30. Змінний струм. Закон Ома для змінного струму Змі́нний струм — електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом. Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом дe  — амплітуда струму,  — частота,  — фаза струму. Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.

Зако́н О́ма — це твердження про пропорційність сили струму в провіднику прикладеній напрузі. Закон Ома справедливий для металів і напівпровідників при не надто великих прикладених напругах. Якщо для елемента електричного кола справедливий закон Ома, то говорять, що цей елемент має лінійну вольт-амперну характеристику.

У випадку змінного струму закон Ома можна розширити, включивши в розгляд також елементи електричного кола, які характеризуються ємністю й індуктивністю. Змінний струм проходить через конденсатор, випереджаючи за фазою напругу. В індуктивності змінний струм відстає за фазою від напруги. Проте в обох випадках амплітуда змінного струму пропорційна амплітуді прикладеної змінної напруги. Математично це можна описати, ввівши комплексні опори (імпеданси).

Тоді можна записати , де U — амплітуда змінної напруги, I — амплітуда змінного струму, Z — імпеданс (комплексний опір, Ом)

31. Потужність у колі змінного струму Змі́нний струм — електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом. Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом , де  — амплітуда струму,  — частота,  — фаза струму. Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази . Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.

Потужність — робота, що виконана за одиницю часу, або енергія, передана за одиницю часу. Зазвичай позначається латинською літерою W, вимірюється у Ватах. Миттєве значення потужності електричного струму дорівнює: , повна потужність. , активна потужність. , реактивна потужність, де U — напруга, а - зсув фаз між напругою і струмом.Однак практичніше використовувати усереднене значення потужності де  — амплітудне значення сили струму,  — амплітудне значення напруги.

Змінний струм характеризують також діючими значеннями сили струму й напруги

32. Коливальний контур. Формула Томсона Колива́льний контур — електричне коло, складене з резистора, ємності та індуктивності, в якому можливі коливання напруги й струму. Коливальні контури широко застосовуються в радіотехніці та електроніці, зокрема в генераторах електричних коливань, в частотних фільтрах. Вони використовуються практично в кожному електротехнічному пристрої.

Коливальний контур, що складається із послідовно з'єднаних індуктивності L, ємності C та активного резистора R називається RLC-контуром.

У випадку, коли активний опір малий, і ним можна знехтувати, коливальний контур називаю LC-контуром.

Формула Томсона названа в честь английского физика Уильяма Томсона, который вывел её в 1853 году, и связывает период собственных электрических колебаний в контуре с его ёмкостью и индуктивностью. Формула Томсона выглядит следующим образом:

.

33. Провідники і діелектрики в електричному полі Усі речовини за їх здатністю проводити електричний струм поділяються на провідники та діелектрики. До провідників належать метали, електроліти, плазма.У металах носіями електричного заряду є електрони. Якщо помістити провідник в електричне поле, то весь статичний заряд провідника буде зосереджений на його поверхні. Усередині провідника поле дорівнює нулю. До діелектриків належать гази, скло, пластмаса, полімерні речовини. Особливість будови діелектрика поясняє його поведінку в електричному полі. Під дією електричного поля електрони нейтрального атома або іони можуть зміщуватися в бік, протилежний полю. Створюється система зарядів - електричний диполь. Діелектрик стає поляризованим. Ці диполі утворюють електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому полю. У зв’язку з цим поле всередині діелектрика стає слабшим. Діелектрична проникність середовища - це фізична величина, яка показує, у скільки разів напруженість електричного поля всередині діелектрика менша від напруженості поля у вакуумі.

34. Електромагнітна хвиля. Рівняння хвилі Електромагнітна хвиля — процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі.

Електромагнітна хвиля характеризується частотою. Розрізняють лінійну частоту ν й циклічну частоту ω = 2πν. Іншою характетистикою електромагнітної хвилі є хвильовий вектор  . Хвильовий вектор визначає напрямок розповсюдження електромагнітної хвилі, а також її довжину. Довжина електромагнітної хвилі  , де k - хвильове число.

Електромагнітні хвилі описуються загальними для електромагнітних явищ рівняннями Максвелла. Навіть у випадку відсутності у просторі електричних зарядів і струмів рівняння Максвелла мають відмінні від нуля розв'язки. Ці розв'язки описують електромагнітні хвилі.

Форма запису рівнянь Максвелла залежить від системи одиниць. Здебільшого фізики користуються формою запису в системі СГСГ. У системі СІ вибрана форма запису, в якій не фігурують множник   та швидкість світла с.

Сгсг (у вакуумі)

У диференційній формі рівняння Максвелла для вакууму мають такий вигляд

,

,

.

Тут   — напруженість електричного поля,   — вектор магнітної індукції,   — густина електричного заряду,   — густина електричного струму,   —швидкість світла.

У середовищі

У речовині електричне та магнітні поля характеризуються додатковими векторами: електричною індукцією та напруженістю магнітного поля, зв'язаних з, відповідно, напруженістю електричного поля й магнітною індукцією співвідношення, які називають матеріальними. У загальному вигляді матеріальні співвідношення мають складну нелокальну форму, тому при запису основних рівнянь електродинаміки їх не наводять. Рівняння набирають вигляду

,

,

.

Тут   - густина вільних зарядів. Внесок зв'язаних зарядів враховується при визначенні вектора електричної індукці 

35. Шкала електромагнітних хвиль В залежності від частоти чи довжини хвилі (ці величини пов'язані між собою), електромагнітні хвилі відносять до різних діапазонів. Електромагнітні хвилі з найменшою частотою (або найбільшою довжиною хвилі) належать до радіодіапазону. Радіодіапазон використовується для передачі сигналів на віддаль за допомогою радіо, телебачення, мобільних телефонів. У радіодіапазоні працює радіолокація. Радіодіапазон розділяється на метровий, дицеметровий, сантиметровий, міліметровий, в залежності від довжини електомагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі з вищою частотою належать до інфрачервоного діапазону. В інфрачервоному діапазоні лежить теплове випромінювання тіла. Інфрачервоні промені використовуються в приладах нічного бачення, які використовують той факт, що тіла, які виділяють тепло, випромінюються. Інфрачервоні хвилі застосовуються також для вивчення теплових коливань у тілах і допомагають встановити атомну структуру твердих тіл, газів та рідин. Електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 400 нм до 800 нм належать до діапазону видимого світла. В залежності від частоти й довжини хвилі видиме світло розрізняється за кольорами. Хвилі з довжиною меншою за 400 нм називаються ультрафіолетовими. Людське око їх не розрізняє, хоча їхні властивості не дуже відрізняються від властивостей хвиль видимого діапазону. Більша частота, а, отже, й енергія квантів такого світла призводить до більш руйнівної дії ультрафіолетових хвиль на біологічні об'єкти. Електомагнітні хвилі ще вищої частоти належать до рентгенівського діапазону. Вони називаються так тому, що їх відкрив Рентген, вивчаючи випромінювання, яке утворюється при гальмуванні електронів. В закордонній літературі такі хвилі заведено називати X-променями. Рентгенівські хвилі слабо взаємодіють із речовиною, сильніше поглинаючись там, де густина більша. Цей факт використовується в медицині для рентгенівської флюорографії. Рентгенівські хвилі застосовуються також для елементного аналізу та вивчення структури кристалічних тіл. Найвищу частоту й найменшу довжину мають γ-промені. Такі промені утворюються внаслідок ядерних реакцій і реакцій між елементарними частинками. γ-промені мають велику руйнівну дію на біологічні об'єкти. Проте вони використовуються у фізиці для вивчення різних характеристик атомного ядра.

Довжина, м	Частота, Гц	Найменування
106-104	3∙102-3∙104	Наддовгі
104-103	3∙104-3∙105	Довгі (радіохвилі)
103-102	3∙105-3∙106	Середні (радіохвилі)
102-101	3∙106-3∙107	Короткі (радіохвилі)
101-10-1	3∙107-3∙109	Ультракороткі
10-1-10-2	3∙109-3∙1010	Телебачення (НВЧ)
10-2-10-3	3∙1010-3∙1011	Радіолокація (НВЧ)
10-3-10-6	3∙1011-3∙1014	Інфрачервоне випромінювання
10-6-10-7	3∙1014-3∙1015	Видиме світло
10-7-10-9	3∙1015-3∙1017	Ультрафіолетове випромінювання
10-9-10-12	3∙1017-3∙1020	Рентгенівське випромінювання (м'яке)
10-12-10-14	3∙1020-3∙1022	Гамма-випромінювання (жорстке)
≤10-14	≥3∙1022	Космічні промені

36. Дисперсія світла. Призма як диспергуючий елемент Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти світла. Внаслідок зміни показника заломлення змінюється також довжина хвилі.

