Лекция 1 Кіріспе Физика пәнінде оптиканың орны

Лекция – 1. Кіріспе. Физика пәнінде оптиканың орны және басқа пәндермен байланысы. Жарықтың электромагниттік табиғаты. Фотометриялық ұғымдар мен шамалар. Оптика - физика ғылымының дербес салаларының бірі. «Оптика» - гректің optos - көрінетін сөзінен шыққан, optike - көру (көзбен қабылдау) жөніндегі ғылым деген мағына береді. Оптика пән ретінде физикалық, геометриялық және физиологиялық болып бөлінеді. Физикалық оптика жарықтың табиғаты және жарық құбылыстарымен байланысты мәселелерді қарастырады. Физикалық оптикада қарастырылатын мәселелерге жарық табиғатын жан-жақты зерттеу, оның толқындық және кванттық қасиеттері, изотропты және анизотропты орталарда таралу заңдары, электромагниттік сәуленің шығарылу, жұтылу, шашырау процестерінде білінетін жарықтың затпен әсерлесулері жатады.

Геометриялық оптика кескіндердің жарық сәулелер көмегімен қалыптасуын қарастырады. Геометриялық оптика негізінде жарықтың изотропты орталарда түзу сызықты таралу заңы және жарық сәулелерінің тәуелсіз таралу заңы; оптикалық қасиеттері әртүрлі орталар шекараларындағы сыну және шағылу заңдары алынады. Жарық сәулелердің табиғаты геометриялық оптикада қарастырылмайды. Практикалық мәселелердің көпшілігін геометриялық оптика заңдары көмегімен шешуге болады. Физиологиялық оптика-көру арқылы көздің қабылдауы жайындағы ғылым - көру механизмін, көздің жарықты қабылдауын зерттейді. Оптиканың практикалық мәні және оның білімнің басқа салаларына ықпалы ерекше зор. Телескоп пен спектроскоптың ойлап шығарылуы адамға шексіз Әлем кеңістігінде өтетін құбылыстардың таңғажайып әрі бай дүниесінің есігін ашып бергені белгілі. Микроскоптың ойлап шығарылуы кезінде биологияда төңкеріс жасады. Фотография ғылымның барлық саласында қолданылады.

Негізгі әдебиет: 1. Жуманов К. Б. Оптика негіздері. 1, 2 бөлімдері. Алматы: «Қазақ университеті» , 2004. 2. Жұманов К. Б. , Сарсембинов Ш. Ш. Оптика, Алматы, 2007. 3. Полатбеков П. П. Оптика. Алматы: Мектеп, 1981. 4. Полатбеков П. П. Оптикалық спектрлер. Алматы: Мектеп, 1961. 5. Ландсберг Г. С. Оптика. М. : Наука, 1976. 6. Бутиков Е. И. Оптика. М. : ВШ, 1986. 7. Матвеев А. Н. Оптика. М. : ВШ, 1985. 8. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 3. М. : Наука, 1976. 9. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 3. М. : Наука, 1989. 10. Ахметов Е. А. , Сарсембинов Ш. Ш. , Ронжин В. В. , Көшкімбаева А. Ш. Жалпы физикалық практикум. Оптика. Алматы: «Megapolіs corporatіon» , 1999. 11. Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. Ивероновой В. И. М. : Наука, 1966. 12. Волькенштейн В. С. Жалпы физика курсы бойынша есептер жинағы. Санкт – Петербург, «Книжный мир» , 2005. Қосымша әдебиет: 1. Кортнев А. В. и др. Практикум по общей физике. М. 1965. 2. Шишловский А. А. Прикладная физическая оптика. М. 1965. 3. Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л. Л. М. : Наука, 1983.

Э-М толқындар шкаласы

• Электромагниттік толқындармен жүргізілген тәжірибелер көрінетін жарық - бұл жиіліктері 4*1014 Гц-тен 8*1014 Гц-ке дейінгі аралықта, бұларға сәйкес толқын ұзындықтары 380 нм-ден 780 нм-ге дейінгі аралықта жататын электромагниттік сәуле екендігін көрсетті. • Электромагниттік толқындар радиотолқындарға, инфрақызыл, көрінетін, ультракүлгін, рентгендік және -сәулелерге бөлінеді. • Радиотолқындар деп толқын ұзындықтары 0, 1 ммден артық электромагниттік толқындарды айтады. • Оптикалық электромагниттік сәуле спектрі инфрақызыл сәуленің шартты шекарасынан (λ=2 мм, ν=1, 5*1011 Гц) бастап ультракүлгін сәуленің шартты шекарасына (λ=10 -6 см, ν=3*1016 Гц) дейінгі аумақты алып жатады.

