ОПТИКА геометрическая волновая РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ

ОПТИКА геометрическая волновая

РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА Уже в XVII веке возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: корпускулярная и волновая. Корпускулярная теория (основоположник Исаак Ньютон), в которой свет моделируется потоком частиц, хорошо объясняет прямолинейное распространение, отражение, преломление, но не в состоянии объяснить явления интерференции и дифракции света. Волновая теория (основоположник Христиан Гюйгенс) объясняет интерференционные и дифракционные явления, но встречает трудности при объяснении прямолинейного распространения света. В XIX веке Максвеллом, Герцем и другими исследователями доказано, что свет - это электромагнитная волна. Однако, в начале XX века было установлено, что при взаимодействии с веществом свет проявляет себя как поток частиц. Таким образом, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: при интерференции и дифракции проявляются, главным образом, волновые свойства света, а при излучении и поглощении корпускулярные.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА 1. Прямолинейное распространение света. 2. Отражение света. Закон отражения света. 3. Плоское зеркало. Построение изображений в плоском зеркале. 4. Преломление света. Закон преломления света. Полное отражение. 5. Линза. Формула тонкой линзы. 6. Построение изображения, даваемого собирающей линзой. 7. Оптические приборы.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА 1. Свет – электромагнитная электромагнитных излучений 2. Интерференция света 3. Дифракция света 4. Дифракционная решетка 5. Поляризация света 6. Дисперсия света волна. Виды

Прямолинейное распространение света Закон прямолинейного распространения света: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством закона объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника получается резко очерченная тень (рис. 1). При больших размерах источника создаются нерезкие тени. От каждой точки источника свет распространяется прямолинейно и предмет, освещенный уже двумя светящимися точками, даст две несовпадающие тени, наложение которых образует тень неравномерной густоты. Полная тень при протяженном источнике образуется лишь в тех участках экрана, куда свет не попадает совсем. По краям полной тени располагается более светлая область. Это полутень (рис. 2). Рис. 1 Рис. 2

Отражение света. Закон отражения света На границе двух сред луч меняет свое направление. Часть света возвращается в первую среду, т. е. отражается. Если граница имеет вид поверхности, размеры неровностей которой меньше длины световой волны, то она называется зеркальной. Лучи света, падающие на такую поверхность узким параллельным пучком, идут после отражения также по близким направлениям. Такое направленное отражение называют зеркальным (рис. 1). Если размеры неровностей больше длины волны света, то узкий пучок рассеивается на границе. После отражения лучи света идут по всевозможным направлениям. Такое отражение называют рассеянным или диффузным (рис. 2). Рис. 1 Рис. 2

Отражение света. Закон отражения света определяет взаимное расположение падающего луча, отраженного луча и перпендикуляра к поверхности, восстановленного в точке падения. Закон отражения света справедлив для волн любой природы и формулируется так: падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения γ равен углу падения α Закон будет выполняться и в том случае, если свет будет распространяться в обратном направлении. Обратимость хода световых лучей является их важным свойством.

Плоское зеркало. Построение изображений в плоском зеркале Пусть светящаяся точка находится перед плоским зеркалом. Для построения ее изображения рассмотрим несколько лучей, выходящих из точки S и попадающих после отражения в глаз наблюдателя. Наблюдателю кажется, что лучи выходят из точки S 1, которую можно найти, продолжив лучи в противоположную сторону до пересечения. Это изображение называется мнимым, так как в точке S 1 пересекаются продолжения лучей. Световая энергия в эту точку не поступает. Точка S 1 расположена симметрично точке S относительно зеркала. Поэтому для нахождения изображения точки достаточно опустить из нее на зеркало или на его продолжение перпендикуляр и продолжить его на такое же расстояние за зеркало.

Преломление света. Закон преломления света. Полное отражение На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Если вторая среда прозрачна, то часть света может пройти через границу сред, меняя при этом, как правило, направление своего распространения. Это явление называется преломлением света. Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение размеров, формы и расположения предметов (рис. 1). Подобные явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред. Луч, распространяющийся в первой среде и достигающий границы, называется падающим лучом. Он составляет с перпендикуляром к границе, проведенным через точку падения, угол α, называемый углом падения. Луч, прошедший во вторую среду, называют преломленным лучом. Угол β, который этот луч образует с тем же перпендикуляром, называют углом преломления (рис. 2). Рис. 1 Рис. 2

Преломление света. Закон преломления света. Полное отражение Закон преломления света: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой: α γ n 1 v 1 n 2 v 2 β Если свет переходит в прозрачную среду из вакуума, то относительный показатель преломления называется абсолютным. Абсолютный показатель преломления вакуума, очевидно, равен nвак = 1. Измерения показали, что nвоз = 1, 00029, то есть почти такой же, как вакуума.

Преломление света. Закон преломления света. Полное отражение Физический смысл относительного показателя преломления заключается в том, что он равен отношению скоростей света в граничащих средах (экспериментальный факт): Отсюда следует, что Абсолютный показатель преломления среды зависит от физического состояния среды, в которой распространяется свет и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового.