,

де   - хвильове число,   - довжина хвилі,   - показник заломлення,   - циклічна частота, c - швидкість світла.

Відношення

називають фазовою швидкістю.

Здебільшого показник заломлення зростає при збільшенні частоти. Це зростання називають нормальною дисперсією. Аномальна дисперсія — зменшення показника заломлення при збільшенні частоти — виникає в спектральних областях, близьких до частот інтенсивного поглинання.

При нормальній дисперсії червоне світло заломлюється слабше, ніж блакитне.

Монохроматор - прилад, призначений для отримання монохноматичних плоских хвиль.

Оптичні монохроматори виділяють хвилі певної частоти із неперервного спектру. Для виділення монохроматичної хвилі світлорозкладають у спектр за допомогою призми або дифракційної ґратки і пропускають через тонку щілину, яка відбирає промені певної частоти.

Аналогічним чином, електронні монохроматори дозволяють отримати пучки електронів із певною енергією.

Монохроматори використовуються у спектроскопії.

37. Напрям індукційного струму. Правило Ленца Індукційний струм — електричний струм, що виникає у провідному контурі при зміні магнітного потоку через цей контур внаслідок явища електромагнітної індукції. Електромагні́тна інду́кція — явище створення в просторi вихрового електричного поля змінним магнітним полем. Величина індукційного струму визначається швидкістю зміни магнітного потоку й опором провідника.

,де I — сила струму,   — магнітний потік, R — опір провідника.

Правило Ленца — закон, за яким можна визначити напрям індукційного струму. Згідно з правилом Ленца індукційний струм, що виникає в замкнутому контурі, своїм магнітним полем протидіє зміні магнітного потоку, який збуджує даний струм. Формулювання: Індукційний струм у замкненому провіднику завжди має такий напрям, що створюваний цим струмом власний магнітний потік протидіє тим змінам зовнішнього магнітного потоку, які збуджують індукційний струм.

38. Отримання когерентних хвиль методом поділу хвильового фронту

39. Просвітлюючі і антипросвітлюючі покриття Просвітлюючі покриття - це спеціальні хімічні плівкоподібні розчини, що наносяться на поверхні лінз з метою зменшення втрат світла, яке відбивається від поверхонь скла. Втрати світла відбуваються на кожному етапі де світлові хвилі проходять середовище повітря-скло. Зменшуючи втрати світла, просвітлення допомагає отримати більш якісну контрастну яскраву картинку, тож навіть при недостатній освітленості зображення буде чітким. Крім того візуально процес відбивання світла на непросвітлених поверхнях можна побачити у вигляді бліків (засвіток) на зображенні в біноклі.

40. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зонна пластинка Принцип Гюйгенса - Френеля - основний постулат хвильової теорії, що описує і пояснює механізм розповсюдження хвиль, зокрема, світлових. Проникнення світла в область геометричної тіні пояснює принцип Гюйгенса: кожна точка фронту хвилі є джерелом вторинної сферичної хвилі; положення фронту хвилі в наступний момент визначається огинаючою фронтів усіх вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса не дозволяє знайти інтенсивність дифрагованої хвилі. Цей недолік усунув Френель, який доповнив принцип Гюйгенса уявленням про інтерференцію вторинних хвиль. Принцип Гюйгенса - Френеля формулюється наступним чином: Кожен елемент хвильового фронту можна розглядати, як центр вторинного збурення, яке породжує вторинні сферичні хвилі, а результуюче світлове поле в кожній точці простору буде визначатися інтерференцією цих хвиль. Зонна пластинка - плоскопаралельна скляна пластинка з вигравіруваними концентричними колами, радіус яких збігається з радіусами зон Френеля. Зонна пластинка «вимикає» парні або непарні зони Френеля, чим виключає взаємну інтерференцію (погашення) від сусідніх зон, що призводить до збільшення освітленості точки спостереження. Таким чином, зонна пластинка діє як збирала лінза. Також зонна пластинка являє собою найпростішу голограму - голограму точки.

Згідно з принципом Гюйгенса-Френеля світлове поле в деякій точці простору є результатом інтерференції вторинних джерел. Френель запропонував оригінальний і надзвичайно наочний метод угрупування вторинних джерел. Цей метод дозволяє наближеним способом розраховувати дифракційні картини, і носить назву методу зон Френеля. Зони Френеля вводяться наступним чином. Розглянемо поширення світлової хвилі з точки L в точку спостереження P. Сферичний хвильовий фронт, що виходить із точки L розіб'ємо концентричними сферами з центром в точці P і з радіусами z1 + λ / 2; z1 + 2 λ / 2; z1 + 3 λ / 2 Отримані кільцеві зони і носять назву зон Френеля.

41. Дифракція Фраунгофера на щілині Дифра́кція – явище., що виник. при пошир. хвиль (наприклад, світлових і звукових хвиль). Суть цього явища полягає в тому, що хвиля здатна огинати перешкоди. Це зумовлює те, що хвильовий рух спостерігається в області за перешкодою, куди хвиля не може потрапити прямо. Явище пояснюється інтерференцією хвиль на краях непрозорих об'єктів або неоднорідностях між різними середовищами на шляху поширення хвилі. Прикладом може бути виникнення кольорових світлових смуг в області тіні від краю непрозорого екрана. Дифракція добре проявляється тоді, коли розмір перешкоди на шляху хвилі порівняний з її довжиною або менший. У випадку, коли хвиля падає на екран зі щілиною, вона проникає за перешкоду завдяки дифракції, проте спостерігається відхилення від прямолінійного розповсюдження променів. Інтерференція хвиль за екраном призводить до виникнення темних та світлих областей, розташування яких залежить від напрямку, в якому ведеться спостереження, віддалі від екрана тощо. Дифра́кція Фраунго́фера — дифракційна картина, яка спостерігається на великій віддалі від перешкоди, яку огинає світло, в області, де світлові хвилі можна вважати плоскими.

Дифракція Фраунгофера спостерігається тоді, коли число Френеля  , де a — радіус отвору, λ — довжина світлової хвилі, d — віддаль між екранами.

42. Дифракційна гратка як диспергуючий елемент Дифракційна ґратка — оптичний елемент з періодичною структурою, здатний впливати на поширення світлових хвиль так, що енергія хвилі, яка пройшла через ґратку, зосереджується в певних напрямках. Напрямки поширення цих пучків залежать від періоду ґратки та довжини світлових хвиль, тобто дифракційна ґратка працює як дисперсійний елемент. Монохроматичний світловий пучок, що падає на ґратку, теж розділиться на декілька пучків, які поширюються в різних напрямках. Дифракційні ґратки широко застосовуються у монохроматорах і спектрометрах. На сьогоднішній день розроблено багато різних типів дифракційних граток для найрізноманітніших застосувань. Класифікують дифракційні гратки за різними критеріями. Залежно від того, який параметр світлової хвилі модулюється граткою, розрізняють амплітудні, фазові та амплітудно-фазові гратки. Амплітудні гратки як правило є тонкими. Фазові та амплітудно-фазові гратки можуть бути об’ємними або рельєфними. В об’ємних ґратках здебільшого використовується періодична модуляція показника заломлення і/або поглинання матеріалу плівки. Залежно від товщини плівки об’ємні гратки можуть називатись тонкими або товстими, Рельєфні гратки з періодичною модуляцією рельєфу поверхні розділу двох середовищ класифікуються за профілем штрихів на синусоїдальні, прямокутні, трапецеїдальні, трикутні та з невизначеним профілем. Якщо профіль штрихів є симетричним, то така ґратка називається граткою із симетричним профілем штрихів, в іншому випадку дифракційна ґратка називається концентруючою. Залежно від режиму роботи розрізняють пропускаючі та відбиваючі дифракційні гратки. За методом виготовлення гратки поділяються на механічно нарізні, голографічні та літографічні. За формою поверхні дифракційні гратки поділяються на плоскі та вігнуті. Залежно від застосування дифракційні гратки можуть бути об’ємного типу, для використання у дзеркально-лінзових системах, та хвилевідного типу, сформовані на поверхні або в об’ємі оптичного хвилеводу. Особливим випадком хвилевідних граток є волоконні гратки, які являють собою фазові гратки у серцевині оптичного волокна.

