Законы геометрической оптики Основные понятия Опр Границей

Законы геометрической оптики

Основные понятия Опр. Границей раздела двух сред - это поверхность, разделяющую две однородные среды (I и II). Опр. Падающий луч - луч света, идущий от источника света, к границе в среде I. Опр. Отраженный луч - луч, остающийся в среде I после взаимодействия с границей в точке падения. Опр. Преломленный луч – луч, проходящий во II среду после взаимодействия с границей в точке падения. Опр. Угол падения – это угол между лучом падающим и перпендикуляром, восстановленным к границе двух сред в точке падения. Опр. Угол отражения – это угол между лучом отраженным и перпендикуляром к границе двух сред в точке падения. Опр. Угол преломления – угол между лучом преломленным и перпендикуляром к границе двух сред в точке падения.

Опр. Абсолютный показатель преломления – физическая величина, характеризующая изменение скорости электромагнитной волны в среде относительно скорости волны в вакууме: Опр. Относительный показатель преломления - физическая величина, характеризующая изменение скорости электромагнитной волны в во второй среде по отношению скорости волны в первой среде:

Законы геометрической оптики Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной изотропной среде распространяется прямолинейно Закон отражения 1. Падающий и отраженный лучи и нормаль к отражающей поверхности, восстановленная в точке падения, лежат в одной плоскости. 2. Угол падения α равен углу отражения β, где α – угол между падающим лучом и нормалью. Закон преломления 1. Падающий и преломленный лучи, нормаль к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная и равна относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

Опр. Линза (сферическое стекло) –отшлифованная стеклянная пластина, ограниченная сферическими или плоскими поверхностями. двояковыпуклые (а) плосковыпуклые (б) вогнуто-выпуклые (в) схематическое изображение тонких собирающих линз (г) двояковогнутые (а) плосковогнутые (б) выпукло-вогнутые (в) схематическое изображение рассеивающих тонких линз (г)

Опр. Оптический центр линзы - точка, через которую лучи проходят, не отклоняясь. Опр. Действительный фокус – точка, в которой пересекаются лучи параллельные главной оптической оси. Опр. Мнимый фокус - точка, в которой пересекаются продолжения лучей параллельных главной оптической оси. Опр. Фокальная плоскость – плоскость, содержащая все фокусы, расположенные по одну сторону линзы.

Изображения точки S в собирающей линзе

Изображения точки S в рассеивающей линзе

C R 1 R 2 h O B A a b e d

Опр. Параксиальные лучи – лучи, падающие на линзу под малыми углами. Принцип Ферма: распространения света действительный (луч) есть путь, путь для прохождения которого свету требуется минимальное время по сравнению с любым другим мыслимым путем между теми же точками Это значит t 1=t 2

C R 1 R 2 h O A B a b d e

Построение изображения в плоском зеркале

Треугольник Учитывая OFM является равнобедренным, а отрезок

Получим: Так как лучи параксиальные (h<

Оптические приборы

Оптические приборы вооружающие глаз Приборы для рассматривания мелких объектов (лупы, и микроскопы) Приборы для рассматривания далеких объектов (зрительные трубы, телескопы, бинокли и т. п. ) Изображения рассматриваемых предметов являются мнимыми. Опр. Угловое увеличение – отношение угла зрения при наблюдении предмета через оптический прибор к углу зрения при наблюдении невооруженным глазом (характеристика оптического прибора).

Камера-обскура Камера обскура – оптический прибор, состоящий из чёрного ящика с малым отверстием Принцип работы: освещается предмет, расположенный напротив отверстия и на матовом стекле извне наблюдается перевёрнутое изображение предмета

- Это бинокль, которым я пользовался, когда, жил на болоте, помните дело Баскервилей. Это изображение можно увеличить благодаря прибору с которым я не расстаюсь С одной стороны ящика маленькое отверстие, с противоположной стороны - глухая стенка в виде промасленной бумаги. Ватсон вертел в руках странный "бинокль". Заметив это, Холмс улыбнулся и, взяв в руки "бинокль", направил узкое отверстие на окно. На задней стенке, на промасленной бумаге появилось четкое изображение перевернутого окна.

