Часть3 Оптика Атомная физика Оптика раздел

Часть3. Оптика. Атомная физика • Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части: • геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах; • волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света; • квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Лекция 1. Представления о свете. Геометрическая оптика • Савельев И. В. Курс общей физики • Смык А. Ф. Курс лекций. Часть 3. –МГУП

Две противоположные точки зрения на природу света И. Ньютон: свет – это поток корпускул. Х. Гюйгенс: свет- это распространение волны в среде. Победила точка зрения Ньютона почти на 150 лет. Френель и Юнг доказали, что свет – это все-таки распространяющаяся волна. Но в чем она распространяется? Ответ: свет – поперечная волна и распространяется в упругом эфире. Максвелл и Герц: свет – это электромагнитная волна, которая может распространяться в пустоте (вакууме). Эйнштейн: свет- это кванты(порции элм. энергии) или опять же корпускулы.

Что такое волна? Волна – это распространяющееся в пространстве колебание.

Волновое уравнение. Как выглядит волновое уравнение, описывающее распространение колебаний вдоль оси х? Пусть - есть величина, которая колеблется, тогда: Решением волнового уравнения может быть любая Дважды дифференцируемая функция от аргумента , где - скорость распространения возмущения. - волна идет в положительном направлении; - возмущение идет в отрицательном направлении

Для гармонических волн: , где Т – период колебаний, - [Гц] - кол-во колебаний в секунду. , где λ – длина волны или => тогда - это просто более удобная форма записи Решения волнового уравнения для плоской ( А – не зависит от Координаты) гармонической (cos или sin) монохроматической (λ=const) волны.

Из уравнений Максвелла в вакууме можно получить: и . Это означает, что вектора напряженности электрического поля и магнитного поля подчиняются волновому уравнению. 1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. 2. Электромагнитные волны поперечны – векторы E и B перпендикулярны другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны V

Если элм. волна распространяется в среде (например в стекле) с диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью , то скорость будет следующая: Электромагнитные волны существуют в очень широком диапазоне длин волн. Все, что мы видим и ощущаем вокруг нас (свет, тепло)– является электромагнитными волнами.

Шкала электромагнитных волн

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380— 760 нм (от фиолетового до красного).

Белый свет – это сумма всех цветов спектра

Геометрическая оптика • раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах. • Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что характерные геометрические размеры оптической системы много больше длины волны излучения ( м ).

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов: • • • Закон прямолинейного распространения света Закон независимого распространения лучей Закон отражения света Закон преломления света (Закон Снелла) Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде • Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2: • Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n = n 2 / n 1.

Преломление света на границе двух сред с различным показателем преломления

• Если , имеет место полное внутреннее отражение (преломлённый луч отсутствует, падающий луч полностью отражается от границы раздела сред) Полное внутреннее отражение света на границе вода– воздух; S – точечный источник света

Полное внутреннее отражение света

Эффект полного внутреннего отражения используется в световодах

• Простейшим оптическим устройством, способным создавать изображение предмета, является плоское зеркало. Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым, так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье»

Ход лучей при отражении от плоского зеркала. Точка S' является мнимым изображением точки S

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. 1. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала. 2. Вершину сферического сегмента называют полюсом. 3. Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

• Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. • Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом F зеркала. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой F. • У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала.

Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферического зеркала. Точки O – оптический центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала

Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым. • Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения

Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале

Линзы • Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой. • Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше

• Прямая, проходящая через центры кривизны O 1 и O 2 сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. • В случае тонких линз приближенно можно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы O. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. • Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями

Точки O 1 и O 2 – центры сферических поверхностей, O 1 O 2 – главная оптическая ось, O – оптический центр, F – главный фокус, F' – побочный фокус, OF' – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость

Построение изображения в собирающей линзе Формула тонкой линзы • Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. • Единицей измерения оптической силы является диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м: 1 дптр = м– 1.

Построение изображения в рассеивающей линзе

Собирающие (a) и рассеивающие (b) линзы и их условные обозначения • Тонкие линзы обладают рядом недостатков, не позволяющих получать высококачественные изображения. Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями. • Главные из них – сферическая и хроматическая аберрации.

• Сферическая аберрация проявляется в том, что в случае широких световых пучков лучи, далекие от оптической оси, пересекают ее не в фокусе. • Формула тонкой линзы справедлива только для лучей, близких к оптической оси. • Изображение удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей, преломленных линзой, оказывается размытым.

• Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что показатель преломления материала линзы зависит от длины волны света λ. Это свойство прозрачных сред называется дисперсией. Фокусное расстояние линзы оказывается различным для света с разными длинами волн, что приводит к размытию изображения при использовании немонохроматического света. • В современных оптических приборах применяются не тонкие линзы, а сложные многолинзовые системы, в которых удается приближенно устранить различные аберрации.

• Линзы являются универсальным оптическим элементом большинства оптических систем. • Традиционное применение линз — бинокли, телескопы, оптические прицелы, теодолиты, микроскопы и фотовидеотехника. Одиночные собирающие линзы используются как увеличительные стёкла. • Другая важная сфера применения линз офтальмология, где без них невозможно исправление недостатков зрения — близорукости, дальнозоркости, неправильной аккомодации, астигматизма и других заболеваний. Линзы используют в таких приспособлениях, как очки и контактные линзы. • В радиоастрономии и радарах часто используются диэлектрические линзы, собирающие поток радиоволн в приёмную антенну, либо фокусирующие на цели.