Со словом "оптика" мы сталкиваемся, например, когда проходим мимо торговой точки, в которой продаются очки. Также многие помнят, что изучали оптику в школе. Что такое оптика?
Оптика - это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами. Чтобы лучше понять, что такое оптика, следует разобраться с тем, что такое свет.
Представления о свете в современной физике
Физика рассматривает привычный нам свет как сложное явление, имеющее двойственную природу. С одной стороны, свет считается потоком мельчайших частиц - квантов света (фотонов). С другой стороны, свет можно описать как вид электромагнитных волн, имеющих определенную длину.
Отдельные разделы оптики изучают свет как физическое явление с различных сторон.
Разделы оптики
- Геометрическая оптика. Рассматривает законы распространения света, а также отражения и преломления световых лучей. Представляет свет как луч, распространяющийся в однородной среде прямолинейно (в этом его сходство с геометрическим лучом). Не учитывает волновую природу света.
- Волновая оптика. Изучает свойства света как разновидности электромагнитных волн.
- Квантовая оптика. Изучает квантовые свойства света (исследует фотоэффект, фотохимические процессы, лазерное излучение и т. д.)
Оптика в жизни человека
Изучая природу света и закономерности его распространения, человек использует полученные знания себе на пользу. Наиболее часто встречающиеся в окружающей жизни оптические приборы - это очки, микроскоп, телескоп, фотообъектив, а также оптико-волоконный кабель, используемый для прокладки ЛВС (об этом вы можете узнать в статье
Оптика - это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Световые волны - это электромагнитные волны. Длина волны световых волн заключена в интервале . Волны такого диапазона воспринимаются человеческим глазом.
Свет распространяется вдоль линий, называемых лучами. В приближении лучевой (или геометрической) оптики пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→0. Геометрическая оптика во многих случаях позволяет достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Простейшей оптической системой является линза.
При изучении интерференции света следует помнить, что интерференция наблюдается только от когерентных источников и что интерференция связана с перераспределением энергии в пространстве. Здесь важно уметь правильно записывать условие максимума и минимума интенсивности света и обратить внимание на такие вопросы, как цвета тонких пленок, полосы равной толщины и равного наклона.
При изучении явления дифракции света необходимо уяснить принцип Гюйгенса-Френеля, метод зон Френеля, понимать, как описать дифракционную картину на одной щели и на дифракционной решетке.
При изучении явления поляризации света нужно понимать, что в основе этого явления лежит поперечность световых волн. Следует обратить внимание на способы получения поляризованного света и на законы Брюстера и Малюса.
Таблица основных формул по оптике
|
Физические законы, формулы, переменные |
Формулы оптики |
|
Абсолютный показатель преломления где с - скорость света в вакууме, с=3·108 м/с, v - скорость распространения света в среде. |
|
|
Относительный показатель преломления где n 2 и n 1 - абсолютные показатели преломления второй и первой среды. |
|
|
Закон преломления где i - угол падения, r - угол преломления. |
|
|
Формула тонкой линзы где F - фокусное расстояние линзы, d - расстояние от предмета до линзы, f - расстояние от линзы до изображения. |
|
|
Оптическая сила линзы где R 1 и R 2 - радиусы кривизны сферических поверхностей линзы. Для выпуклой поверхности R>0. Для вогнутой поверхности R<0. |
|
|
Оптическая длина пути: где n - показатель преломления среды; r - геометрическая длина пути световой волны. |
|
|
Оптическая разность хода: L 1 и L 2 - оптические пути двух световых волн. |
|
|
Условие интерференционного максимума: минимума: где λ 0 - длина световой волны в вакууме; m - порядок интерференционного максимума или минимума. |
|
|
Оптическая разность хода в тонких пленках в отраженном свете: в проходящем свете: где d - толщина пленки; i - угол падения света; n - показатель преломления. |
|
|
Ширина интерференционных полос в опыте Юнга: где d - расстояние между когерентными источниками света; L - расстояние от источника до экрана. |
|
|
Условие главных максимумов дифракционной решетки: где d - постоянная дифракционной решетки; φ - угол дифракции. |
|
|
Разрешающая способность дифракционной решетки: где Δλ - минимальная разность длин волн двух спектральных линий, разрешаемых решеткой; |
Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.