43. Голографія. Запис і відтворення зображення предмета Голографія — набір технологій для точного запису, відтворення і переформатування хвильових полів. Це - спосіб одержання об'ємних зображень предметів на фотопластинці (голограми) за допомогою когерентного випромінювання лазера.Лазер — джерело когерентного (когере́нтність — це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики) монохроматичного і вузькоспрямованого електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, яке характеризується великою густиною енергії. Ла́зер — пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні.

Голограма фіксує не саме зображення предмета, а структуру відбитої від нього світлової хвилі (її амплітуду та фазу). Для отримання голограми необхідно, щоб на фотографічну пластинку одночасно потрапили два когерентних світлових пучки: предметний, відбитий від об'єкта та опорний – що приходить безпосередньо від лазера. Світло обох пучків інтерферує, створюючи на пластинці чергування дуже вузьких темних і світлих смуг - інтерференційну картину.

44. Поляризація світла при відбиванні від діелектрика. Кут Брюстера Якщо природне світло падає на границю поділу двох діелектриків (наприклад, повітря і скла), то частина його відбивається, а частина заломлюється і поширюється у другому середовищі. Якщо встановити на шляху відбитого і заломлюваного променів аналізатор, видно, що відбитий і заломлений промені частково поляризовані: при повертанні аналізатора навколо променів інтенсивність світла періодично посилюється і ослаблюється (повного гасіння не спостерігається). Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні до площини падіння, в заломленому – коливання, паралельні площині падіння. Ступінь поляризації – ступінь виділення світлових хвиль з певною орієнтацією електричного вектора – залежить від кута падіння променів і показника заломлення. Шотландський фізик Д. Брюстер встановив закон, згідно з яким при куті падіння (кут Брюстера), який задовольняє умову tgi_B=n₂₁, відбитий промінь є плоскополяризованим. Тут n₂₁ - показник заломлення другого середовища відносно першого. Ступінь поляризації заломленого променя при куті падіння i_B досягає найбільшого значення, проте цей промінь залишається поляризованим лише частково. Якщо світло падає на границю поділу під кутом Брюстера, то відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні: tgi_B=sin i_B /cos i_B = n₂₁ =sin i_B / sinB(бета)

Відбивання під кутом Брюстера дає змогу отримати лінійно поляризоване світло, однак його інтенсивність невелика і для скла (n = 1,5) дорівнює близько 15 %, тобто основна його частина поширюється у напрямку заломлення хвилі, яка поляризована не повністю. Для збільшення ступеня поляризацій заломлених хвиль їх треба пропустити крізь стопу скляних пластинок. Так, для стопа з десяти скляних пластинок дає змогу отримати майже стопроцентну поляризацію заломлених хвиль.

45. Отримання лінійно-поляризованого світла Терміном  поляризація світла описується просторова орієнтація електричної складовоїелектромагнітної хвилі - вектора напруженості електричного поля. Проекційна картина повністю поляризованого світла у загальному випадку має вигляд еліпса з правим або лівим напрямком обертання вектора Е у часі. Таке світло називається еліптично поляризованим. Найбільш цікавими є граничні випадки еліптичної поляризації – лінійна ( плоска ), коли еліпс поляризації вироджується у відрізок прямої лінії, та циркулярна (колова ),коли еліпс поляризації є колом. У першому випадку світло називають лінійно поляризованим, а у другому – циркулярно поляризованим. Лінійна поляризація. Якщо фази φ_x і φ_y збігаються, то для хвилі в будь-який момент часу виконується співвідношення Тобто, у цьому випадку E_x і E_y зв'язані лінійним співвдіношенням. Така поляризація електромагнітної хвилі називається лінійною поляризацією. До цього випадку відносяться також хвилі для яких E_0x = 0 або E_0y = 0. Будь-яку лінійно-поляризовану хвилю можна звести одного із цих двох випадків, вибравши відповідним чином напрям осей x та y.

Відбивання під кутом Брюстера дає змогу отримати лінійно поляризоване світло, однак його інтенсивність невелика і для скла (n = 1,5)дорівнює близько 15 %, тобто основна його частина поширюється у напрямку заломлення хвилі, яка поляризована не повністю. Для збільшення ступеня поляризацій заломлених хвиль їх треба пропустити крізь стопу скляних пластинок.

46. Геометричні аберації оптичних систем Аберáція (лат. aberratio — відхилення) — дефект, похибка зображення в оптичних системах. Аберація оптичних систем проявляється в тому, що зображення втрачають чіткість і не точно відповідають зображуваним об'єктам.Найпоширенішими є геометричні аберації. Геометричні аберації - перекручування зображень, що виникають унаслідок використання широких пучків світла (сферична аберація, кома) чи пучків світла, що падають похило до головної оптичної осі системи (астигматизм, дисторсія, викривлення зображення). Геометричні аберації характеризують недосконалість оптичної системи в монохроматичному світлі. Види:

• сферична аберація — дефект зображення, при якому промені, що проходять поблизу оптичної осі системи і промені, що проходять на віддалі від оптичної осі не збираються в одну точку;

• кома — аберація, що виникає при косому проходженні променів через оптичну систему;

• астигматизм — виникає при проходженні через систему хвилі із сферичним хвильовим фронтом, у випадку, коли пучки променів з однієї точки не перетинаються в одній точці а розташовуються в двох взаємно перпендикулярних відрізках;

• дисторсія — аберація, що призводить до геометричної невідповідності між об'єктом та його зображенням.

47. Дифракційна гратка та її характеристики Дифракційна решітка — оптичний елемент з періодичною структурою, здатний впливати на поширення світлових хвиль так, що енергія хвилі, яка пройшла через ґратку, зосереджується в певних напрямках. Напрямки поширення цих пучків залежать від періоду ґратки та довжини світлових хвиль, тобто дифракційна ґратка працює як дисперсійний елемент. Монохроматичний світловий пучок, що падає на ґратку, теж розділиться на декілька пучків, які поширюються в різних напрямках. Дифракційні ґратки широко застосовуються умонохроматорах і спектрометрах.

Розрізняють амплітудні, фазові та амплітудно-фазові гратки. Амплітудні гратки як правило є тонкими. Фазові та амплітудно-фазові гратки можуть бути об’ємними або рельєфними. Залежно від товщини плівки об’ємні гратки можуть називатись тонкими(типу Рамана-Ната,) або товстими(Брегга). Рельєфні гратки з періодичною модуляцією рельєфу поверхні розділу двох середовищ класифікуються за профілем штрихів на синусоїдальні, прямокутні, трапецеїдальні, трикутні та з невизначеним профілем. Якщо профіль штрихів є симетричним, то така ґратка називається граткою із симетричним профілем штрихів, в іншому випадку дифракційна ґратка називаєтьсяконцентруючою.

Залежно від режиму роботи: пропускаючі та відбиваючі . За методом виготовлення:механічно-нарізні, голографічні і літографічні. За формою поверхні : плоскі та вігнуті. Залежно від застосування : об’ємного типу (використ.у дзеркально-лінзових системах), та хвилевідного типу ( сформовані на поверхні або в об’ємі оптичного хвилеводу).

Х арактеристики Однією з характеристик дифракційної решітки є кутова дисперсія. Припустимо, що максимум будь-якого порядку спостерігається під кутом φ для довжини хвилі λ і під кутом φ +Δφ - для довжини хвилі λ + Δλ. Кутовий дисперсією решіткиназивається відношення D = Δφ / Δλ.  Таким чином, кутова дисперсія збільшується зі зменшенням періоду решітки d і зростанням порядку спектру k.

48. Фотометрія. Сила світла. Освітленість Фотометрі́я — загальна для всіх розділів прикладної оптики наукова дисципліна, на основі якої проводяться кількісні вимірювання енергетичних характеристик поля випромінювання. В основі фотометрії лежить теорія світлового поля А. ГершунА. На практиці теорія світлового поля реалізуэться  світлотехнікою. С́и́ла сві́тла — відношення світлового потоку, до тілесного кута, в межах якого проходить цей потік. (фізична величина, яка дорівнює світловій енергії, що падає за секунду на 1 м2 поверхні.) Одиниця вимірювання СІ: кандела (кд).Сила світла джерела, що випромінює у всі напрямки, обчислюється за формулою:

де Ф - повний світловий потік джерела; π - число пі.

Освíтленість — освітлення поверхні, що створюється світловим потоком, який падає на поверхню. Одиницею вимірювання освітленості є люкс. Освітленість прямо пропорційна силі світла джерела світла. При віддаленні його від освітлюваної поверхні її освітленість зменшується обернено пропорційно до квадрата відстані.