Заманауи оптика

Оптика в настоящее время 1

Оптика в технике, медицине, биологии

Оптические явления в природе

Жарық туралы ілімнің дамуына тарихи шолу Ерте заман және орта ғасырлардағы оптика. Көне грек философтары мен математиктері-Пифагор (б. д. д. 582 -500 ж. ж. ), Эмпедокл (б. д. д. 492 -432 ж. ж. ), Демокрит (б. д. д. 400 -370 ж. ж. ), Евклид (б. д. д. 300 ж. ж. ), Платон (б. д. д. 427 -347 ж. ж. ), және басқалары жарық құбылыстары табиғатын көру сезімін негізге алып түсіндіруге тырысқан. Евклидтің пікірінше, көзден “көру сәулелері” шығарылады, бұлардың ұштары нәрсені (затты) сипалайды, бұл көру сезімін туғызады. Евклид жарықты зерттеуге математиканы қолдынып жарықтың айналардан шағылу заңдарын тағайындады. Ол жарықтың түзу сызықты таралуы жайындағы ілімнің негізін қалаушы болып табылады. Эмпедоклдың пікірінше, жарық шығаратын денелерден көзге ағыс бағытталады, ал көзден де денелерге қарай ағыс шығарылады. Осы ағыстар түйіскен жағдайда көру сезімі пайда болады. Демокрит көру сәулелері жайындағы түсінікті толығымен жоққа шығарады. Оның көзқарасына сәйкес денелерден шығарылатын атомдар көз бетіне түскенде көру сезімі пайда болады. Біздің дәуірімізге дейінгі III ғ. өзінде геометриялық оптика негізі қаланған. Бұған дәлел Евклидтің өзіне дейінгі белгілі тәжірибе деректерін қорыту нәтижесінде жазылған «Оптика» , «Катоптика» деген еңбектерінде геометриялық оптиканың негіздері баяндалады.

Пифагор История оптики 1 Эмпедокл (ок. 493 – 570 г. до н. э 433 до н. э. ) выдвинул теорию считал, что объекты становятся видимыми благодаря “выстреливаемым” ими крохотным частицам , попадающим в глаз человека. окулярных пучков, по которой предметы становятся видимыми благодаря использованию неуловимого щупальца, простирающегося от глаза и захватывающего видимый предмет. По существу, пытался свести зрение к осязанию. Аристотель (384 -322 гг. до н. э. ) Написал первый учебник физики, установил основные законы оптических явлений: прямолинейное распространение света, отражение световых лучей от зеркальных поверхностей, преломление лучей на границе прозрачных сред, например, воды и воздуха

Эвклид (III в. до н. э. ) Архимед (287 -212 гг. до н. э. ) История оптики 2 в трактатах “Оптика” и “Катоптрика” изложены результаты оптических исследований законов распространения и отражения света. Считается основоположником геометрической оптики. По преданию, Архимед сжег римский флот близ Сиракуз с помощью “зажигательных” вогнутых зеркал. Герон Александрийский ( I-II вв. н. э. ) преподавал в Александрии , Клавдий Птолемей (Альмагест) (II в. н. э. )- астроном Ибн ал-Хайсам (Альхазен) (965 -1039 гг. ) , XIII в – прозрачное стекло, очки, зеркала (Фландрия) II – XVI - в Европе господство инквизиции

История оптики 3 Галилео Галилей (1564 - 1642) создатель мастерской производства телескопов и подзорных труб, положил начало крушению инквизиции (подзорные трубы использовались в военом деле). Иоганн Кеплер (1571 -1630) Сформулировал основной закон фотометрии: обратно-пропорциональная зависимость между освещенностью и квадратом расстояния до источника света. Главным трудом по оптике стал трактат - "Диоптрика“. (оптическая ось, фокус системы) Исаак Ньютон (1643 - 1727) Основоположник современной физики. Создал огромный труд “Математические начала натуральной философии”, Оптические исследования изложил в учебнике “Оптика” (1704).

Ежелгі оптика заңдары 1 1. Жарықтың түзу сызықты таралу заңы Камера обскура «Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям»

Ежелгі оптика заңдары 2 2. Закон независимости световых пучков а) «Распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет» б) «Освещенность экрана, создаваемая несколькими пучками, равна сумме освещенностей создаваемых каждым пучком в отдельности» .

