Сегодня: Sunday, February 18, 2018 Романовский Олег Анатольевич Лекция 7 Курс лекций «Физика для студентов Фарм. Ф» 7. Геометрическая оптика 7. 1. Законы геометрической оптики Длины воспринимаемых глазом световых волн очень малы (порядка 10 -7 м). Поэтому, отвлекаясь от волновой природы света, его распространение можно в первом приближении рассматривать вдоль некоторых линий, называемых лучами. В предельном случае, соответствующем 0, законы можно сформулировать на языке геометрии. В соответствии с этим раздел оптики, в котором пренебрегают конечностью длин волн, называется геометрической оптикой.
Основу геометрической оптики образуют четыре закона: 1) Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. 2) Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечении не взаимодействуют друг с другом. Пересечение лучей не мешает каждому из них распространяться независимо друг от друга. 3) Закон отражения света утверждает, что отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром восстановленным в точку падения А угол отражения равен углу падения . рис. 1
4) Закон преломления света формулируется следующим образом: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точку падения А (рис. 1) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред: Величина n 12 называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой: где, n 1 и n 2 – абсолютные показатели преломления среды 1 и 2 соответственно. Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения света в среде меньше скорости распространения света в вакууме с:
7. 2. Закон полного внутреннего отражения Закон преломления можно представить в следующем виде: Из этой формулы видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n 1 n 2) луч света удаляется от нормали к поверхности раздела двух сред, т. е. угол больше угла . Увеличение угла падения сопровождается более быстрым ростом угла преломления и, при достижении углом значения пред = arcsin n 12 рис. 2 угол становится равным /2. Угол падения, при котором угол преломления равен /2, называется предельным углом падения.
Если угол падения будет больше предельного угла падения пред, то наблюдается явление полного внутреннего отражения: свет, падающей на границу раздела двух сред полностью отражается обратно в первую среду, а преломление прекращается. На измерении предельного угла падения основано устройство рефрактометров – приборов для определения показателя преломления жидкостей. рис. 3 Явление полного внутреннего отражения лежит в основе волоконной оптики. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Диаметр этих тонких стеклянных или пластиковых волокон может быть доведен до нескольких микрометров. Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) – световоды, свет по световоду может передаваться почти без потерь. Рис. 3 демонстрирует, как распространяется свет по тонкому волокну, испытывая только скользящие отражения от стенок, т. е. полное внутреннее отражение.
7. 3. Основные элементы линзы. Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, называется линзой. Если расстоянием MN можно рис. 4 пренебречь по сравнению с R 1 и R 2, то линза называется тонкой. В этом случае точка М совпадает с точкой N, и тогда точка М будет называться оптическим центром линзы рис. 5
Ф. п. F О 3 О 4 Главная оптическая ось F рис. 6 Главная оптическая ось – прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Главный оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси в центре линзы.
Ф. п. F О 3 О 4 Главная оптическая ось F рис. 6 Фокус – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи после преломления в линзе. Фокальная плоскость линзы (Ф. п. )– плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси. Побочная оптическая ось (О 3 О 4) – прямая, проходящая через главный оптический центр линзы, всегда параллельная падающему лучу.
7. 4. Собирающие линзы. Линза называется положительной (собирающей), если ее фокусное расстояние положительно (F > 0). Собирающие линзы на рисунках представляют как: Существуют три основных вида собирающих линз: У собирающей линзы фокусы являются действительными, т. к. пересекаются сами лучи (рис. 8). Фокусное расстояние F -расстояние от оптичес-кого центра до фокуса. Оптическая сила линзы D - величина, обратная фокусному расстоянию: D = 1 / F рис. 8 рис. 7
7. 5. Построение изображения в тонкой линзе Чтобы построить изображение светящейся точки нужно из всего многообразия лучей, испускаемых ею, выбрать два, ход которых нам известен и найти их пересечение после преломления в линзе. В качестве таких лучей можно использовать любые из трех основных: 1) Луч, падающий на линзу параллельно какой-либо 2) оптической оси, после преломления пройдет через 3) фокус, лежащий на этой оптической оси; 4) 2) Луч, идущий через оптический центр линзы, не меняе 5) своего направления; 6) 3) Луч, проходящий через передний фокус, после пре 7) ломления в линзе пойдет параллельно главной 8) оптической оси рис. 8
7. 6. Формула тонкой линзы связывает между собой расстония от предмета до линзы и от линзы до изображения с окусным расстоянием линзы, для собирающей линзы на записывается следующим образом: где F - фокусное расстояние линзы; D - оптическая сила линзы; d - расстояние от предмета до центра линзы; f - расстояние от центра линзы до изображения. Линейное увеличение, даваемое линзой – это величина равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам самого предмета и находится как: где H - высота изображения; h - высота предмета.
