- •Глава 3. Оптика
- •3.1. Основные законы геометрической оптики
- •Глава 3. Оптика
- •3.2. Зеркала
- •Глава 3. Оптика
- •3.3. Тонкие линзы
- •Глава 3. Оптика
- •3.4. Глаз как оптический инструмент
- •Глава 3. Оптика
- •3.5. Оптические приборы для визуальных наблюдений
- •Глава 3. Оптика
- •3.6. Развитие представлений о природе света
- •Глава 3. Оптика
- •3.7. Интерференция световых волн
- •Глава 3. Оптика
- •3.8. Дифракция света
- •Глава 3. Оптика
- •3.9. Дифракционный предел разрешения оптических инструментов
- •Глава 3. Оптика
- •3.10. Спектральные приборы. Дифракционная решетка
- •Глава 3. Оптика
- •3.11. Поляризация света
- •Глава 4. Основы специальной теории относительности
- •4.1. Постулаты сто
- •Глава 4. Основы специальной теории относительности
- •4.2. Относительность промежутков времени
- •Глава 4. Основы специальной теории относительности
- •4.3. Относительность расстояний
- •Глава 4. Основы специальной теории относительности
- •4.4. Преобразования Лоренца
- •Глава 4. Основы специальной теории относительности
- •4.5. Элементы релятивисткой динамики
- •Глава 5. Квантовая физика
- •5.1. Тепловое излучение тел
- •Глава 5. Квантовая физика
- •5.2. Фотоэффект. Фотоны
- •Глава 5. Квантовая физика
- •5.3. Эффект Комптона *)
- •Глава 5. Квантовая физика
- •5.4. Волновые свойства микрочастиц. Дифракция электронов
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.2. Квантовые постулаты Бора
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.3. Атом водорода. Линейчатые спектры
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.4. Лазеры
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.5. Состав атомных ядер
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.6. Энергия связи ядер
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.7. Радиоактивность
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.8. Ядерные реакции
- •Глава 6. Физика атома и атомного ядра
- •6.9. Элементарные частицы
- •Тема 1. Световые волны в прозрачной изотропной среде.
- •Тема 2. Поляризация света.
- •Тема 3. Излучение и поглощение света.
- •Тема 4. Отражение и преломление света.
- •Тема 5. Кристаллооптика.
- •Тема 6. Геометрическая оптика.
- •Тема 7. Спектр света.
- •Тема 8. Интерференция.
- •Тема 9. Дифракция.
- •Тема 10. Дифракционная решетка.
- •Тема 11. Голография.
- •Тема 12. Дифракционный предел разрешения.
- •Тема 13. Взаимодействие света с веществом.
- •Тема 14. Термодинамика излучения.
Глава 3. Оптика
Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;
волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;
квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.
В настоящей главе рассматриваются две первые части оптики. Корпускулярные свойства света будут рассматриваться в гл. V.
Геометрическая оптика
3.1. Основные законы геометрической оптики
Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.
Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт 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. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.
На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит 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.
Закон преломления света: 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:
|
Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
n = n2 / n1. |
Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:
|
Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:
|
Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.
|
Рисунок 3.1.1. Законы отражения и преломления: γ = α; n1 sin α = n2 sin β. |
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).
Для угла падения α = αпр sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.
Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде
|
где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.
Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.
|
Рисунок 3.1.2. Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света |
Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.
|
Рисунок 3.1.3. Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность |
|
Модель. Отражение и преломление света |