МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮгоЗападный государственный университет»
ФИЗИКА
Конспект лекций
по оптике, атомной и ядерной физике
для студентов инженерно-технических специальностей
2011
Лекция №1
(Введение. Основные законы геометрической оптики.
Явление полного отражения.)
Введение
Оптика – это раздел физики, изучающей природу света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.
Четыре основных закона геометрической оптики, т.е. законы прямолинейного распространения света, закон независимости световых пучков, закон отражения и закон преломления были установлены на основе опытных данных еще задолго до выяснения природы света.
В 5 в. до н. э. Платон установил законы прямолинейного распространения и отражения света от зеркальных поверхностей. Считают, что закон преломления был установлен Аристотелем (4 в. до н. э.). Математическая трактовка закона преломления дана Декартом в середине 17 в.
Издавна задумывались над природой света. Согласно Пифагору (5 в до н. э.) тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз человека частиц, вылетающих из тел. Демокрит (5 в до н. э.) назвал эти частицы атомами. Согласно Аристотелю, свет, передаваясь через посредство прозрачной среды, расположенной между объектами и глазом, вызывает зрительное действие. Эта идея как бы положила начало учению о светоносном эфире.
Последовательная теория о природе света была выдвинута Ньютоном на основе наблюдений и проделанных экспериментов. Ньютон отказался от волновой теории, т.к. не наблюдал случаев огибания светом препятствий, как это наблюдалось для звуковых волн.
Ньютон представлял свет, как поток корпускул (частиц), движущихся равномерно и прямолинейно в однородной среде. С помощью этой теории Ньютон объяснил впервые наблюдаемое им явление дисперсии света. С помощью этой теории Ньютон сумел объяснить законы отражения и преломления света. Однако Ньютон считал корпускулы света маленькими упругими шариками, подчиняющимися законам движения механики Ньютона.
Через несколько лет после создания Ньютоном корпускулярной теории света известный ученый Х. Гюйгенс, опираясь на аналогию оптических и акустических явлений, выдвинул волновую теорию света, согласно которой свет представляет собой упругие импульсы распространяющиеся в особой среде – эфире. При этом он считал, что эфир является все проникающим и заполняет не только пространство между телами, но заполняет сами тела. Без эфира свет распространяться не мог. В основу этой теории положен принцип Гюйгенса, который позволяет определять положение фронта волны в любой момент, если известно положение фронта в предшествующий момент. Зная положение фронта можно найти направление распространения света ( к фронту). Опираясь на свой принцип, Гюйгенс сумел объяснить законы отражения, преломления, явление двойного лучепреломления. Таким образом к началу 18 века существовали два подхода к объяснению природы света.
Согласно теории
Ньютона для двух сред:
т.е. скорость света должна возрастать
с увеличением оптической плотности
среды.
Согласно теории
Гюйгенса:
т.е. скорость света должна убывать с
увеличением оптической плотности среды.
В 1862 г. Фуко измерил скорость света в воде и нашел, что она в 1,33 раза меньше скорости света в воздухе. Этот факт противоречил теории Ньютона и подтверждал теорию Гюйгенса. Однако огромный авторитет Ньютона послужил тому, что весь 18 век господствовала корпускулярная теория света. Против этой теории возражал Ломоносов и Эйлер – русские ученые.
К концу 18 века результаты многих теоретических и экспериментальных исследований расшатали основы корпускулярной теории. К началу 19 века правильность волновой теории уже не вызывала сомнений. Опыты Юнга, Френеля, Араго и др. по явлениям интерференции, дифракции, поляризации света позволили сделать заключение о волновой природе света. Причем световые волны могли быть только лишь поперечными.
Значительным шагом в развитии теории света явилась теория, разработанная Максвеллом во второй половине 19 века на основе работ Кулона, Ампера, Фарадея, Вебера и др. Согласно теории Максвелла световые волны это есть электромагнитные волны высокой частоты.
Теория Максвелла установила связь между электрическими, магнитными и оптическими параметрами среды:
Волновая теория света не смогла объяснить явление теплового излучения тел, например распределение энергии по частотам.
Для решения проблемы спектрального распределения энергии теплового излучения потребовалась смелая гипотеза Планка, согласно которой электромагнитные волны излучаются не непрерывным потоком, а дискретно, т.е. отдельными порциями (квантами), энергия которых зависит от частоты излучаемых волн:
Таким образом, свет имеет двойственную природу – волновую и корпускулярную, т.е. свет является проявлением единства дискретности и непрерывности.