7. 7. Рассеивающие линзы Линза называется отрицательной (рассеивающей), если ее фокусное расстояние положительно (F < 0). Собирающие линзы на рисунках представляют как: Есть три основных вида рассеивающих линз: У собирающей линзы фокусы являются мнимыми, так как пересекаются продолжения лучей (рис. 10). рис. 10 Формула тонкой линзы для рассеивающей линзы выглядит следующим образом: рис. 9
Правила хода лучей в рассеивающей линзе (рис. 11): 1) Лучи, падающие на линзу параллельно какой-нибудь 2) оптической оси, после преломления пойдут так, что их 3) продолжения пройдут через фокус, лежащий на 4) оптической оси; 5) 2) Луч, идущий через оптический центр линзы, не меняет 6) своего направления. На рисунке 11 показано построение изображения А 1 В 1 предмета АВ в рассеивающей линзе. рис. 11
7. 8. Оптическая система глаза Глаз человека представляет собой почти сферическое образование, имеющее средней диаметр около 23 мм. Наружную оболочку глаза образует склера 1; она защищает внутреннее содержимое глаза и сохраняет его жесткость. На передней поверхности склера переходит в тонкую прозрачную роговицу 2, через которую в глаз проникает свет. За роговицей находится радужная оболочка 3 с отверстием- зрачком. Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окра шенное пигментом. Это кольцо, сжимаясь или растягиваясь, ме няет размеры зрачка и тем самым величину светового потока, попа дающего в глаз (рис. 12). рис. 12
Полость между роговицей и хрусталиком заполнена влагой; за хрусталиком находится стекловидное тело. Роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, аналогичную линзе с оптической силой около 58, 5 диоптрии. Сетчатка представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек и палочек. Всего в глазу 125 млн. палочек и 6, 5 млн. колбочек (это светочувствительные клетки). Они находятся на задней ей поверхности сетчатки, которая лежит на сосудистой оболочке 6. Сбоку от оптической оси нервные клетки сетчатки объединяются и образуют зрительный нерв 7. рис. 12 Под действием света в палочках происходит перестройка особого вещества - зрительного пурпура (родопсина). Родопсин – это соединение одной из форм витамина А (ретинена) с белком сетчатки (оксином). Под действием света ретинен переходит из одной формы в другую (из цисв транс-форму). Это вызывает генерацию в клетке нервного импульса, который через зрительный нерв передается в мозг.
7. 9. Аккомодация Глаз должен видеть одинаково хорошо предметы, расположенные на разных расстояниях от него. Как бы не менялось расстояние от предмета до глаза, на сетчатке должно получаться четкое изображение. Изменение фокусного расстояния оптической системы глаза может происходить за счет изменения радиусов кривизны поверхности хрусталика. Это явление называется аккомодацией. Изображение удаленного предмета в глазе: a – нормальный глаз; b – близорукий глаз; с – дальнозоркий глаз. рис. 13 Коррекция близорукости производится с помощью очков с рассеивающими линзами. Для коррекции дальнозоркости применяются очки с собирающими линзами.
7. 10. Угол зрения. Разрешающая способность глаза. Величина изображения предмета на сетчатке опреде- ляется углом зрения с вершиной в оптическом центре глаза и с лучами, направленными на крайние точки предмета (рис. 14). Можно увеличить угол зрения, приблизив предмет к глазу. Однако при этом усиливается напряжение цилиарной мышцы и глаз устает. Расстоянием наилучшего зрения называется такое расстояние от предмета до глаза, при котором угол зрения оказывается максимальным, а напряжение цилиар ных мышц не велико и глаз не устает. У нормального глаза расстояние наилучшего зрения около 25 см. рис. 14
Две точки изображения будут восприниматься раздельно, если они попадут на две разные светочувствительные клетки сетчатки. В противном случае они будут возбуждать лишь одну клетку. Принято говорить, что глаз не разрешает две разные точки предмета, если их изображения получаются на одном светочувствительном элементе сетчатки. Разрешающая способность глаза оценивается по минимальному углу зрения, под которым при хорошем освещении две точки видны отдельно. Опыт дает для минимального угла зрения значение около угловой минуты ( =1 ), если освещенность предмета около 5 лк. Это соответствует примерно расстоянию между двумя соседними палочками или колбочками равному пяти микронам. С уменьшением освещенности разрешающая способность глаза ухудшается; как говорят, падает острота зрения. Под остротой зрения понимают величину, обратную наименьшему разрешаемому при данной освещенности углу, выраженному в минутах: В=1/. Она меняется от 0, 3 при освещенности менее 0. 1 лк до 1. 3 при освещенности более 100 лк.
Спасибо за внимание Лекция окончена
Скачать презентацию Сегодня Sunday February 18 2018 Романовский Олег Анатольевич
Лекции_ФФ_141209.ppt