Что изучает оптика
Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как "наука о зрительных восприятиях". Оптика - раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз - это сложная оптическая система.
История становления науки
Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.
Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.
В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах - крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.
Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.
В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.
Разделы
Предмет исследований оптики - это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.
- геометрическая оптика;
- волновая;
- квантовая.
Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.
Геометрическая оптика
В данном разделе существуют следующие законы оптики:
Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.
Закон отражения:
Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
Закон преломления:
Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.
Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.
Линза - это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:
1/d + 1/f = D, где
d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние до изображения от линзы; D - оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).
Волновая оптика и ее понятия
Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.
Основные понятия данного раздела оптики - это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.
Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.
Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.
Любому свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как "разломанный". Дифракция в оптике - это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца - светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.
Последнее ключевое понятие волновой оптики - это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.
Квантовая оптика
Свет - это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.
Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός - "свет"). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc 2 также применяется для изучения свойств света.
Главная задача этого раздела - изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.
Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:
- тепловое излучение;
- фотоэффект;
- фотохимические процессы;
- вынужденное излучение и др.
В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение - квантовая криптография - секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному - 1.
Значение оптики и оптических приборов
В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?
Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.
Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.
Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.
Оптика и зрение
Глаз - это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название - оптика.
Можно подвести итог. Итак, оптика - это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.
АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО – мысленная модель тела, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение независимо от спектрального состава. Излучение А.ч.т. определяется только его абсолютной температурой и не зависит от природы вещества.
БЕЛЫЙ СВЕТ - сложноеэлектромагнитное излучение, вызывающее в глазах человека ощущение, нейтральное в цветовом отношении.
ВИДИМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - оптическое излучение с длинами волн 380 - 770 нм, способное вызывать зрительное ощущение в глазах человека.
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ , индуцированное излучение - испускание электромагнитных волн частицами вещества (атомами, молекулами и др.), находящимися в возбужденном, т.е. неравновесном, состоянии под действием внешнего вынуждающего излучения. В.и. когерентно (См. когерентность ) с вынуждающим излучением и при определенных условиях может привести к усилению и генерации электромагнитных волн. См. также квантовый генератор .
ГОЛОГРАММА - зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина, образованная двумя когерентными волнами (см.когерентность ): опорной волной и волной, отраженной от объекта, освещенного тем же источником света. При восстановлении Г. мы воспринимаем объемное изображение объекта.
ГОЛОГРАФИЯ - метод получения объемных изображений предметов, основанный на регистрации и последующем восстановлении фронта волны, отраженной этими предметами. Получение голограммы основано на .
ГЮЙГЕНСА ПРИНЦИП - метод, позволяющий определить положение фронта волны в любой момент времени. Согласно г.п. все точки, через которые проходит фронт волны в момент времени t, являются источниками вторичных сферических волн, а искомое положение фронта волны в момент времени t+Dt совпадает с поверхностью, огибающей все вторичные волны. Позволяет объяснить законы отражения и преломления света.
ГЮЙГЕНСА - ФРЕНЕЛЯ - ПРИНЦИП - приближенный метод решения задач о распространении волн. Г.-Ф. п. гласит: в любой точке, находящейся вне произвольной замкнутой поверхности, охватывающей точечный источник света, световая волна, возбуждаемая этим источником, может быть представлена как результат интерференции вторичных волн, излучаемых всеми точками указанной замкнутой поверхности. Позволяет решать простейшие задачи .
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА - давление, производимое светом на освещаемую поверхность. Играет большую роль в космических процессах (образование хвостов комет, равновесие крупных звезд и т.д.).
ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ - см. .
ДИАФРАГМА - устройство для ограничения или изменения светового пучка в оптической системе (напр., зрачок глаза, оправа линзы, Д. объектива фотоаппарата).
