random books / Летута, С. Н. - Курс физики. Оптика (2014)

УДК 535 (075.8) ББК 22.34я 73 Л 52

Рецензент − профессор, доктор физико-математических наук Н.А. Манаков

Летута, С.Н.

Л52 Курс физики. Оптика: учебное пособие для студентов инженернотехнических направлений подготовки/ С.Н. Летута, А.А. Чакак; Оренбургский гос. ун-т – Оренбург: ОГУ, 2014 – 364 с.

ISBN

Вучебном пособии дается систематическое изложение основных фундаментальных понятий и закономерностей по разделам курса физики «Оптика.». В конце каждой главы даются контрольные вопросы, тестовые задания с ответами и упражнения для самоконтроля. В конце учебного пособия приведены контрольные задачи и экзаменационные тестовые задания. В приложении к пособию имеются справочные материалы по математике и общей физике, которые могут оказаться хорошим подспорьем при выполнении практических заданий.

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения «Оптики» студентами очно-заочной формы обучения вузов, студентами факультета дистанционных образовательных технологий. Пособие может оказаться полезным для студентов вузов и старшеклассников при контроле ими знаний, полученных при изучении данного раздела курса физики.

УДК 535 (075.8) ББК 22.34я 73

© Летута С.Н., Чакак А.А., 2014

© ОГУ, 2014

ISBN

2

3

4

5

Введение

Оптикой, или учением о свете, называют учение о физических явлениях, связанных с излучением, распространением и взаимодействием с веществом электромагнитных волн, длина которых лежит в интервале 10-4 - 10-9 м. Внутри этой области спектра электромагнитных волн располагается участок с длинами волн 4×10-6 - 7×10-6 м, вызывающий у людей зрительные ощущения. В оптиче-

ский диапазон длин волн l включают широкую область от рентгеновских лучей до микроволнового диапазона радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется используемыми способами получения и регистрации электромагнитных волн. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле. По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика, не рассматривая вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения в прозрачных средах. Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены четыре основных закона оптических явлений:

1.Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Линия, вдоль которой переносится световая энергия, называется лучом. В однородной среде лучи представляют собой прямые линии.

2.Закон независимого распространения лучей: отдельные лучи не влияют друг на друга и распространяются независимо, т.е. эффект, производимый отдельным лучом, не зависит от того, действуют ли одновременно другие лучи или они устранены.

3.Закон отражения света устанавливает изменение направления луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью.

6

4. Закон преломления света устанавливает изменение направления луча при переходе из однородной среды в другую. Закон преломления открыт в 17 в. В.Снеллиусом и Р.Декартом.

Дальнейшее изучение этих законов показало, что их применение ограничено, и они являются лишь приближёнными законами. Установление условий и границ применимости основных оптических законов означало важный прогресс в исследовании природы света.

Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптических изображений объекта как совокупности изображений отдельных его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах. Наибольшее значение геометрическая оптика (с частичным привлечением волновой оптики) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

Фотометрия посвящена главным образом измерению световых величин. Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением самих этих закономерностей занимается физиологическая оптика, смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, явилось результатом огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света, распространения света в анизотропных средах (кристаллооптика, оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в волновой оптике. Ее математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики – уравне-

7

ния Максвелла. Свойства среды при этом характеризуются значениями диэлек-

трической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ, входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения однозначно определяют показатель преломления среды n = εμ .

Феноменологическая волновая оптика, оставляющая в стороне вопрос о связи величин ε и μ (определяемых экспериментально) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы ее применимости. В отличие от геометрической, волновая оптика даёт возможность рассматривать процессы распространения света при любом соотношении между длиной волны излучения и размером систем, формирующих (или рассеивающих) световые пучки. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в которой процессы распространения,

преломления и отражения волновых пучков с сечением >λ описываются геометрически, но учитываются дифракционные вклады и тем самым волновая природа излучения. Формально такой геометрический и волновой подходы также объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической оптики постулируется существование дифрагирующих лучей.

Огромную роль в развитии волновой оптики сыграло установление связи величин ε и μ с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Оно позволило объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разны-

ми оптическими характеристиками, а также зависимость от λ оптических свойств сред (дисперсию), влияние на световые явления в средах температуры, давления, звука, электрических и магнитных полей и многих других.

В классической волновой оптике параметры среды считаются не зависящими ни от интенсивности света, ни от времени. Соответственно, оптические процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями с посто-

8

янными коэффициентами. Однако во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо: показатель преломления зависит от напряжённости поля световой волны. В таких случаях все явления рассматриваются нелинейной оптикой.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, закономерностей оптических спектров и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональ-

ными частоте излучения ν. Поэтому световому электромагнитному полю сопоставляется поток квантов света – фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излуче-

нием, равна энергии фотона hν, а в более сложном – сумме или разности энергий нескольких фотонов (многофотонные процессы). Эффекты, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой оптикой методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света – наличие у него одновременно характер-

ных черт, присущих и волнам и частицам, − является частным случаем корпус- кулярно-волнового дуализма. Эта концепция была впервые сформулирована именно для оптического излучения. Она утвердилась, как универсальная для всех частиц микромира после обнаружения волновых свойств у материальных частиц и лишь затем была экспериментально подтверждена для радиоизлучения (квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и оптикой. Сначала в радиофизике, а затем в физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых

9

усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров обладает большой временной и пространствен-

ной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью (Δν/ν

достигает 10-14), предельно малой расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников напряжённости электрического поля, превышающие внутриатомные. С появлением лазеров оказалось возможным практически реализовать идеи голографии.

Практические применения. Все разделы оптики имели и имеют многочисленное практическое применение. Задачи рационального освещения решаются светотехникой на основе геометрической оптики и фотометрии с учётом законов физиологической оптики. Оптика решает задачи получения в различных спектральных областях изображений, соответствующих оригиналам, как по геометрической форме, так и по распределению яркости. Оптика указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем рассматривает голография. По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить атомный или молекулярный состав, агрегатное состояние и внутреннюю структуру вещества, проследить за кинетикой и деталями протекающих в нём физических и химических процессов. Большое практическое значение имеет дистанционное зондирование атмосферы с помощью лазерных устройств (лидары) и определению присутствия в ней малых примесей различных веществ.

Уникальной чувствительностью обладают измерительные устройства, использующие интерференцию света. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий, определения показателей преломления прозрачных сред, измерений длин и угловых размеров звёзд и других космических объектов, для контроля качества и формы поверхностей.

10