Освітленість   знаходять за формулою:

Освітленість визначають за допомогою фотоелектричного  експонометра та люксметра.

49. Закон Джоуля-Ленца Закон Джоуля - Ленца - фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплового дії електричного струму. Встановлено в 1841 році Дж. Джоулем і незалежно від нього в 1842 році Е.Ленцов. У словесній формулюванні звучить наступним чином : Потужність тепла, що виділяється в одиниці об'єму середовища при протіканні електричного струму, пропорційна добутку щільності електричного струму на величину електричного поля. Математично може бути виражений в такій формі: де w - потужність виділення тепла в одиниці об'єму,    - щільність електричного струму,    - напруженість електричного поля, σ - провідність середовища.

Закон також може бути сформульований в інтегральній формі для випадку протікання струмів в тонких проводах :

Кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу в даній ділянці ланцюга, пропорційно добутку квадрата сили струму на цій ділянці і опору ділянки.

У математичній формі цей закон має вигляд: де dQ - кількість теплоти, що виділяється за проміжок часу dt, I - сила струму, R - опір, Q - повна кількість теплоти, виділене за проміжок часу від t1 до t2.  У випадку постійних сили струму і опору: де I — сила струму, R — опір, t — час.

50. Двопроменезаломлення. Поляризація світла Терміном поляризація електромагнітної хвилі або поляризація світла описується просторова орієнтація електричної складової електромагнітної хвилі - вектора напруженості електричного поля. Електромагнітна хвиля в порожнечі завжди поперечна, тобто вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до напрямку розповсюдження хвилі. Однак, при цьому залишаються ще дві різні незалежні можливості орієнтації напруженості. Більш того, цей вектор може змінювати свою орієнтацію з часом. Електромагнітні хвилі в залежності від виду поляризації поділяються на: неполяризовані; лінійно-поляризовані; циклічно-поляризовані; Подвійне заломлення променів. Всі прозорі кристали (крім кристалів кубічної системи) здатні до подвійного заломлення променів, тобто промінь світла, що падає на поверхню кристала , роздвоюється в ньому на два заломлені промені, які в загальному випадку мають різні напрями. Це явище, вперше виявлене Е.Бартоліном для ісландського шпату. Якщо на товстий кристал ісландського шпату падає вузький пучок світла, то з кристалу вийдуть два просторово розділені промені, паралельні один одному і падаючому променю. І в тому випадку, коли первинний пучок падає на кристал нормально, заломлений пучок розподіляється на два, причому один з них є продовженням первинного, а другий відхиляється. Аналіз світла показує, що після проходження кристала промені стають плоскополяризованими у взаємно перпендикулярних площинах: коливання світлового вектора у звичайному промені проходять перпендикулярно до головної площини, а в незвичайному – в головній площині. Неоднакове заломлення звичайного і незвичайного променів вказує на різницю їх показників заломлення. Звичайний промінь підпорядковується закону заломлення ,а для незвичайного променя цей закон не виконується. Після проходження кристала, ці два промені не відрізняються один від одного.

51. Взаємоіндукція. Принцип роботи трансформатора Взаємоіндукція - виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в одному провіднику внаслідок зміни сили струму в іншому провіднику або внаслідок зміни взаємного розташування провідників. Взаємоіндукція - окремий випадок електромагнітної індукції. При зміні струму в одному з провідників або при зміні взаємного розташування провідників відбувається зміна магнітного потоку через (уявну) поверхню, "натягнуту" на контур другого, створеного магнітним полем, породженим струмом в першому провіднику, що за законом електромагнітної індукції викликає виникнення ЕРС у другому провіднику. Якщо другий провідник замкнутий, то під дією ЕРС взаємоіндукції в ньому утворюється індукований струм і навпаки. Напрямок струму визначається за правилом Ленца. Чим більша частина магнітного поля першої ланцюга пронизує другий ланцюг, тим сильніша взаємоіндукція між ланцюгами.  Для зміни величини індуктивного зв'язку між ланцюгами, котушки роблять рухливими.  Явище взаємоіндукції широко використовується для передачі енергії з одного електричного ланцюга в інший, для перетворення напруги за допомогою трансформатора. Принцип роботи трансформатора пов'язаний з принципом електромагнітної індукції. Струм надходить на первинну обмотку створює в магнітопровіднику магнітний потік.

 На одну з обмоток(первинну), подається напруга від зовнішнього джерела. Ззмінний струм створює змінний магнітний. Коли вторинні обмотки ні до чого не підключені (режим холостого ходу), ЕРС індукції в первинній обмотці практично повністю компенсує напругу джерела живлення, тому струм через первинну обмотку невеликий. Напруга індукції на вторинних обмотках в режимі холостого ходу визначається відношенням числа витків відповідної обмотки w2 до числа витків первинної обмотки w1: U2 = U1w2/w1. При підключенні вторинної обмотки до навантаження, по ній починає текти струм.  В результаті, в первинній обмотці порушується компенсація ЕРС індукції і ЕРС джерела живлення, що призводить до збільшення струму в первинній обмотці, до тих пір, поки магнітний потік не досягне практично колишнього значення.  В результаті, потужність, споживана від джерела в ланцюзі первинної обмотки практично повністю передається у вторинну.

52. Атмосферні оптичні явища. Міраж. Гало. Тривалість світлового дня Атмосфе́рна о́птика — розділ метеорології, присвячений вивченню оптичних явищ в атмосфері, які викликаються розсіюванням, поглинанням, заломленням та дифракцією світла вповітрі. Атмосферна оптика вивчає явища сутінків, заграв, марева, веселки, гало та їхній зв'язок з погодою. Атмосферна оптика тісно пов'язана з актинометрією. Актиноме́трія — розділ метеорології, що вивчає сонячне, земне й атмосферне випромінювання в умовах атмосфери. Одне з основних завдань актинометрії — визначення сонячної сталої. Основним приладом є актинометр Міраж — явище аномальної рефракції світла в атмосфері, при якому крім предметів в їхньому дійсному положенні, з'являються також їхні уявні зображення, які є результатом повного внутрішнього відбиття в атмосфері. Галό — оптичне явище, що виникає внаслідок заломлення та відбиття світла в льодяних кристалах і спостерігається найчастіше в атмосфері уперисто-шаруватих хмар, рідше — за інших умов. Найпоширеніша форма гало - світле слабко забарвлене коло навколо Сонця чи Місяця. Досить часто спостерігаються яскраві кольорові плями обабіч Сонця - несправжні сонця чи паргелії, яскрава кольорова дуга з центром у зеніті - зенітна дуга, світлові стовпи, що ідуть вгору та вниз від світила. Всього відомо кілька десятків різновидів гало (до 90). Переважна більшість їх - рідкісні і спостерігаються лише в країнах із суворим кліматом. В Україні гало можна спостерігати 70-120 разів на рік, але переважно у вигляді малопомітного явища. Яскраве і добре помітне гало з'являється 10-20 разів на рік. Поява гало часто свідчить про зміни в погоді - похолодання, прихід вологих атмосферних фронтів. Світловий день або фотоперіод — тривалість щоденного освітлення організму (найчастіше — рослини) у зв'язку із ростом та розвитком. Реакція організму на світловий день називається фотоперіодизмом.

53. Повне внутрішнє відбивання світла. Світлопроводи Повне внутрішнє відбиття світла - явище непроникання косих світлових променів із середовища із більшою оптичною густиною в середовище із меншою оптичною густиною. При малих кутах падіння світло частково проникає в інше середовище, частково відбивається на границі розділу. Кут заломлення визначається законом Снеліуса і є більшим за кут падіння. Повне внутрішнє відбиття спостерігається для великих кутів падіння, які перевищують критичний кут Світло все ж проникає в середовище із меншим показником заломлення на незначну глибину. Це явище використовується в методі порушеного повного внутрішнього відбиття для дослідження приповерхневих шарів тіл. Явище повного внутрішнього відбиття легко спостерігати, якщо пірнути у воду й глянути вгору. Синє небо над головою буде видно лише в межах певного кола. Явище використовується у хвилеводах, зокрема оптичних волоконних лініях. Світло не може вирватися із волокна, навіть якщо це волокно зігнути чи скрутити в бухту, бо кут падіння залишається меншим за критичний кут повного внутрішнього відбиття. Світлопровід - пристрій для направленої передачі світлової енергії. Використання для цієї мети відкритих світлових пучків в повітряному середовищі часто неефективно або неможливо; передачу на значні відстані утрудняє головним чином наявність в атмосфері випадково розподілених неоднородностей. Тому застосовують світлопроводи різних типів. Одним з типів є лінзовий хвилевід — система увязнених в трубу і розташованих на певних відстанях скляних лінз, які служать для періодичної корекції хвилевого фронту світлового пучка. Як коректори можуть також застосовуватися газові лінзи. Найбільш перспективний тип — скляний волоконний світлопровід. При проходженні світла по волокну промені випробовують повне внутрішнє віддзеркалення на поверхні розділу серцевини і оболонки і поширюються лише по серцевині, хоча і серцевина, і оболонка виготовляються з оптично прозорого матеріалу.