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА - зависимость абсолютного показателя преломления вещества от частоты света. Различают нормальную Д., при которой с увеличением частоты скорость световой волны убывает, и аномальную Д., при которой скорость волны растет. Вследствие Д.с. узкий пучок белого света, проходя сквозь призму из стекла или другого прозрачного вещества, разлагается в дисперсионный спектр, образуя на экране радужную полоску.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА – физический прибор, представляющий из себя совокупность большого числа параллельных штрихов одинаковой ширины, нанесенных на прозрачную или отражающую поверхность на одинаковом расстоянии один от другого. В результате на Д.р. образуется дифракционный спектр - чередование максимумов и минимумов интенсивности света.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА - совокупность явлений, которые обусловлены волновой природой света и наблюдаются при его распространении в среде с резко выраженными неоднородностями (напр., при прохождении через отверстия, вблизи границ непрозрачных тел и т.д.). В узком смысле под Д.с. понимают огибание светом малых препятствий, т.е. отклонение от законов геометрической оптики. Играет важную роль в работе оптических приборов, ограничивая их разрешающую способность .
ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ – явление изменение частоты колебаний звуковых или электромагнитных волн, воспринимаемой наблюдателем, вследствие взаимного движения наблюдателя и источника волн. При сближении обнаруживается повышение частоты, при удалении - понижение.
ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ - совокупность некогерентных световых волн со всеми возможными плоскостями колебаний и с одинаковой интенсивностью колебаний в каждой из таких плоскостей. Е.с. излучают практически все природные источники света, т.к. они состоят из большого числа различно ориентированных центров излучения (атомов, молекул), испускающих световые волны, фаза и плоскость колебаний которых могут принимать все возможные значения. См. также поляризация света, когерентность.
ЗЕРКАЛО ОПТИЧЕСКОЕ – тело с полированной или покрытой отражающим слоем (серебро, золото, алюминий и т.д.) поверхностью, на которой происходит отражение, близкое к зеркальному (см. отражение ).
ИЗОБРАЖЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЕ – изображение объекта, получаемое в результате действия оптической системы (линз, зеркал) на световые лучи, испускаемые или отражаемые объектом. Различают действительное (получается на экране или сетчатке глаза при пересечении лучей, прошедших через оптическую систему) и мнимоеИ.о. (получается на пересечении продолжений лучей).
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - явление наложения двух или нескольких когерентных световых волн, линейно поляризованных в одной плоскости, при котором в пространстве происходит перераспределение энергии результирующей световой волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Результат И.с., наблюдаемый на экране или фотопластинке, называется интерференционной картиной. И. белого света приводит к образованию радужной картины (цвета тонких пленок и т.д.). Находит применение в голографии, при просветлении оптики и т.п.
ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение с длинами волн от 0,74 мкм до 1-2 мм. Испускается всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля (тепловое излучение).
КВАНТ СВЕТА - то же, что фотон .
КОЛЛИМАТОР - оптическая система, предназначенная для получения пучка параллельных лучей.
КОМПТОНА ЭФФЕКТ – явление рассеяния электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны .
ЛАЗЕР , оптический квантовый генератор - квантовый генератор электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Генерирует монохроматическое когерентное электромагнитное излучение, которое обладает узкой направленностью и значительной удельной мощностью. Применяется в оптической локации, для обработки твердых и тугоплавких материалов, в хирургии, спектроскопии и голографии, для нагрева плазмы. Ср. Мазер.
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ - спектры, состоящие из отдельных узких спектральных линий. Излучаются веществами в атомарном состоянии.
ЛИНЗА оптическая - прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (чаще сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Линзу называют тонкой, если ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей. Различают собирающие (преобразующие параллельный пучок лучей в сходящийся) и рассеивающие (преобразующие параллельный пучок лучей в расходящийся) линзы. Применяются в оптических, оптико-механических, фотографических приборах.
ЛУПА - собирающая линза или система линз с небольшим фокусным расстоянием (10 - 100 мм), дает 2 - 50-кратное увеличение.
ЛУЧ – воображаемая линия, вдоль которой распространяется энергия излучения в приближении геометрической оптики , т.е. если не наблюдаются дифракционные явления.
МАЗЕР - квантовый генератор электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне. Характеризуется высокой монохроматичностью, когерентностью и узкой направленностью излучения. Применяется в радиосвязи, радиоастрономии, радиолокации, а также как генератор колебаний стабильной частоты. Ср. .
МАЙКЕЛЬСОНА ОПЫТ - опыт, поставленный с целью измерить влияние движения Земли на значение скорости света . Отрицательный результат М.о. стал одним из экспериментальных оснований относительности теории .