ФОТОАППАРАТ

Фотография (греч. ) – рисование светом, светопись • Основной закон фотохимии Гротгуса – Гершеля – Дрейпера: Только те лучи могут химически действовать на вещество, которые этим веществом поглощаются

Первые в мире снимки Снимок Ньепса 1826 г. - закрепил «Солнечный рисунок» Снимок Тальбота 1835 г. – зафиксировал солнечный луч

Снимок Дагера 1837 г. – открыл надежный способ проявления и закрепления скрытого изображения на чувствительной к свету серебряной пластине Снимок Фрицше Май 1839 г. - выполнил снимок по способу Тальбота

Устройство фотоаппарата 6 5 4 1 2 3 7 Схема устройства однообъективного зеркального фотоаппарата типа «Зенит» : 1 — съемочный объектив; 2 — зеркало; 3 — шторка затвора; 4 — коллективная линза; 5 — окуляр видоискателя; 6 — пентапризма; 7 — кассета с фотопленкой.

ИЗОБРАЖЕНИЕ В ФОТОАППАРАТЕ

Фотоаппарат оптическая система глаза диафрагма = фотопленка = объектив затвор зрачок сетчатка роговица, = стекловидное тело, хрусталик = веко

Проекционный аппарат Д К S об Главная часть проекционного аппарата – объектив Предметом служит прозрачный предмет (рисунок или фотоснимок), изображённый на стеклянной пластинке или прозрачной плёнке. Такую пластинку называют диапозитивом. Диапозитив должен быть освещён ярким источником света. q Для этого вблизи диапозитива устанавливают в обойме 2 плоско выпуклые линзы, обращёнными вершинами друг к другу. Такую систему называют конденсором.

Микроскоп ок об M N Микроскоп состоит из двух собирающих линз. Одна из них с малым фокусным расстоянием обращена к предмету наблюдения АВ и называется объективом, Другая линза обращена к глазу наблюдателя: она играет роль лупы и называется окуляром. Оптические оси обеих линз совпадают и образуют общую ось MN. При работе с микроскопом ось MN совпадает со зрительной осью глаза и образует единую оптическую систему – глаз.

Микроскоп Увеличением микроскопа называется отношение угла зрения φ, под которым виден предмет при наблюдении через микроскоп, к углу зрения ψ при наблюдении невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения d 0=25 см.

Бинокль представляет собой две зрительные трубы, соединенные вместе для наблюдения предмета двумя глазами. Призменный бинокль. Для уменьшения размеров применяемых в бинокле труб Кеплера и переворачивания изображения используются прямоугольные призмы полного отражения.

Телескопы Опр. Телескоп - оптическое устройство представляет собой зрительную трубу, предназначенную для наблюдения весьма удаленных объектов – небесных светил. Телескоп – это оптическая система, которая, «выхватывая» из пространства небольшую область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку (фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), Линзовый телескоп которая одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в совершенствовался. Чтобы улучшить параллельные. качество изображения, астрономы использовали новейшие технологии стекловарения, а также увеличивали фокусное расстояние телескопов, что, естественно приводило к увеличению и их физических размеров (например, в конце XVIII века длина телескопа Яна Гевелия достигала 46 м).

Телескопы по типу элемента, используемого для сбора световых лучей в фокусе рефракторы (линзовые) рефлекторы (зеркальные) катадиоптрическ ие (зеркальнолинзовые)

Труба Кеплера В 1613 г. была изготовлена Кристофом Шайнером по схеме Кеплера. Иоганн Кеплер (1571 – 1630) Труба Кеплера дает перевернутое изображение.