54. Показник заломлення. Фазова і групова швидкості світла Показник заломлення — це характерне для середовища число, яке визначає в скільки разів швидкість розповсюдження світла в середовищі менша за швидкість світла у вакуумі. Середовище з більшим значенням показника заломлення називають оптично густішим. Похилі промені світла на межі розділу двох середовищ змінюють напрям руху, або заломлюються.Закон Снеліуса :

, де α — кут падіння, а β — кут заломлення.

Величину n₂₁ = n₂ / n₁ називають відносним показником заломлення середовища 2 стосовно середовища 1. Показник заломлення залежить від частоти світла. Ця залежність називається дисперсією. В більшості спектральних діапазонів показник заломлення зростає з частотою- нормальна дисперсія. Проте в певних частотних діапазонах показник заломлення стрімко падає-аномальна дисперсія. Завдяки цим різким падіння показник заломлення для низьких частот завжди більший, ніж для дуже високих частот (рентгенівського діапазону). Розрізняють фазову швидкість світла, яка визначається показником заломлення, й групову швидкість. Фазова швидкість світла характеризує зв'язок між довжиною хвилі й частотою. Вона визначається для безмежних в просторі плоских хвиль, які не можуть переноситиінформацію. Вона може перевищувати швидкість світла у вакуумі. Групова швидкість світла в середовищі характеризує процес розповсюдженняхвильового пакету, яким може передаватися інформація. Групова швидкість завжди менша за швидкість світла у вакуумі.

55. Інтерференція на тонких плівках. Смуги рівного нахилу і рівної товщини Прикладом інтерференції світла, що спостерігається в природних умовах, може бути райдужне забарвлення мильних плівок, тонких плівок нафти або мінерального масла, які плавають на поверхні води, кольори мінливості на поверхні загартованих стальних деталей, покритих найтоншим шаром окислів. Усі ці явища зумовлені інтерференцією світла в тонких прозорих плівках, яка виникає внаслідок накладання когерентних хвиль, що відбиваються від верхньої та нижньої поверхонь плівки.

Падаюча хвиля частково відбивається від верхньої поверхні плівки, а частково заломлюється. Заломлена хвиля, досягнувши нижньої поверхні плівки, частково відбивається(промінь), а частково заломлюється. Хвиля, що поширюється вздовж променя , на верхній поверхні плівки частково відбивається, а частково заломлюється, причому заломлена хвиля (промінь 2) накладається на хвилю, що безпосередньо відбита від верхньої поверхні.

Інтерференція спостерігається не лише у відбитому світлі, а й у світлі, що проходить через плівку . Максимумам інтерференції у відбитому світлі відповідають мінімуми інтерференції в прохідному світлі і навпаки. Смуги однакового нахилу – це інтерференційні смуги, які виникають внаслідок накладання хвиль, що падають на плоскопаралельну пластинку під однаковими кутами. Кожна смуга відповідає променям, які падають на плівку під певним кутом. Смуги однакового нахилу локалізовані у нескінченності, оскільки вони утворюються паралельними інтерференційними променями, які перетинаються лише на нескінченності. Це явище використовується на практиці для дуже точного контролю ступеня плоско паралельності тонких прозорих пластинок (наприклад, скляних). Зміну товщини пластинки на величину порядку 10-8 м вже можна виявити за зміною форми кілець однакового нахилу. Кожному куту ί відповідає своя смуга. Смуги однакової товщини- це інтерференційні смуги, що виникають внаслідок інтерференції від місць однакової товщини. У відбитому світлі спостерігаються смуги, які утворюються при відбиванні променів від частин клина з однаковою товщиною. Смуги однакової товщини локалізовані по поверхні клина, тому, щоб їх спостерігати, треба акомодувати око на верхню поверхню клина. Для клина паралельні промені, якими освітлюють клин, після відбиття від його верхньої та нижньої поверхонь, не будуть паралельними.

56. Принцип Ферма та основні закони геометричної оптики Принцип Ферма - основний принцип геометричної оптики, який стверджує, що оптична довжина   реального променя, що проходить між точками   та   менша за оптичну довжину будь-якої іншої кривої, яку можна провести між цими двома точками.

,де n - показник заломлення, мінімальний для реального променя.

Інше формулювання полягає в тому, що промінь обирає таку траєкторію, щоб затратити найменший час на подолання віддалі між двома точками.

П'єр Ферма опублікував принцип найменшого часу в 1657, стверджуючи «природа завжди обирає найкоротший шлях».

Виходячи з принципу Ферма можна вивести усі закони геометричної оптики, наприклад, закон заломлення. Геометри́чна о́птика — розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлових променів. Геометрична оптика розглядає світло, абстрагуючись від його хвильової природи, тобто у тому випадку, коли довжина хвилі мала в порівнянні з тими тілами, що впливають на хід променів. В геометричній оптиці не розглядаються такі притаманні світлу явища, як дифракція й інтерференція. Предмети, які впливають на розповсюдження променів — це прозорі й непрозорі поверхні, дзеркала й лінзи. Особливий розділ геометричної оптики складає параксіальна оптика, в якій розглядаються світлові промені, які проходять близько до осі циліндричносиметричної системи, наприклад,лінзи. Геометрична оптика є науковою основою для побудови різноманітних оптичних приладів: окулярів, об'єктивів, мікроскопів, телескопів.

Важливим оптичним приладом є кришталик людського ока.

57. Заломлення променів на сферичній поверхні. «0» - інваріант Аббе Зало́млення або рефракція — зміна напряму поширення випромінювання при проходженні межі розділу двох середовищ з різною оптичною густиною (наприклад, повітря-скло, скло-вода).

Кут, на який змінюється напрям поширення випромінювання, залежить від оптичної густини обох середовищ, а також від довжини хвилі самого випромінювання. Явище заломлення широко використовується в оптиці. Наприклад, випромінювання, заломлюючись в призмі, розкладається на спектр.

Математично заломлення світла описується як законом Снеліуса та формулами Френеля.

При заломленні світла деякими кристалами виникає не один а два заломлені промені, які розповсюджуються в різних напрямках. Це явище називається подвійним променезаломленням.

Сферична поверхня —  відбиваюча поверхня яка має вигляд сфери чи сегмента сфери.

Сферичне дзеркало(сферична поверхня) може бути опуклим або увігнутим — в залежності від того, який бік сегмента сфери — опуклий або увігнутий — є відбиваючий. Центр відповідної сферичному дзеркалу сфери називається його центром або оптичним центром, середина сегмента — полюсом дзеркала, пряма, що проходить через центр та полюс — головною оптичною віссю дзеркала. Інші прямі, що проходять через центр дзеркала та точку, відмінну від полюса, називаються його бічними оптичними осями.

Параксіальні промені, паралельні головній оптичній осі опуклого сферичного дзеркала, так само як і продовження параксіального променів, паралельних головній оптичній осі увігнутого сферичного дзеркала, перетинаються в одній точці, що зветься його фокусом. Він розташований посередині між центром та полюсом дзеркала, тобто відстань (f) його до дзеркала дорівнює половині радіуса (R) :

Сферичне дзеркало може збирати в одній точці лише параксіальні промені, тобто ті з променів, паралельних головній оптичній осі, які близькі до цієї осі. Відомим прикладом опуклого сферичного дзеркала є ялинкова куля.

Число Аббе ( -число) — безразмерная величина, используемая в оптике как мера дисперсии света в прозрачных средах. Чем оно меньше, тем больше дисперсия и тем сильнеехроматическая аберрация среды. Названо в честь немецкого физика Эрнста Аббе.

