛 SiO = 1.45 เพื่อลดการสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนจากผิว จงหาความหนาน้อยสุดที่จะทำให้เกิดการสะท้อนน้อยที่สุดสำหรับแสงความยาวคลื่น 550 nm. จบที่นี้

25 ทัศนศาสตร์กายภาพ The Nature of light
การแทรกสอด (Interference / superposition) การเลี้ยวเบนและแทรกสอดผ่านช่องเปิดคู่ การสะท้อนกลับเฟส แสงโพลาไรส์ ฟิสิกส์เบื้องต้น II 2/2556 ภุชงค์ กิจอำนาจสุข

26 การโพลาไรซ์ของคลื่นแสง
คลื่นมีโพลาไรซ์เชิงเส้นสัมพันธ์ เมื่อการสั่นของสนามไฟฟ้าอยู่ในทิศทางเดียวกัน Unpolarized light Polarized light

27

28 Processes for producing polarized light
1. Polaroid 2. Polarization by Reflection 3. Polarization by Double Refraction 4. Polarization by Scattering

29 Polarization by Polaroid
Only a fraction of the light incident on the polaroid is transmitted through it. the intensity of the transmitted beam (polarized)

30 Example Ex แสงไม่โพลาไรซ์กระทบกับ ตัวทำแสงโพลาไรซ์ 3 แผ่น แผ่นแรกมีแนวโพลาไรซ์วางในแนวดิ่ง แผ่นที่ 2 มีแนวโพลาไรซ์ทำมุม 30๐ กับแผ่นแรก และแผ่นที่ 3 หมุนไป 75 ๐ เทียบกับแผ่นแรก หากแสงเข้ามามีความเข้ม Ib แสงที่ผ่านตัวทำแสงโพลาไรซ์แต่ละแผ่นมีค่าเท่าใด

31 Polarization by Reflection
The reflected beam is completely polarized when the reflected and refracted rays are perpendicular to each other.

32 Polarization by Reflection
The index of refraction of the substance can be calculated from polarizing angle by using Brewster’s law. partially polarized

33 ตัวอย่าง Ex แสงไม่โพลาไรซ์จากอากาศพุ่งเข้าหาตัวกลางที่มุม 56.3° เทียบกับแนวเส้นปรกติ รังสีที่สะท้อนออกมาเป็นแสงโพลาไรซ์สมบูรณ์ จงหาดรรชนีหักเหแสงของตัวกลางโปร่งแสงและมุมหักเหในตัวกลางดังกล่าว Brewster’s law n2 n1 = 1 From Snell’s law

34 การสะท้อนกลับเฟสและการแทรกสอดผ่านฟิลม์บาง
กรณีฟิลม์บางความหนาtแสงที่สะท้อนจากผิวบนและล่างจะมีความแตกต่างของทางเดินแสงเท่ากับ2𝑡ซึ่งทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันที่ผิวด้านบนของฟิลม์สามารถคำนวณได้ดังสมการ a)2𝑡= 𝑛 𝜆 𝑓𝑖𝑙𝑚 หรือb) 2𝑡=𝑛 𝜆 𝑓𝑖𝑙𝑚 ความยาวในฟิลม์แปรตามดรรชนีหักเหแสงมีค่าดังสมการ 𝜆 𝑓𝑖𝑙𝑚 = 𝜆 𝑣𝑎𝑐 𝑛 (**) แสงเมื่อสะท้อนจากผิวที่มีดรรชนีหักเหมากกว่าจะเกิดการกลับเฟส 180 องศาซึ่งเฟสของแสง 180 องศาสัมพันธ์กับครึ่งความยาวคลื่น𝜆/2 ตัวอย่างฟองสบู่ในอากาศจะเกิดการสะท้อนกลับเฟส 180 องศาที่ผิวบนเท่านั้นใช้สมการ a) เพื่อหาเงื่อนไขการแทรกสอดเสริมกันที่ผิวบน ตัวอย่างกรณึฟิลม์บนแก้วจะเกิดการกลับเฟสทั้งสองผิวสะท้อน film lfilm t m m ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ

35 ตัวอย่างการสะท้อนจากฟิลม์บาง
ฟิลม์ฟองสบู่ล้อมรอบด้วยอากาศ เงื่อนไขการแทรกสอดแบบหักล้างกัน 𝟐𝒕=𝒎 𝝀 𝒔𝒐𝒂𝒑 เงื่อนไขการแทรกสอดแบบเสริมกัน 𝟐𝒕= 𝒎+ 𝟏 𝟐 𝝀 𝒔𝒐𝒂𝒑 คำอธิบาย การกลับเฟส ½lที่ผิวบนจากอากาศ-สบู่ ไม่มีการกลับเฟสที่ผิวสบู่-อากาศ 𝝀 𝒔𝒐𝒂𝒑 = 𝝀 𝒏 𝒔𝒐𝒂𝒑 n d ฟิสิกส์พื้นฐาน II - ทัศนศาสตร์กายภาพ