Объектив – это длиннофокусная собирающая линза , собирающая много света от далёкого светила и формирует почти в фокусе действительное, уменьшенное и отчётливое изображение. Эту световую картину объектив направляет узким пучком сквозь окуляр в глаз, на сетчатку, и мы отчётливо видим без напряжения глаза яркое, перевёрнутое изображение небесного объекта. Окуляр – короткофокусная линза, играющая роль лупы. Фокус объектива (Fоб) совпадает с фокусом окуляра (Fok) , длина l трубы Кеплера равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра: 1 = Fоб + Fok

Опр. Угловым увеличением зрительной трубы называется отношение угла зрения, под которым мы видим изображение предмета в трубе, к углу зрения, под которым мы видим тот же предмет непосредственно. Опр. Увеличение зрительной трубы равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.

Труба Галилея Галилей (1609 г. ) Объектив – двояковыпуклая (собирающая) линза с фокусным расстоянием 20 -24 см. Окуляр - рассеивающая линза с фокусным расстоянием -2, -3 см. Рассматриваемый предмет расположен перед объективом на расстоянии значительно большем 2 F изображение действительное, уменьшенным и перевёрнутым между Fоб и 2 Fоб вблизи Fоб. Но на пути пучка сходящихся лучей ставят рассеивающую линзу, пройдя сквозь неё пучок света становится расходящимся. Наблюдателю будет казаться, что лучи исходят из точек удалённого предмета и представится предмет в увеличенном и прямом виде. Галилео Галилей (1564 - 1642)

Лучи, идущие от предмета, проходят через собирающую линзу и становятся сходящимися (дали бы перевернутое, уменьшенное изображение). Затем они попадают на рассеивающую линзу и становятся расходящимися. Они дают мнимое, прямое, увеличенное изображение предмета. С помощью своей трубы с 30 -кратным увеличением Галилей сделал ряд астрономических открытий: Обнаружил горы на Луне, пятна на Солнце, открыл четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, установил, что Млечный Путь состоит из множества звезд. В наше время в основном применяются в театральных биноклях.

Линзовые телескопы (рефракторы) Преимущества: • закрытая труба телескопа предотвращает проникновение внутрь трубы пыли и влаги. • Просты в обслуживании и эксплуатации – положение их линз зафиксировано в заводских условиях • отсутствует центральное экранирование, которое уменьшает количество поступающего света и ведет к искажению дифракционной картины. Недостатки: • хроматическая аберрация.

Телескоп-рефлектор. В открытое отверстие трубы телескопа входит свет от далёкого светила в виде пучка параллельных лучей и отражается от вогнутого зеркала преобразуясь в сходящийся пучок. Плоское зеркало отражает сходящийся световой пучок в сторону окуляра, который действует подобно окуляру рефрактора. Поэтому изображение объекта получается увеличенным вблизи фокуса окуляра.

Зеркальные телескопы (рефлекторы) Преимущества: • Объектив – параболическое зеркало большого диаметра лишено хроматической аберрации. • менее дороги в производстве: в конструкции рефлектора присутствуют всего две нуждающиеся в полировке и специальных покрытиях поверхности. Минусы: • большую длину трубы, делающую телескоп более уязвимым к колебаниям. • сложное обслуживание, предполагающее регулярную юстировку каждого зеркала.

Зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрические) Преимущества: • При сохранении компактных размеров телескопа, позволяет добиваться большего увеличения. Недостатки: • Нуждаются в постоянной юстировке.

Фотоаппарат Главная часть фотоаппарата – объектив, при помощи которого освещённые предметы проецируются на экран, представляющий собой стеклянную пластинку или плёнку со сверхчувствительным слоем. Предмет, предназначенный для световой проекции, расположен всегда вне аппарата: d>2 F , а фотопластинка или фотоплёнка находится внутри аппарата, в кассете на расстоянии от объектива F

Лупа располагается вблизи глаза, предмет помещают Лупа оптический прибор – почти в фокусе лупы. короткофокусная Расходящиеся световые пучки собирающая линза с от множества точек хорошо фокусным расстоянием от 1 освещённого предмета входят в до 10 см. лупу, преобразуются ею в пучки параллельных лучей, и тогда мелкие детали предмета рассматривают глазом сквозь лупу без напряжения, т. е. без аккомодации. Лупа даёт мнимое, прямое, увеличенное изображение.