58. Ідеальна оптична система та її кардинальні елементи. Ідеальна оптична система — оптична система, що створює ідеальне (безабераційне) зображення в представленнях геометричної оптики для гомоцентричних пучків променів. Теорію ідеальних оптичних систем розробив К.Ф.Гаус в 1841 році. Під ідеальною оптичною системою розуміють таку систему, що будь-яку точку простору предметів зображує стигматично, тобто вона не порушує гомоцентричності широких пучків променів, що проходять крізь неї, у межах великої області простору. Теорія ідеальної оптичної системи має чисто геометричний характер. Вона є окремим випадком більш загальної геометричної задачі про перетворення одного простору в інший, котрий називають колінеарним перетворенням. Кожній безлічі точок одного простору відповідає безліч точок в іншому просторі, яке можна назвати зображенням першого. В основі колінеарної відповідності лежать такі розуміння: - кожній точці простору предметів відповідає тільки одна точка в просторі зображень; ці дві точки є сполученими; - будь-якій прямій лінії простору предметів відповідає тільки одна сполучена з нею пряма лінія у просторі зображень. Таким чином, будь-якій площині простору предметів відповідає тільки одна сполучена площина в просторі зображень. У сполучених площинах, що перпендикулярні оптичній осі, зберігається строга подоба.

Кардинальні елементи оптичної системи: фокуси, фокальні площини, головні точки, головні площини та фокусні віддалі.

59. Побудова зображень у тонкій лінзі. Формула лінзи. Опти́чна лі́нза — найпростіший оптичний елемент, виготовлений із прозорого матеріалу, обмежений двома заломлюючими поверхнями, які мають спільну вісь, або взаємно перпендикулярні площини симетрії.

Лінзу називають тонкою, якщо її товщина мала порівняно з радіусами сферичних поверхонь, що її обмежують. Сферичні тонкі лінзи бувають опуклі і вгнуті. При побудові зображень створених двовипуклою лінзою, проводять три лінії:

1. З вершини предмета паралельно оптичній осі лінзи до головної площини лінзи, далі, заломлюючись, через задній головний фокус.

2. З вершини предмета через центр лінзи.

3. З вершини предмета через передній фокус до головної площини лінзи, а далі паралельно оптичній осі лінзи. Фо́рмула лі́нзи — співвідношення між віддалю предмета до оптичної лінзи f, віддаллю зображення від неї   та фокусною віддаллю лінзи F. Для тонкої лінзи У випадку, коли зображення уявне віддаль від лінзи до зображення i береться зі знаком мінус

1. Якщо предмет знаходиться далі за подвійну фокусну відстань, то зображення знаходитиметься позаду лінзи між фокусом і подвійним фокусом і буде дійсним, перевернутим і зменшеним.

2. Якщо предмет знаходиться між фокусом і подвійним фокусом перед лінзою, то зображення буде позаду лінзи за подвійним фокусом і буде дійсним, перевернутим і збільшеним.

3. Якщо предмет знаходиться ближче від фокуса перед лінзою, то зображення буде ще ближче перед лінзою і буде уявним, прямим і збільшеним.

60. Якісний спектральний аналіз. Фізичні основи. Спектральний аналіз — сукупність методів визначення складу (наприклад, хімічного) об'єкта, заснований на вивченні спектрів взаємодії матерії з випромінюванням: спектри електромагнітного випромінювання, радіації, акустичних хвиль, розподілу за масою та енергією елементарних частинок та інше. Спектральний аналіз ґрунтується на явищі дис­персії світла. Традиційно розмежовують:

• атомарний та молекулярний спектральний аналіз,

• «емісійний» — за спектром випромінення та «абсорбційний» — за спектром поглинання,

• «мас-спектрометричний» — за спектром мас атомарних чи молекулярних іонів.

При якісному спектральному аналізі порівнюють спектри досліджуваного зразка зі спектрами індивідуальних сполук. Принцип дії: атоми кожного хімічного елемента мають певні резонансні частоти, внаслідок чого саме на цих частотах вони випромінюють або поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видимі лінії (темні або світлі) в певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини і її стану. Якщо вузький пучок білого світла спрямувати на бічну грань тригранної призми, то, по-різному заломлюючись у склі, промені, з яких складається біле світло, дадуть на екрані райдужну смужку, що називається спектром. У спектрі всі кольори розміщені завжди в певному порядку. Світло поширюється у вигляді електромагнітних хвиль. Кожному кольору відповідає певна довжина електромагнітної хвилі. Довжина хвилі світла зменшується від червоних проме­нів до фіолетових приблизно від 0,7 до 0,4 мкм. За фіолетовими променями у спектрі лежать ультрафіолетові промені, які невиди­мі для ока, але діють на фотопластинку. Ще меншу довжину хви­лі мають рентгенівські промені. За червоними променями знахо­диться область інфрачервоних променів. Вони невидимі, але сприй­маються приймачами інфрачервоного випромінювання, наприклад спеціальними фотопластинками.

61. Око як оптична система. Виправлення дефектів зору. Око людини – це складна оптична система, має кулясту форму. Діаметр очного яблука близько 2,5 см. Ззовні око вкрите щільною непрозорою оболонкою — склерою. Передня частина склери переходить у прозору рогову оболонку — рогівку, що діє як збиральна лінза й забезпечує 75 % здатності ока заломлювати світло. Із внутрішнього боку склера вкрита судинною оболонкою, що складається з кровоносних судин, які живлять око. У передній частині ока судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, яка неоднаково забарвлена в різних людей. У райдужній оболонці є круглий отвір —зіниця. Зіниця звужується в разі посилення інтенсивності світла й розширюється в разі ослаблення. Здатність ока пристосовуватися до різної яскравості предметів, що спостерігаються, називають адаптацією. За зіницею розташований кришталик, який являє собою двоопуклу лінзу. Кришталик, завдяки скріпленим із ним м'язам, може змінювати свою кривизну, а отже, і оптичну силу. Судинна оболонка з внутрішнього боку ока вкрита сітківкою — розгалуженнями світлочутливого нерва. Найчутливіша частина сітківки розташована прямо навпроти зіниці й називається жовтою плямою. Місце, де зоровий нерв входить в око, несприйнятливе до світла, тому дістало назву сліпа пляма. В утворенні зображення також бере участь склисте тіло — прозора драглиста маса, що заповнює простір між кришталиком і сітківкою. Світло, яке потрапляє на поверхню ока, заломлюється в рогівці, кришталику та склистому тілі. У результаті на сітківці виходить дійсне, перевернуте, зменшене зображення предмета.

Короткозорість — це вада зору, у разі якої фокус оптичної системи ока в спокійному (ненапруженому) стані розташований перед сітківкою. Це відбувається тому, що в разі короткозорості кут заломлення світлового пучка в оптичній системі ока виявляється більшим, ніж у людини з нормальним зором. Тому зображення предметів на сітківці є нечітким, розмитим. Відстань найкращого зору в разі короткозорості менша від 25 см. Саме тому короткозора людина, щоб роздивитися предмет у руках, підносить його близько до очей. Короткозорість коригується носінням окулярів із розсіювальними лінзами.

Далекозорість — це вада зору, у разі якої фокус оптичної системи ока в спокійному (ненапруженому) стані розташований за сітківкою. Це відбувається тому, що в разі далекозорості кут заломлення світлового пучка в оптичній системі ока виявляється меншим, ніж у людини з нормальним зором. Зображення предметів на сітківці також буде нечітким, розмитим. Відстань найкращого зору в разі далекозорості більша, ніж 25 см, тому, роздивляючись предмет у руках, людина відсуває його від очей. Далекозорість коригується носінням окулярів зі збиральними лінзами.

62. Інтерференція світла. Умови максимумів і мінімумів. Інтерфере́нція — явище накладання двох або більше когерентних світлових хвиль в результаті чого в одних місцях спостерігається підсилення результуючої хвилі (інтерференційний максимум), а в інших місцях послаблення (інтерференційний мінімум).

Когерентними називаються хвилі, в яких різниця фаз залишається сталою протягом часу, достатнього для спостереження інтерференційної картини.

При накладанні когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл світлового потоку в просторі, тому в одних точках простору утворюються максимуми, а в інших – мінімуми інтенсивності. Це явище називають інтерференцією світлових хвиль. Особливо яскраво інтерференція проявляється в тому випадку, коли інтенсивність обох інтерферуючих хвиль однакова. Когерентні світлові хвилі можна одержати, якщо будь-яким способом поділити (за допомогою відбивання або заломлення) світло, яке випромінюється кожним атомом джерела, на дві частини. Якщо ці дві хвилі пройдуть різні оптичні шляхи, а потім накладаються одна на одну, то спостерігається інтерференція.