МИКРОСКОП - оптический прибор для наблюдения малых объектов, невидимых невооруженным глазом. Увеличение микроскопа ограничивается и не превышает 1500. Ср. электронный микроскоп.
МНИМОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ - см. .
МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ – мысленная модель электромагнитного излучения одной определенной частоты. Строгого м.и. не существует, т.к. всякое реальное излучение ограничено во времени и охватывает некоторый интервал частот. Источники излучения близкого к м. - квантовые генераторы.
ОПТИКА - раздел физики, изучающий закономерности световых (оптических) явлений, природу света и его взаимодействия с веществом.
ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ - 1) ГЛАВНАЯ - прямая, на которой расположены центры преломляющих или отражающих поверхностей, образующих оптическую систему; 2) ПОБОЧНАЯ - любая прямая, проходящая через оптический центр тонкой линзы.
ОПТИЧЕСКАЯ СИЛА линзы - величина, применяемая для описания преломляющего действие линзы и обратная фокусному расстоянию. D=1/F . Измеряется в диоптриях(дптр).
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение, длины волн которого находятся в интервале от 10нм до 1 мм. К о.и. относятся инфракрасное излучение, , .
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА – процесс возвращения световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред, имеющих различные показатели преломления. обратно в первоначальную среду. Благодаря о.с. мы видим тела, не излучающие свет. Различают зеркальное отражение (параллельный пучок лучей сохраняет параллельность после отражения) и диффузное отражение (параллельный пучок преобразуется в расходящийся).
– явление, наблюдающееся при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, если угол падения больше предельного угла падения , где n – показатель преломления второй среды относительно первой. При этом свет полностью отражается от границы раздела сред.
ОТРАЖЕНИЯ ВОЛН ЗАКОН - луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу преломления. Закон справедлив для зеркального отражения.
ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА - уменьшение энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или энергию вторичного излучения, имеющего иной спектральный состав и иное направление распространения.
1) АБСОЛЮТНЫЙ - величина равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде: . Зависит от химического состава среды, ее состояния (температуры, давления и т.п.) и частоты света (см. дисперсия света) .2) ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ - (п.п. второй среды относительно первой) величина равная отношению фазовой скорости в первой среде к фазовой скорости во второй: . О.п.п. равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному п.п. перовой среды .
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА – явление, приводящее к упорядочиванию векторов напряженности электрического поля и магнитной индукции световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Чаще всего возникает при отражении и преломлении света, а также при распространении света в анизотропной среде.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА – явление, заключающееся в изменении направления распространения света (электромагнитной волны) при переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой показателем преломления . Для преломления выполняется закон: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Причиной преломления является различие фазовых скоростей в разных средах.
ПРИЗМА ОПТИЧЕСКАЯ - тело из прозрачного вещества, ограниченное двумя непараллельными плоскостями, на которых происходит преломление света. Применяется в оптических и спектральных приборах.
РАЗНОСТЬ ХОДА – физическая величина, равная разности оптических длин путей двух световых лучей.
РАССЕЯНИЕ СВЕТА – явление, заключающееся в отклонении распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Обусловлено неоднородностью среды и взаимодействием света с частицами вещества, при котором изменяется направление распространения, частота и плоскость колебаний световой волны.
СВЕТ , световое излучение - , которое может вызвать зрительное ощущение.
СВЕТОВАЯ ВОЛНА - электромагнитная волна в диапазоне длин волн видимого излучения. Частота (набор частот) с.в. определяет цвет, энергия с.в. пропорциональна квадрату ее амплитуды.
СВЕТОВОД - канал для передачи света, имеющий размеры во много раз превышающие длину волны света. Свет в с. распространяется благодаря полному внутреннему отражению.
СКОРОСТЬ СВЕТА в вакууме (c) - одна из основных физических постоянных, равная скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. с=(299 792 458 ± 1,2)м/с . С.с. - предельная скорость распространения любых физических взаимодействий.
