Физика. Оптика. Учебное пособие для практических занятий

№ 4756 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В Ы С Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ БАЗОВОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра физики

И.Ф. Уварова

ФИЗИКА.

ОПТИКА

Учебное пособие для практических занятий

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2022

УДК 53 У18

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. И.В. Ушаков

Уварова, Ирина Федоровна.

У18 Физика. Оптика : учеб. пособие для практических занятий / И.Ф. Уварова. – Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2022. – 56 с.

ISBN 978-5-907560-21-5

Учебное пособие содержит теоретический материал по основным темам дисциплины «Физика. Оптика» для самостоятельной подготовки студентов к выполнению домашних заданий и практическим занятиям. Имеются методические указания к решению задач, приведены примеры решения типичных задач. В приложении содержатся некоторые справочные данные.

Предназначено для студентов-бакалавров ИТКН, обучающихся по направлениям подготовки 01.03.04, 09.03.01, 09.03.02, 09.03.03.

УДК 53

3

ВВЕДЕНИЕ

Физика является одной из тех наук, знание которых необходимо для успешного изучения общенаучных и специальных дисциплин. При изучении физики большое значение имеет практическое применение теоретических знаний для решения задач. Рабочей программой дисциплины «Физика» предусмотрено освоение такой общепрофессиональной компетенции, как способность применять естественнонаучные и общеинженерные знания, методы математического анализа и моделирования в профессиональной деятельности. Освоение данной компетенции является одной из целей данного пособия, поскольку решение физической задачи предполагает создание модели физического процесса, которая учитывает лишь существенные стороны явления, содержит неизбежные приближения и допущения.

Настоящийсборниксодержиттеоретическийматериалпо геометрической и волновой оптике, по отдельным темам квантовой оптики, примеры решения типовых задач и задачи для самостоятельного выполнения домашних заданий. Весь материал сгруппирован в четыре раздела в соответствии с Рабочей программой дисциплины «Физика» для студентов-бакалавров ИТКН.

4

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЙ

Решение практически любой задачи допускает применение различных методов, основанных на одних и тех же физических законах. Результатом решения должно стать выражение требуемых физических величин через величины, известные из условия задачи.

Каждая задача сформулирована в общем виде и дополнена таблицей числовых данных, размещенных в отдельных строках, которые обозначены соответственными номерами (шифрами). Физическая величина, числовое значение которой необходимо определить в данном шифре, обозначена знаком «?». Величины, обозначенные прочерком «–», для решения данного шифра не требуются, т.е. определять их не нужно.

Единицы измерения, в которых необходимо выразить определяемую величину, указаны в заголовке соответствующей графы таблицы числовых данных (столбца). Во многих случаях используются дольные или кратные от единиц СИ, а также другие единицы, применяемые в науке и технике. Таблицы единиц измерения физических величин, соотношения между различными единицами, приставки для образования кратных и дольных единиц, а также значения основных физических постоянных содержатся в приложении.

Номер задачи и номер шифра (строка числовых данных) студент выбирает в соответствии с маршрутом выполнения домашних заданий по своему номеру в журнале группы. Сроки и порядок сдачи (защиты) домашних заданий определяется графиком учебных занятий.

Задание должно быть оформлено в отдельной тонкой школьной тетради, на обложке которой указываются фамилия и имя студента, номер группы, номер студента по журналу группы, номер домашнего задания, номера вошедших в него задач, шифр к задаче.

При решении каждой задачи необходимо полностью переписать условие, записать его в кратком виде, при необходимости сделать поясняющий рисунок или схему. Образцы решения и оформления задач приведены в данном пособии.

5

Приступая к решению задачи, внимательно ознакомьтесь с условием, вникните в постановку вопроса. Определите основные физические законы, которые можно использовать при решении задачи. В ходе решения необходимо пояснить и обосновать использование тех или иных законов, соотношений, формул. Ознакомьтесь с таблицами физических констант, которые даны в приложении, используя их при решении, не вводите иных обозначений и числовых значений для этих констант.

Для решения большинства задач требуется выполнить подробный и аккуратный чертеж, рисунок или схему (см. примеры решения). На чертеже следует указать все рассматриваемые объекты, обозначения, векторы, систему координат. В ряде случаев это облегчает решение задачи, позволяет представить физический процесс наглядно, а в задачах по геометрической и волновой оптике решение без чертежа или рисунка, как правило, невозможно. В комментариях к рисунку нужно разъяснить роль допущений, сделанных в задаче.