63. Оптична сила двокомпонентної оптичної системи. Оптичною системою називають сукупність відбивних і заломлених поверхонь, розміщених на шляху слідування світлового променя. Оптична система може давати дійсне або уявне зображення. Якщо промені, які йдуть від точкового джерела, після проходження оптичної системи збігаються в деякій точці, то така точка є дійсним зображенням джерела. Якщо промені, які пройшли оптичну систему, утворюють розбіжний пучок, тобто не перетинаються, а щоб знайти зображення джерела, доводиться продовжувати розбіжний пучок у напрямі, протилежному напрямку поширення світла, то утворене зображення називають уявним. Оптична сила - характеристика здатності оптичної системи фокусувати світло. Позначається здебільшого літерою D, вимірюється в діоптріях. У системі СІ одиницею вимірювання оптичної сили є обернений метр (м^-1). Для оптичної системи із фокусною віддалю F оптична сила дорівнює Для розсіювальних оптичних систем оптична сила - від'ємна.

64. Лупа, мікроскоп. Зорова труба Лупа є найпростішим приладом для візуальних спостережень. Лупою називають збиральну лінзу з малою фокусною відстанню. Лупу тримають близько до ока, а предмет, що розглядають - в фокальній площині. Предмет видно через лупу під кутом. Лінза з фокусною відстанню 10 см дає збільшення в 2,5 рази.

Мікроскоп застосовують для отримання великих збільшень при спостереженні дрібних предметів. Найпростіший мікроскоп складається із двох лінз — об'єктива і окуляра, з'єднаних трубою — тубусом. Об'єктив — лінза із дуже малою фокусною віддалю. Він підноситься близько до об'єктної площини, на якій лежить призначений для вивчення об'єкт. Об'єктив забезпечує велике збільшення і створює обернене дійсне зображення. Це зображення ще раз перевертається окуляром, через який його розглядає дослідник. В сучасних мікроскопах як об'єктив, так і окуляр — складні оптичні системи. Сучасні мікроскопи мають також додаткову систему освітлення об'єкта спостереження, що лежить на предметному столику. Основну роль в системі освітлення відіграє конденсор.

Зорова труба́ — оптичний прилад, призначений для спостереження віддалених об'єктів, складається з об'єктива, який створює дійсне зображення предметів, та окуляра для збільшення цього зображення. Один із перших пристроїв для спостереження. Також зорова труба може включати обернену оптичну систему і систему призм для скорочення її довжини, або вимірювання розмірів спостережного об'єкта. Збільшення зорової труби дорівнює відношенню фокусних відстаней об'єктива та окуляра.

65. Модель атома Томсона. Планетарна модель атома. Модель атома Томсона. В атомі Томсона позитивну електрику “розподілено” по сфері, у яку вкраплені електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійких конфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною для хімічних властивостей атомів.

Але незабаром виявилося, що нові досліди спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти були відкриті Резерфордом.

Планетарна модель атома або модель Резерфорда — історична модель будови атома, яку запропонував Ернест Резерфорд внаслідок експерименту з розсіянння альфа-частинок. За цією моделлю атом складається із невеликого додатньо зарядженого ядра, в якому зоседердена майже вся маса атома, навколо якого рухаються електрони, подібно до того, як планети рухаються навколо Сонця. Планетарна модель атома відповідає сучасним уявленням про будову атома з врахуванням того, що рух електронів має квантовий характер і не описується законами класичної механіки.

66. Поглинання світла. Закон Бугера. Поглинання світла – це явище зменшення енергії світлової хвилі при її розповсюдженні у речовині внаслідок перетворення енергії світлової хвилі у інші види енергії. Закон поглинання світла (Закон Бугера): І = І₀е^-µх де І, І₀ – інтенсивність світла на виході та вході у шар речовини, товщиною х; µ - показник поглинання (залежить від λ). Коефіцієнт поглинання – величина, обернена товщині шару, при проходженні якого інтенсивність світла зменшується у е разів.

67. Фотоефект. Закони фотоефекту. Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів (випускання електронів речовиною під дією світла). Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу (найменша кількість енергії, яку необхідно надати електрону для того, щоб вивести його з твердого тіла у вакуумі). Закони фотоефекту:

1. Кількість фотоелектронів прямопропорційна інтенсивності світла.

2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.

3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейншейну, який використав ідею німецького фізика М.Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями - квантами (або інша назва фотони). Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу ε= hν. ε – енергія кванта; h – стала Планка; ν – частота світла.

68.Формула Планка для теплового випромінювання Формула Планка - вираз для спектральної щільності потужності випромінювання абсолютно чорного тіла, яке було отримано Максом Планком для рівноважної щільності випромінювання u (ω, T) . Формула Планка була отримана після того, як стало ясно, що формула Релея - Джинса задовільно описує випромінювання тільки в області довгих хвиль. У 1900 році Планк запропонував формулу з постійною (згодом названої постійної Планка), яка добре узгоджувалася з експериментальними даними. При цьому Планк вважав, що дана формула є всього лише вдалим математичним трюком, але не має фізичного сенсу. Тобто Планк не припускав, що електромагнітне випромінювання випускається у вигляді окремих порцій енергії (квантів), величина яких пов'язана з частотою випромінювання виразом: Коефіцієнт пропорційності   згодом назвали постійної Планка,   = 1.054 10 ^-34 Дж с.

69.Атомне ядро.Будова атома. Атомне ядро - центральна частина атома, в якій зосереджена основна його маса (більше 99,9%). Ядро заряджена позитивно, заряд ядра визначає хімічний елемент, до якого належить атом. Розміри ядер різних атомів становлять кілька фемтометра, що в більш ніж в 10 тисяч разів менше розмірів самого атома.Атомні ядра вивчає ядерна фізика.

Атомне ядро ​​складається з нуклонів - позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів, які пов'язані між собою за допомогою сильної взаємодії. Протон і нейтрон мають власним моментом кількості руху ( спіном), рівним   ^{[Сн 1]} і пов'язаним з ним магнітним моментом.

Атомне ядро, що розглядається як клас часток з певним числом протонів і нейтронів, прийнято називатинуклідом.

Кількість протонів в ядрі називається його зарядовим числом   - Це число дорівнює порядковому номеруелемента, до якого належить атом в таблиці Менделєєва. Кількість протонів у ядрі визначає структуруелектронної оболонки нейтрального атома і, таким чином, хімічні властивості відповідного елемента. Кількість нейтронів в ядрі називається його ізотопічним числом   . Ядра з однаковим числом протонів і нейтронів називаються різним числом ізотопами. Ядра з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів - називаються изотони. Терміни ізотоп і Ізотон використовуються також стосовно атомам, що містить зазначені ядра, а також для характеристики нехімічних різновидів одного хімічного елемента. Повна кількість нуклонів в ядрі називається його масовим числом   (Очевидно   ) І приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеної в таблиці Менделєєва. Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протон-нейтронним складом прийнято називати изобарами.

70. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів.

Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті. Проте, на відміну від Планка, який вважав, що системи атомів і молекул мають властивість тільки випромінювати енергію квантами, а самі можуть мати будь-яку енергію і поглинати її в будь-якій кількості безперервно. Ейнштейн пішов далі, зробивши припущення, що світло поглинається такими самими порціями, якими воно випромінюється. Таким чином, за теорією Ейнштейна величина падаючого світлового потоку визначається кількістю фотонів, що падають на поверхню тіла за одиницю часу; при цьому кожний фотон може взаємодіяти тільки з одним електроном.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

,де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Робота Ейнштейна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.

71.Ренгенівські (х) промені та їх використання. Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х-промені  В електромагнітному спектрі діапазон частот рентгенівського випромінювання лежить між ультрафіолетом та гамма-променями.

Рентгенівське випромінювання виникає від різкого гальмування руху швидкихелектронів у речовині, при енергетичних переходах внутрішніх електронів атома. Воно використовується у науці, техніці, медицині. Рентгенівське випромінювання змінює деякі характеристики гірських порід, наприклад, підвищує їхелектропровідність. Короткочасне опромінення кристалів кам’яної солі знижує їхнєвнутрішнє тертя.

Застосування За допомогою рентгенівських променів можна "просвітити" людське тіло, в результаті чого можна отримати зображення кісток, а в сучасних приладах і внутрішніх органів.

В матеріалознавстві, кристалографії, хімії та біохімії рентгенівські промені використовуються для з'ясування структури речовин на атомному рівні за допомогою дифракційного розсіяння рентгенівського випромінювання. Крім того, за допомогою рентгенівських променів може бути визначений хімічний склад речовини..

В аеропортах активно застосовуються рентгенотелевізійних інтроскопи, що дозволяють переглядати вміст ручної поклажі та багажу з метою візуального виявлення на екрані монітора предметів, що представляють небезпеку.