СПЕКТР ОПТИЧЕСКИЙ - распределение по частотам (или длинам волн) интенсивности оптического излучения некоторого тела (спектр испускания) или интенсивности поглощения света при его прохождении через вещество (спектр поглощения). Различают С.о.: линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий; полосатые, состоящие из групп (полос) близких спектральных линий ; сплошные, соответствующие излучению (испусканию) или поглощению света в широком интервале частот.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ - узкие участки в спектрах оптических, соответствующие практически одной частоте (длине волны). Каждая С. л. отвечает определённомуквантовому переходу.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ - физический метод качественного и количественного анализа химического состава веществ, основанный на изучении их спектров оптических. Отличается высокой чувствительностью и применяется в химии, астрофизике, металлургии, геологической разведке и т. д. Теоретической основой С. а. является .
СПЕКТРОГРАФ - оптический прибор для получения и одновременной регистрации спектра излучения. Основная часть С. - оптическая призма или .
СПЕКТРОСКОП - оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения. Основная часть С.- оптическая призма.
СПЕКТРОСКОПИЯ - раздел физики, изучающий спектры оптические с целью выяснения строения атомов, молекул, а также вещества в его различных агрегатных состояниях.
УВЕЛИЧЕНИЕ оптической системы - отношение размеров изображения, даваемого оптической системой, к истинным размерам предмета.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитное излучение с длиной волн в вакууме от 10 нм до 400 нм. Вызывают у многих веществ и люминесценцию. Биологически активно.
ФОКАЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ - плоскость, перпендикулярная к оптической оси системы и проходящая через ее главный фокус.
ФОКУС - точка, в которой собирается прошедший через оптическую систему параллельный пучок световых лучей. Если пучок параллелен главной оптической оси системы, то Ф. лежит на этой оси и называется главным.
ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ - расстояние между оптическим центром тонкой линзы и фокусом.ФОТОЭФФЕКТ , фотоэлектрический эффект – явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (внешний ф.). Наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах. Открыт Г.Герцем и исследован А.Г.Столетовым. Основные закономерности ф. объяснены на основе квантовых представлений А.Эйнштейном.
ЦВЕТ - зрительное ощущение, вызываемое светом в соответствии с его спектральным составом и интенсивностью отражаемого или испускаемого излучения.
Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. В этих пределах свет называется видимым . Свет с наибольшей длиной волны кажется нам красным, а с наименьшей – фиолетовым. Запомнить чередование цветов спектра легко с помощью поговорки «К аждый О хотник Ж елает З нать, Г де С идит Ф азан». Первые буквы слов поговорки соответствуют первым буквам основных цветов спектра в порядке убывания длины волны (и соответственно возрастания частоты): «К расный – О ранжевый – Ж елтый – З еленый – Г олубой – С иний – Ф иолетовый». Свет с большими, чем у красного, длинами волн, называется инфракрасным . Его наш глаз не замечает, но наша кожа фиксирует такие волны в виде теплового излучения. Свет с меньшими, чем у фиолетового, длинами волн, называется ультрафиолетовым .
Электромагнитные волны (и, в частности, световые волны , или просто свет ) – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Световые волны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются в веществе с конечной скоростью, которая может быть рассчитана по формуле:
где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε 0 и μ 0 – электрическая и магнитная постоянные: ε 0 = 8,85419·10 –12 Ф/м, μ 0 = 1,25664·10 –6 Гн/м. Скорость света в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙10 8 м/с, она также может быть вычислена по формуле:
Скорость света в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Если свет распространяется в какой-либо среде, то скорость его распространения также выражается следующим соотношением:
где: n – показатель преломления вещества – физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме. Показатель преломления, как видно из предыдущих формул, может быть рассчитан следующим образом:
- Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии.
- Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами.
Кроме света существуют и другие виды электромагнитных волн. Далее они перечислены по уменьшению длины волны (и соответственно, по возрастанию частоты):
- Радиоволны;
- Инфракрасное излучение;
- Видимый свет;
- Ультрафиолетовое излучение;
- Рентгеновское излучение;
- Гамма-излучение.
Интерференция
Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Оно связано с перераспределением световой энергии в пространстве при наложении так называемых когерентных волн, то есть волн, имеющих одинаковые частоты и постоянную разность фаз. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.