Ежелгі оптика заңдары 3 3. Закон бесконечной узости световых лучей «Любой луч можно разбить на множество ещё более узких лучей» 4. Закон отражения световых лучей. «Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем угол падения равен углу отражения, лучи обратимы» . a=

Ежелгі оптика заңдары 5 5. Закон обратимости (или взаимности) световых лучей. «Если на встречу лучу, претерпевшему ряд отражений и преломлений, пустить другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый (прямой) луч, но в обратном направлении» .

- Лучи, исходящие из глаза, распространяются прямолинейно и расходятся в бесконечность. - Фигура, охватываемая совокупностью зрительных лучей, есть конус, вершина которого расположена в глазу, а основание - на поверхности видимых предметов - Видимы те предметы, на которые падают зрительные лучи, и невидимы те, на которые зрительные лучи не падают.

- Предметы, видимые под большими углами, кажутся больше, видимые под меньшими углами кажутся меньше, а видимые под равными углами кажутся одинаковыми. - Предметы, видимые под большими углами различаются более отчетливо.

- Все лучи обладают одинаковой скоростью. - Луч есть прямая линия, средние участки которой соединяют концы. - Все, что видимо, видимо в прямолинейном направлении.

Геометриялық оптика заңдары 1 6. Сыну заңы Абсолютный показатель преломления среды – это показатель преломления среды относительно вакуума.

Геометриялық оптика заңдары 2 6. Толық ішкі шағылу заңы Возможен в случае, если падающий на границу раздела луч распространяется в оптически более плотной среде.

Геометриялық оптика заңдары 3 8. Ферма принципі L= n*l - оптический путь. ( l – длина траектории луча в среде, n – показатель преломления среды). Лучи имеющие одинаковый оптический путь, но разную траекторию, называются таутохромными.

Негізгі қорытындылар • Жарық энергия тасымалдайды • Энергия негізгі екі жолмен – бөлшектер немесе толқындар көмегімен тасымалдануы мүмкін. Бірінші жағдайда энергия тасымалдаушы материалдық бөлшектер болады, ал екінші жағдайда толқындар энергияны үлкен қашықтықтарға тасымалдай алады, бірақ осы жағдайда массаның орын ауыстырылуы болмайды. • жарық өзінің корпускулалық және толқындық табиғатын айқын байқатпайды; • 19 ғ. аяғында жарықтың электромагниттік толқын екендігі тағайындалды. 20 ғасырда бұған түзетулер мен өзгерістер енгізілгенімен, жарықтың толқындық теориясы өте сәтті болып шықты.

Энергетикалық және фотометриялық шамалар Оптикалық аумаққа жататын электромагниттік толқындардың тасымалдайтын энергиясын өлшеулермен шұғылданатын оптика бөлімі фотометрия деп аталады. Жарық өте сирек жағдайларда ғана бір толқын ұзындықтан тұратын, монохроматты толқын болады. Көбінесе толқын ұзындықтары әртүрлі көрінетін де, көрінбейтін де аймаққа жататын толқындар қабаттасып тұрады. Қатты қыздырылған денелер шығаратын ақ жарықта толқын ұзындықтары әртүрлі толқындар болады. Сондықтан осындай жарықты толық энергетикалық сипаттау үшін энергияның толқын ұзындықтар бойынша үлестірілуі көрсетілуі керек.

Энергетикалық шамалар. Электромагниттік толқындардың энергетикалық жағын сипаттайтын шамалар энергияны, энергия ағынын және т. б. өлшеу үшін қолданылатын жалпы энергетикалық бірліктермен өлшенеді. Жарықтың қолданылу салаларында сәуле интенсивтігінің объективтік энергетикалық сипаттамасы ғана емес, бақылаушы көзіне оның әсер ету өлшемі де маңызды. Мәселен, 800 К-ге дейін қыздырылған дене инфрақызыл сәулелерді қарқынды шығарады, бірақ осы сәулелер көрінбейді және көздің қабылдаған бұлардың интенсивтігі нөлге тең болады. Сондықтан: энергетикалық (объективті энергетикалық сипаттамалар бойынша бағаланатын) және фотометриялық (көзге әсер етуі бойынша бағаланатын) бірліктерді енгізу қажет.