Преломление света. Закон преломления света. Полное отражение 1. 2. Если свет распространяется из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то . Если свет распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то . При увеличении угла падения возрастает и угол преломления и первым достигает значения 900. При дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезает и полностью отражается от границы раздела двух сред - наблюдается явление полного отражения света. Угол падения, которому соответствует угол преломления 900, называют предельным углом падения 0. Значение предельного угла рассчитывается по следующей формуле:

Линза. Формула тонкой линзы Линза прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Главная оптическая ось линзы - прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей. Оптический центр линзы - точка, проходя через которую лучи не преломляются. Фокус линзы - точка, в которой пересекаются вышедшие из линзы лучи светового пучка, падающего на линзу параллельно главной оптической оси. В фокусе собирающей линзы пересекаются реальные лучи, поэтому он называется действительным, в фокусе рассеивающей линзы пересекаются не сами лучи, а их мнимые продолжения, поэтому он называется мнимым.

Линза. Формула тонкой линзы где D - оптическая сила (измеряется в диоптриях), F - фокусное расстояние линзы, d и f - расстояния от оптического центра линзы до предмета и изображения соответственно. Правила знаков: Фокусное расстояние F собирающей линзы положительно, рассеивающей - отрицательно. Если предмет действительный, то расстояние до него d положительно, если мнимый отрицательно. Если изображение действительное, то расстояние до него f положительно, если мнимое отрицательно. Линейным увеличением называют отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета. где H - высота изображения, h - высота предмета, Г - увеличение

Оптические приборы - устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). При первичной оценке качества прибора рассматриваются лишь основные его характеристики: способность концентрировать излучение – светосила; способность различать соседние детали изображения – разрешающая сила; соотношение размеров предмета и его изображения – увеличение; поле зрения – угол, под которым из центра прибора видны крайние точки предмета. Конструкции оптических приборов весьма разнообразны, и их особенности диктуются назначением конкретных устройств.

Оптические приборы Лупа - собирающая линза с помощью которой можно получить увеличенное мнимое изображение предмета. Видимое увеличение M можно определить из соотношения: M = tgb /tga = (H/f)/(H/v) = v/f, где f – фокусное расстояние линзы, v – расстояние наилучшего зрения, т. е. наименьшее расстояние, на котором глаз хорошо видит при нормальной аккомодации. Способности к аккомодации у всех людей разные, с возрастом они ухудшаются; принято считать 25 см расстоянием наилучшего зрения нормального глаза.

Оптические приборы Микроскопом называют оптический прибор, служащий для рассматривания мелких предметов, невидимых невооруженным глазом. Микроскоп состоит из двух собирающих линз - короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми можно изменять при настройке на резкость. Ход лучей в микроскопе приведен на рис. 11. Объектив создает действительное, перевернутое, увеличенное промежуточное изображение. Окуляр действует как лупа, создавая мнимое увеличенное изображение.

Оптические приборы Телескоп увеличивает видимые размеры удаленных предметов. В схему простейшего телескопа входят две положительные линзы. Лучи от удаленного предмета, параллельные оси телескопа, собираются в заднем фокусе первой линзы. Вторая линза удалена от фокальной плоскости объектива на свое фокусное расстояние, и лучи a и c выходят из нее вновь параллельно оси системы. можно получить выражение для видимого увеличения M телескопа: M = –tgb /tga = –F/f. Отрицательный знак показывает, что изображение перевернуто.

Свет – электромагнитная волна. Виды электромагнитных излучений Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.

Волновые свойства света 1. Дисперсия – зависимость показателя преломления частоты света. среды от 2. Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления и ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. 3. Дифракция – отклонение от прямолинейного распространения волн. На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки. 4. Поляризация - неравноправие различных плоскости, перпендикулярной световому лучу. направлений в

Дисперсия света Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней: • у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления, • у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Интерференция света 1. Усиление света произойдет в том случае, если в разность хода двух волн укладывается целое число длин волн, а если нечетное число длин полуволн – ослабление. - условие максимумов - условие минимумов 2. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн были когерентными, т. е. имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз колебаний. 3. С помощью интерференции можно точно измерить длину световой волны, показатель преломления прозрачных веществ, увеличить долю проходящей через них энергии, оценить качество обработки поверхности изделия с точностью до 1/10 длины световой волны.

Дифракционная решетка - экран с параллельными щелями равной ширины, разделенными одинаковыми непрозрачными промежутками. Период решетки d - расстояние между серединами соседних щелей. Направления на максимумы дифракционной картины от решетки даются условием: При освещении дифракционной решетки белым светом наблюдается белый центральный максимум и спектры ± 1, ± 2, . . . порядков.

Поляризация света Если расположить поляризатор и анализатор друг за другом, то анализатор будет пропускать, ослаблять или полностью гасить проходящий через него свет в зависимости от расположения плоскости поляризации поляризатора. Свет поляризуется при прохождении через поляроиды, отражении от границы раздела двух диэлектриков. В некоторых растворах плоскополяризованный свет, проходя вдоль оптической оси, меняет плоскость колебаний.