Лупу помещают близко к глазу, а предмет располагаютзрения, фокальной плоскости. - угол в ее под которым виден предмет невооруженным глазом. d 0=25 см – расстояние наилучшего зрения. h – линейный размер предмета.

- угол, под которым в лупу виден предмет. F – фокусное расстояние лупы. - угловое увеличение лупы. Увеличение, даваемое лупой, ограничено ее размерами. Лупы применяют часовых дел мастера, геологи, ботаники, криминалисты.

Глаз, зрение, аккомодация, очки.

Глаз. Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата. Глаз имеет почти шарообразную форму и диаметр около 2, 5 см. Снаружи он покрыт защитной оболочкой 1 белого цвета – склерой. Передняя прозрачная часть 2 склеры называется роговицей. На некотором расстоянии от нее расположена радужная оболочка 3, окрашенная пигментом. Отверстие в радужной оболочке представляет собой зрачок. В зависимости от интенсивности падающего света зрачок рефлекторно изменяет свой диаметр приблизительно от 2 до 8 мм, то есть действует подобно диафрагме фотоаппарата.

Между роговицей и радужной оболочкой находится прозрачная жидкость. За зрачком находится хрусталик 4 – эластичное линзоподобное тело. Особая мышца 5 может изменять в некоторых пределах форму хрусталика, изменяя тем самым его оптическую силу. Остальная часть глаза заполнена стекловидным телом. Задняя часть глаза – глазное дно, оно покрыто сетчатой оболочкой 6, представляющей собой сложное разветвление зрительного нерва 7 с нервными окончаниями – палочками и колбочками, которые являются светочувствительными элементами.

Зрение. У глаза существует расстояние наилучшего зрения, то есть расстояние от предмета до глаза, при котором удобнее всего (без чрезмерного напряжения) рассматривать детали предмета (например, читать мелкий текст). Это расстояние у нормального глаза условно полагают равным 25 см. При нарушении зрения изображения удаленных предметов в случае ненапряженного глаза могут оказаться либо перед сетчаткой (близорукость), либо за сетчаткой (дальнозоркость) Расстояние наилучшего зрения у близорукого глаза меньше, а у дальнозоркого больше, чем у нормального глаза.

Аккомодация. Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией. Область аккомодации глаза можно определить положением двух точек: дальняя точка аккомодации определяется положением предмета, изображение которого получается на сетчатке при расслабленной глазной мышце. У нормального глаза дальняя точка аккомодации находится в бесконечности. ближняя точка аккомодации – расстояние от рассматриваемого предмета до глаза при максимальном напряжении глазной мышцы. Ближняя точка нормального глаза располагается на расстоянии 10– 20 см от глаза. С возрастом это расстояние увеличивается.

Очки. Для исправления дефекта зрения служат очки. Для дальнозоркого глаза необходимы очки с положительной оптической силой (собирающие линзы), для близорукого – с отрицательной оптической силой (рассеивающие линзы).

Для наблюдения удаленных предметов оптическая сила линз должна быть такой, чтобы параллельные пучки фокусировались на сетчатке глаза. Глаз должен видеть через очки мнимое прямое изображение удаленного предмета, находящееся в дальней точке аккомодации данного глаза.

Очки для «ближнего зрения» (например, для чтения) должны создавать мнимое изображение предмета, находящегося на расстоянии d = 25 см (то есть на расстоянии наилучшего зрения нормального глаза), на расстоянии наилучшего зрения данного глаза. Вследствие сужения области аккомодации у многих людей очки для ближнего зрения должны обладать большей (по модулю) оптической силой по сравнению с очками для рассматривания удаленных предметов.

Спасибо за внимание!