Рентгенотерапія - розділ променевої терапії, що охоплює теорію і практику лікувального застосування рентгенівських променів, що генеруються при напрузі на рентгенівській трубці 20-60 кв і шкірно-фокусній відстані 3-7 см (короткодистанційної рентгенотерапія) або при напрузі 180-400 кв та шкірно-фокусній відстані 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія).Рентгенотерапію проводять переважно при поверхнево розташованих пухлинах і при деяких інших захворюваннях, в тому числі захворюваннях шкіри (ультрам'якої рентгенівські промені Буккі).

72. Радіоактивний розпад Радіоактивний розпад — природне радіоактивне перетворення ядер. При цьому ядро, яке зазнає розпаду, називається материнським, а те, що утворюється, — дочірнім.

Основним у теорії радіоактивного розпаду є припущення про те, що розпад — спонтанний процес, який підкоряється законам статистики. Розпад окремих радіоактивних ядер відбувається незалежно, що дозволяє зробити такий висновок: швидкість розпаду (тобто кількість ядер, які розпадаються за одиницю часу), пропорційна кількість ядер, які не розпалися на цей момент часу:

Величина λ — коефіцієнт, що характеризує швидкість розпаду. Він називається константою розпаду. Ця величина індивідуальна для кожного радіоактивного ядра, її негативне значення вказує на те, що в процесі розпаду загальна кількість радіоактивних ядер зменшується. Знайти початкову кількість ядер, що не розпалися, дозволяє закон радіоактивного розпаду:

N= N0e-λt

де N0 — початкова кількість ядер, що не розпалися, у початковий момент часу

N — кількість ядер, що не розпалися, у момент часу t.

Основними характеристиками інтенсивності розпаду є: 0,693

1) період піврозпаду — час, за який розпадається половина ядер: ;

2) середній час життя ядра:

Кількість розпадів, що відбуваються з ядрами за 1 с, називається активністю нукліда

α-Розпад

При α-розпаді з радіоактивного ядра випромінюється а-частинка (двічі магічне ядро атома Гелію ). Таким чином, дочірнє ядро має на два протони і два нейтрони менше, ніж материнське. а-Розпаду зазнають головним чином важкі ядра (А > 200, Z > 8а).

Правило зміщення для α-розпаду: α-Розпад можливий тому, що маса, а отже, і енергія а-радіоактивного ядра більша за суму мас (або сумарну енергію спокою) а-частинки і дочірнього ядра, що утворюється в результаті а-розпаду. Надлишок енергії материнського ядра звільняється у формі кінетичної енергії а-частинки і дочірнього ядра. Швидкості а-частинок, що вилітають при розпаді, коливаються в межах (1,4-2) 107 м/с. Це відповідає енергіям 4-9 МеВ.

Сучасна теорія ядерних взаємодій стверджує, що а-частинки утворюються в результаті зустрічі двох протонів і двох нейтронів, які рухаються усередині ядра.

Енергетичний спектр випромінюваних а-частинок складається з декількох близько розташованих моноенергетичних ліній. Це означає, що в межах кожної групи енергії частинок постійні. Дискретність спектра α-частинок ще раз доводить дискретність енергетичних рівнів атома.

Для α-розпаду виконується така закономірність: зі зменшенням періоду піврозпаду радіоактивного елемента збільшується пробіг і енергія а-частинок, що ним випромінюються.

Цей взаємозв'язок був встановлений емпірично і називається законом Гейє-ра-Неттола.

β-Розпад У процесі β-розпаду з радіоактивного ядра самодовільно випромінюється електрон (електронний, або β--розпад) або позитрон (позитронний, або β+-розпад). Ці частинки виникають у ядрі безпосередньо в момент β-розпаду, а до цього їх у ядрі немає. Крім того, існує ще третій вид β-розпаду — захоплення ядром електрона з оболонки свого атома. Він називається е-захоплення.

У кожнім випадку β-розпаду відбувається випромінювання нейтрино (або антинейтрино). Правило зміщення для β-розпаду має вигляд:

β—розпад, β+-розпад.

Як видно зі схеми, у випадку β- -розпаду заряд ядра збільшується на одиницю, у випадку β+-розпаду — зменшується. У процесі е-захоплення також спостерігається зниження заряду ядра на одиницю. Таким чином, ядро перетворюється на ізобар, тобто нейтрон перетворюється на протон або навпаки, при цьому загальне число протонів і нейтронів (масове число) ядра залишається незмінним.

β-розпад стає можливим завдяки тому, що вихідне радіоактивне ядро має більшу масу й енергію спокою, ніж продукти розпаду. Надлишок енергії спокою звільняється у формі кінетичної енергії електрона або позитрона, енергії антинейтрино або нейтрино і дочірнього ядра.

Оскільки електрон не вилітає з ядра і не відривається від електронної оболонки атома, припустимо, що він народжується в ядрі як результат процесів, що там відбуваються. Розглянемо це на прикладі β--розпаду. У силу того, що число нуклонів у ядрі не змінюється, а заряд збільшується на одиницю, то єдино можливою ситуацією, у якій можуть одночасно здійснюватися ці умови, буде перетворення одного з нейтронів β-активного ядра на протон з одночасним утворенням електрона й випромінюванням антинейтрино. Так, розпад нейтрона має вигляд:

Протягом тривалого часу вчених ставили у безвихідь безперервні спектри електронів, що випромінюються при β-розпаді. У зв'язку з цим навіть виникла гіпотеза про те, що в процесі β-розпаду порушується закон збереження енергії. Однак припущення, а згодом і доказ існування нейтрино пояснили цей факт. Справа в тому, що β-активні ядра до і після розпаду мають цілком певні енергії, але викидаються електрони, що мають енергію в діапазоні від 0 до певної Е . Як виявилося згодом, безперервність енергетичного спектра обумовлена тим, що енергія розподіляється між електронами й антинейтрино, причому сума енергій обох частинок дорівнює Етах. В одних актах розпаду більшу енергію отримує антинейтрино, в інших — електрон.

Сучасна теорія β-розпаду спирається на те, що всі перетворення, які відбуваються в ядрі, протікають під впливом слабкої взаємодії (єдиного виду взаємодії, у якому можуть брати участь нейтрино й антинейтрино).

Ядра, що мають β-радіоактивність, можна створювати штучно, якщо приєднати до стабільного ядра або відняти від нього один або кілька однотипних нуклонів. При надлишку електронів у ядрі може спостерігатися штучна р-радіоактивність. Такі ядра виходять у результаті опромінення речовин нейтронами в ядерних реакторах. При надлишку протонів ядра виявляють штучну β+-радіоактивність або зазнають е-захоплення. їх одержують опроміненням речовини на циклотроні позитивними іонами (протонами). Уперше наведена β+-радіоактивність була відкрита в 1934 р. при опроміненні речовин а-час-тинками, а штучна β--радіоактивність — при опроміненні речовин нейтронами від нейтронних джерел.

73. Принцип роботи і загальна схема спектрального апарата. Спектральні апарати. Для точного дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, які дають чіткий спектр, тобто прилади, які добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата єпризма або дифракційна сітка.

Розглянемо схему пристрою призмового спектрального апарату.

Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звану коліматором. Коліматор представляє собою трубу, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому - що збирає лінза. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходиться світловий пучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму.

Так як різним частотам відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються в напрямку. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинки. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення з щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом і утворюють спектр.

Описаний прилад називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи і екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів,то прилад називається спектроскоп. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовуються і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сіль і ін

Розглянемо будову найпростішого спектрального апарата – спектроскопа. Від щілини коліматора, розміщеного у фокусі коліматорної лінзи, на лінзу падає розбіжний пучок світла, заломлюючись у коліматорній лінзі цей пучок перетворюється на паралельний і падає на призму. Змінивши напрями у призмі, промені виходять так, що паралельними один одному залишаються лише промені однієї частоти.

Потрапляючи через об‘єктив у зорову трубу, всі паралельні промені дають зображення щілини у фокальній площині об‘єктива, а скільки промені різних частот паралельні різним побічним осям, кожне зображення щілини буде на певному місці спектра. Крізь окуляр зорової труби розглядають уявне і пряме зображення спектра.

Під час дослідження спектрів часто буває доцільним сформувати, а потім за допомогою мікроскопа вивчати. В цьому випадку в фокальну площину об‘єктива зорової труби поміщують світлочутливу пластину або пліву, тоді цей прилад називають спектрографом.