Для расчета интерференции используется понятие оптической длины пути . Пусть свет прошел расстояние L в среде с показанием преломления n . Тогда его оптическая длина пути рассчитывается по формуле:
Для интерференции необходимо наложение хотя бы двух лучей. Для них вычисляется оптическая разность хода (разность оптических длин) по следующей формуле:
Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее: интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:
При m = 0 наблюдается максимум нулевого порядка, при m = ±1 максимум первого порядка и так далее. Интерференционный минимум (темная полоса) наблюдается при выполнении следующего условия:
Разность фаз колебаний при этом составляет:
При первом нечетном числе (единица) будет минимум первого порядка, при втором (тройка) минимум второго порядка и т.д. Минимума нулевого порядка не бывает.
Дифракция. Дифракционная решетка
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.
Дифракционные решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50–100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки.
При нормальном падении света на дифракционную решетку в некоторых направлениях (помимо того, в котором изначально падал свет) наблюдаются максимумы. Для того, чтобы наблюдался интерференционный максимум , должно выполняться следующее условие:
где: d – период (или постоянная) решетки (расстояние между соседними штрихами), m – целое число, которое называется порядком дифракционного максимума. В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины.
Законы геометрической оптики
Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором не учитываются волновые свойства света. Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.
Оптически однородная среда - это среда, во всем объеме которой показатель преломления остаётся неизменным.
Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны (в этом случае наблюдается дифракция).
На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.
Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α . Заметьте, что все углы в оптике измеряются от перпендикуляра к границе раздела двух сред.
Закон преломления света (закон Снеллиуса): падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред, и определяется выражением:
Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В.Снеллиусом в 1621 году. Постоянную величину n 21 называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления .
Среду с большим значением абсолютного показателя называют оптически более плотной, а с меньшим – менее плотной. При переходе из менее плотной среды в более плотную луч «прижимается» к перпендикуляру, а при переходе из более плотной в менее плотную – «удаляется» от перпендикуляра. Единственный случай, когда луч не преломляется, это если угол падения равен 0 (то есть лучи перпендикулярны границе раздела сред).
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n 2 < n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения , то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения . Для угла падения α = α пр, sinβ = 1, так как β = 90°, это значит, что преломленный луч идет вдоль самой границы раздела, при этом, согласно закону Снеллиуса, выполняется следующее условие:
Как только угол падения становиться больше предельного, то преломленный луч уже не просто идет вдоль границы, а он и вовсе не появляется, так как его синус теперь уж должен быть больше единицы, а такого не может быть.
Линзы
Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой .
Линзы бывают собирающими и рассеивающими . Если показатель преломления линзы больше, чем окружающей среды, то собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если показатель преломления линзы меньше, чем окружающей среды, то всё наоборот.
Прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы . В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы . Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями .
Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F , которая называется главным фокусом линзы . У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием . Оно обозначается той же буквой F .
Формула линзы
Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображение – это точка пространства, где пересекаются лучи (или их продолжения), испущенные источником после преломления в линзе. Изображения бывают прямыми и перевернутыми , действительными (пересекаются сами лучи) и мнимыми (пересекаются продолжения лучей), увеличенными и уменьшенными .
Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.
Для простоты можно запомнить, что изображение точки будет точкой. Изображение точки, лежащей на главной оптической оси, лежит на главной оптической оси. Изображение отрезка – отрезок. Если отрезок перпендикулярен главной оптической оси, то его изображение перпендикулярно главной оптической оси. А вот если отрезок наклонен к главной оптической оси под некоторым углом, то его изображение будет наклонено уже под некоторым другим углом.
Изображения можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы . Если кратчайшее расстояние от предмета до линзы обозначить через d , а кратчайшее расстояние от линзы до изображения через f , то формулу тонкой линзы можно записать в виде:
Величину D , обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы . Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.
Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.
Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков: f > 0 – для действительных изображений; f < 0 – для мнимых изображений. Перед d знак «–» ставится только в том случае, когда на линзу падает сходящийся пучок лучей. Тогда их мысленно продлевают до пересечения за линзой, помещают туда воображаемый источник света, и определяют для него расстояние d .
В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения. Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета. Для линейного увеличения линзы существует формула:
Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета и так далее.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также ответственная проработка итоговых тренировочных тестов , позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того, на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на электронную почту (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
