Раздел 5 Физика колебаний и волн. Оптика. Курс лекций по общей физики Доцент Петренко Л. Г. Кафедра общей и экспериментальной физики НТУ «ХПИ» Харьков - 2013 год
5. 4. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА 5. 4. 1. Развитие представлений о природе света. Световые явления интересовали человека издавна. Однако объяснить эти явления было гораздо труднее, чем, например, механические. В оптике особенно ярко проявилась борьба и поочерёдная смена противоположных гипотез о природе света. Оптика – одна из древнейших наук. Законы геометрической оптики – прямолинейного распространения и отражения света использовались в строительстве в Месопотамии и Египте за 5 тысяч лет до новой эры. Гипотеза о корпускулярной природе света впервые была выдвинута Пифагором в 5 -м веке до новой эры, а гипотеза о волновой его природе – Аристотелем в 4 -м веке до новой эры. Описательную форму этим законам дал Эвклид в 3 -м веке до новой эры. Древнее толкование оптических явлений имело описательный, гипотетический характер.
После средневекового застоя лишь в 13 -14 веках стали возрождаться научные теории, что объяснялось возрастающей потребностью их практического использования. Законы геометрической оптики открывались заново. В 13 -м веке научились изготавливать линзы и появились первые очки. В 1590 году А в 1609 году в в Нидерландах Италии З. Янсен создал первый Г. Галилей двухлинзовый собрал впервые микроскоп. телескоп. В 17 -м веке было завершено создание геометрической оптики – голландский физик В. Снелль (1620) и французский математик Р. Декарт (1637) сформулировали и получили в аналитическом виде закон преломления света. В 1660 году П. Ферма (Франция) сформулировал принцип (названный позднее принципом Ферма), обобщающий все четыре закона геометрической оптики.
Во второй половине 17 -го века были открыты явления, которые не могла объяснить геометрическая оптика : - дифракция – проникновение света в область геометрической тени (1665 г. , Ф. Гримальди, Франция), - интерференция – пространственное перераспределение интенсивности света при наложении двух или нескольких световых потоков (Р. Бойль, Р. Гук), - двойное лучепреломление в кристаллах исландского шпата (1669 г. , Э. Бартолин, Дания). Для объяснения этих явлений были выдвинуты две гипотезы: 1) корпускулярная (И. Ньютон) – свет - поток частиц, вызывающих колебания эфира; 2) волновая (Х. Гюйгенс) – свет представляет собой упругие колебания эфира. Гюйгенс не смог построить последовательную волновую теорию и до начала 19 -го века в науке господствовала Ньютоновская корпускулярная теория света.
Только в начале 19 -го века интерференция (Т. Юнг, 1801 г. , Англия) и дифракция (О. Френель, 1815 г. , Франция) были объяснены на основе волновой теории. Метод, предложенный Френелем, позволил усовершенствовать принцип Гюйгенса и объяснить то, что не удавалось Гюйгенсу - прямолинейность распространения света. В 1865 г. английский физик Дж. Максвелл завершил построение классической теории электромагнитного поля, составной частью которой является волновая теория света. Согласно этой теории, свет – это поперечные электромагнитные волны. Теория Максвелла завершила построение классической физики. Однако уже в конце 19 -го века были открыты законы теплового излучения, рассеяния рентгеновского излучения, внешний фотоэффект, которые не могла объяснить волновая теория света.
Для объяснения вновь открытых явлений нужны были новые революционные теории. Первыми шагами к созданию такой теории явились гипотезы М. Планка (1900 г. ) и А. Эйнштейна (1905 г. ). На их основе была возрождена корпускулярная теория (Ньютона!) и создана современная квантовая теория света. В отличие от прежних этапов развития оптики, квантовая теория не отвергла волновую теорию света, а лишь установила границы её применимости. Так был установлен фундаментальный принцип современной физики – корпускулярно-волновой дуализм света, согласно которому свет в одних явлениях природы ведёт себя как волна, а в других – как поток частиц (фотонов). Двойственная природа света лежит в основе современной оптики.
5. 4. 2. Основные законы геометрической оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре закона и обобщающий их принцип Ферма. 1. Закон прямолинейного распространения света – в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона является наличие чёткой геометрической тени от предмета при условии, что размер источника света значительно меньше освещаемой поверхности предмета и расстояния до него. Отклонение от закона прямолинейного распространения света проявляется при дифракции света. 2. Закон независимости световых пучков – эффект, производимый отдельным пучком света, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены. Доказательством этого закона являются экспериментальные факты: а) после пересечения световые пучки распространяются так же и имеют те же характеристики, что и до пересечения; б) освещённость, создаваемая несколькими источниками света суммируется. Отклонение от закона независимости световых пучков проявляется при интерференции света.
3. Закон отражения света – луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости, а угол отражения равен углу падения ( = ). 4. Закон преломления света - луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой: где n 1 и n 2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред соответственно.
Абсолютным показателем преломления среды n называется величина, отношению скорости c равная электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости v в данной среде: . а) б) Из закона Максвелла следует, что . Если свет из оптически менее плотной среды падает в оптически более плотную среду (n 1 < n 2), то sin < sin и < . Таким образом, световой луч, преломляясь, будет отклоняться в сторону нормали (рис. а). Если свет из оптически более плотной среды падает в оптически менее плотную среду (n 1 > n 2), то sin > sin и > . Таким образом, световой луч, преломляясь, будет отклоняться в сторону от нормали (рис. б).
Если постепенно увеличивать угол падения светового луча, то угол преломления будет возрастать до тех пор, пока не станет равным 900. При этом преломлённый луч скользит вдоль поверхности раздела сред и становится незаметным (исчезает). Описанное явление называется полным внутренним отражением или просто – полным отражением. Минимальный угол пр, при котором происходит полное отражение, называется предельным углом полного отражения: sin пр = n 12 = n 1/n 2 Явление полного отражения может наблюдаться только при условии n 1 > n 2, то есть только при падении светового луча из среды оптически более плотной на границу раздела со средой менее плотной. Полное отражение в световоде
Французский физик и математик Пьер Ферма в 1660 году сформулировал основной принцип геометрической оптики – наиболее общий закон, из которого следуют все другие законы геометрической оптики. Принцип Ферма – луч света всегда распространяется в пространстве между двумя точками по тому пути, вдоль которого время его прохождения меньше, чем вдоль любого из других путей, соединяющих эти точки. Время прохождения светом расстояния в среде с показателем преломления n равно: t = /v = n/c, то есть время t ~ n. Величина L = n называется оптической длиной пути светового луча. Для оптически неоднородной среды оптическая длина пути равна L = nd. Таким образом, принцип Ферма может быть интерпретирован как принцип наименьшей оптической длины пути – луч света всегда распространяется в пространстве между двумя точками вдоль пути, оптическая длина которого наименьшая из всех возможных.
Скачать презентацию Раздел 5 Физика колебаний и волн. Оптика. Курс
3 - Геометр.оптика - 11.11.2013 (12 слайдов).ppt