За редким исключением каждая задача должна быть решена в общем виде – так, чтобы искомая величина была выражена через заданные в условии величины. Решение в общем виде позволяет проанализировать результат, получить определенную закономерность, понять, как зависит искомая величина от заданных в условии параметров. Полученное в общем виде решение необходимо проверить с точки зрения размерности в обобщенном (буквенном) виде. Если размерность не соответствует искомой физической величине, нужно искать ошибки в решении. В отдельных случаях возможна подстановка числовых данных в промежуточные выражения, если это существенно облегчает решение, а выражение для искомой величины слишком громоздкое.

Приступаяквычислениям,выразитевсечисловыеданные

водной системе единиц, желательно в СИ. Округлите полученный результат, сохранив в нем столько значащих цифр, сколько содержится в других значениях для этой физической величины

втаблице. Обычно достаточно двух или трех значащих цифр.

Обобщая вышесказанное, сформулируем перечень основных методических рекомендаций по выполнению индивидуального домашнего задания.

6

1  Внимательно прочитайте условие задачи.

2  Сделайте краткую запись данных величин (выразив их значения в одной системе измерений) и искомых величин.

3  В зависимости от условия задачи (где это возможно) сделайте чертеж, схему или рисунок с обозначением данных задачи.

4  Выяснив, какие физические законы или явления лежат в основе данной задачи, запишите их математические выражения, прокомментируйте применение именно данных законов и соотношений.

5  Решите задачу в общем виде, выразив искомую физическую величину через заданные в задаче величины и физические постоянные величины (в буквенных обозначениях без подстановки числовых значений в промежуточные формулы).

6  Проверьте правильность размерности искомой физической величины.

7  Произведите вычисления, подставив числа в окончательную формулу и укажите единицу измерения искомой физической величины.

8  Запишите ответ в кратком виде.

Если при решении задачи возникают осложнения с пониманием условия задачи и, как следствие, с конкретным способом ее решения, необходимо внимательно ознакомиться с рекомендованной литературой, а именно с теми разделами курса, которые нашли отражение в условиях. В случае неудачи рекомендуется обратиться за помощью к преподавателю.

7

1  Элементы геометрической оптики

1.1  Теория

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется поток энергии, испущенный источником света в определенном направлении. В однородной среде световые лучи распространяются прямолинейно.

При переходе через границу двух изотропных прозрачных сред с разными показателями преломления свет частично отражается, а частично преломляется. При этом падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред (рисунок  1.1).

Рисунок  1.1 – Преломление и отражение света на границе двух диэлектриков

Угол падения a равен углу отражения, угол преломления b определяется законом преломления света, или законом Снеллиуса:

где n1 и n2 – абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями, преломляющими световые лучи. Оптическая сила D линзы со сферическими поверхностями определяется формулой

8

где f – фокусное расстояние линзы; n – абсолютный показатель преломления вещества линзы, n0 – абсолютный показатель преломления окружающей линзу среды; R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностей линзы. Для выпуклых поверхностей радиусы кривизны берутся со знаком плюс, для вогнутых – со знаком минус. Для собирающей линзы D и f – положительные, для рассеивающей – отрицательные.

Оптическая сила D системы из двух сложенных вплотную тонких линз равна сумме оптических сил D1 и D2 этих линз:

Формула тонкой линзы

В данной формуле a – расстояние от линзы до предмета, b – расстояние от линзы до изображения. Для действительного изображения b > 0; для мнимого изображения b < 0.

Построение изображения в собирающей и рассеивающей линзах представлено на рисунках  1.2 и  1.3, где точки F – фокусы линзы, точка О – оптический центр, расстояние OF = f; AB – предмет, A1B1 – его изображение.

Рисунок  1.2 – Построение изображения в собирающей линзе

9

Рисунок  1.3 – Построение изображения в рассеивающей линзе

1.2  Пример решения и оформления задачи

Точечный источник света расположен на расстоянии x от плоскости собирающей линзы и на расстоянии y от ее главной оптической оси. Изображение источника находится на расстоянии L от центра линзы. Фокусное расстояние линзы – f, оптическая сила линзы – D. Сделайте поясняющий чертеж. Определите неизвестную величину.

Решение.

Решение задач по геометрической оптике следует начинать с построения чертежа. Собирающая линза дает действительное изображение предмета, если расстояние от предмета до линзы больше фокусного. Если расстояние до предмета меньше фокусного, изображение мнимое. Поэтому прежде чем строить чертеж, следует найти фокусное расстояние. В соответствии с формулой (1.2) f = 1/D. Для фокусного расстояния получаем значение f = 0,5 м = 50 см. Поскольку x < f, то изображение мнимое, построение проведено на рисунке  1.4.

10