Спектральная плотность потока излучения Фl(l)– это функция, показывающая распределение энергии по спектру излучения: (1. 1)

Фотометриялық шамалар. • Бұлар энергетикалық шамаларға ұқсас, бірақ негізгі шама ретінде жарық күші алынады. Жарық күшінің бірлігі-кандела қара сәуле шығарғыш көмегімен анықталады; қара сәуле шығарғыш платинаның қату температурасы жағдайында істейтін негізгі эталон ретінде қабылданған. • Бұл эталон 1967 ж. өлшемдер және таразылар бойынша ХIII Бас конференция шешімімен бекітілген. Ол төмен жағы жабық диаметрі ~2 мм және ұзындығы 40 мм керамика түтікшеден тұрады. Бұл түтікше балқыту үшін таза платинамен толтырылған тигельде орналастырылған. Салқындатқан кезде платина қатаяды және оның температурасы орнығады және 2045 К мәнінде сақталады. Басқа жарық көзінен шыққан жарық күші, оның және эталонның жасайтын жарықталуларын салыстырудан анықталады.

Жарық ағыны. Жарық ағыны деп жарық көзінің жарық күшінің, ішінде шығарылған жарық таралатын денелік бұрышқа көбейтіндісін айтады Сурет1. 1. Жарық ағыны

Энергетические единицы 2 Поверхностная плотность потока энергии Ee – это величина потока, (1. 3) приходящегося на единицу площади: Если площадка освещается потоком, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической освещенности или облученности Если поток излучается площадкой, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической светимости. Если поток пересекает условную площадку, перпендикулярную направлению потока излучения, то плотность потока энергии будет иметь смысл интенсивности излучения. e J Интенсивность излучения это модуль вектора Пойнтинга | Р |

Энергетические единицы 3 Сила излучения (энергетическая сила света) – это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется (1. 5) Телесный угол данного конуса равен отношению площади S поверхности, вырезанной на сфере конусом, к квадрату радиуса r сферы. Телесный угол измеряется в стерадианах (в сфере 4 p ср).

Энергетические единицы 4 Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении. (1. 11)

Энергетические единицы 5 Энергетический коэффициент пропускания te– это отношение энергетического светового потока Ф'е , пропущенного данным телом, к энергетическому потоку Фе , упавшему на него : оптическая плотность среды – логарифм величины, обратной пропусканию.

Световые величины 1 У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как глаз не может провести спектральный анализ. Исторически сложилось что, исходная единица – это сила света. Сила света определяется аналогично энергетической силе света: (2. 1) кд – (кандела) - единица измерения силы света 1 кандела– сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре затвердевания платины( 20420 K) площадью 1/60 см 2.

Световые величины 2 Поток излучения: [лм] (2. 2) 1 люмен - это поток, который излучается источником с силой света 1 кд в телесном угле 1 ср: 1 лм =1 кд*1 ср

Световые величины 3 Освещенность: [лк] (2. 3) 1 люкс– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в 1 лм. Светимость: за единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с 1 м 2 световой поток, равный 1 лм. Интенсивность излучения: За единицу интенсивности света принимают такую интенсивность, при которой условное сечение пространства площадью 1 м 2, нормально к нему, пересекает световой поток, равный 1 лм

Световые величины 4 Яркость: За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света 1 кд с 1 м 2. Световая экспозиция – это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время (освещенность, накопленная за время от t 1 до t 2):

Связь световых и энергетических величин устанавливается через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально. Функция показывает, как глаз днём воспринимает видности– излучение различного спектрального состава. Определить некую световую величину Q (поток, сила света, яркость, и т. д. ), по спектральной плотности соответствующей ей энергетической величины Qel можно по общей формуле: (3. 1) При освещённости Е > 100 лк

Модели источников излучения Источник излучения – это некоторая поверхность, излучающая энергию. Общими характеристиками источника излучения являются: 1. Поток излучения. 2. Диаграмма силы света (светометрическое тело силы света) – показывает распределение силы света в пространстве. Сила света зависит от двух углов во взаимно перпендикулярных направлениях. Диаграмма силы света. 3. Яркость L(x, y, j, q) – наиболее полная характеристика, где x, y – координаты на поверхности источника, – углы в полярных координатах.

Ламбертовский излучатель - это такой излучатель, у которого яркость постоянна и не зависит от направления (то есть не зависит от положения точки на поверхности и от угла наблюдения). Плоский ламбертовский излучатель Силу света от такого источника можно вычислить, зная яркость источника: S 0– источник, I 0– сила света в направлении нормали к поверхности, q– угол между рассматриваемым направлением и нормалью. Сферический ламбертовский излучатель Сила света от сферического ламбертовского источника постоянна во всех направлениях:

Закон обратных квадратов Освещенность, создаваемая точечным источником обратно пропорциональна расстоянию от источника до поверхности и прямо пропорционально косинусу угла, между направлением светового потока и нормалью к освещаемой поверхности: где – I сила света источника в направлении освещаемой точки.