Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Оптика. Учебное пособие
.pdf
Н. Е. Мещерякова
Физика
Оптика
Учебное пособие
Специальности 080401 Товароведение и экспертиза товаров,
230100 Информатика и вычислительная техника
2009
ББК 22.34
М 56
М 56
Авторы:
к. ф.-м. н., доцент кафедры математических и естественно-научных дис-
циплин НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса»
Н. Е. Мещерякова
Рецензенты:
к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики Волгоградского государствен-
ного педагогического университета С. Ю. Глазов,
к. ф.-м. н., старший преподаватель кафедры математических и естествен-
нонаучных дисциплин НОУ ВПО «Волгоградский институт бизнеса» Н.
А. Растова
Мещерякова Н. Е.
Физика. Оптика: учебное пособие / Н. Е. Мещерякова. –
Волгоград: НОУ ВПО ВИБ, 2009. – 70 с.
ISBN 978-5-9061-7251-8
В курсе лекций по оптике рассмотрены законы геометрической,
волновой и квантовой оптики, основные оптические явления, их
проявления в природе, а также возможность их применения в науке
и технике. В пособии даны рекомендации студентам по организации работы с курсом лекций и соответствующим практикумом.
ISBN 978-5-9061-7251-8
ББК 22.34
©Волгоградский институт бизнеса, 2009
©Мещерякова, Н. Е., 2009
5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ С ЛЕКЦИЯМИ
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
1. Оптика как наука, ее разделы
2. Законы геометрической оптики. Отражение и преломление све-
та. Показатель преломления
3. Оптическое изображение. Построение изображений с помощью
линз. Глаз как оптическая система*
4. Полное внутреннее отражение
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
1. Волновая оптика. Принцип Гюйгенса
2. Свет как электромагнитная волна.* Классификация и свойства
электромагнитных волн*
3. Интерференция и ее применение, условия когерентности волн,
основные интерференционные схемы: интерференция в тонких
пленках, Кольцо Ньютона
4. Дифракция. Виды дифракции: дифракция Фраунгофера, Френе-
ля. Зонная пластинка. Дифракционная решетка
5. Принцип голографии
6. Поляризация света. Законы Малюса и Брюстера
7. Дисперсия света
8. Поглощение света. Виды спектров поглощения
9. Рассеяние света
КВАНТОВАЯ ОПТИКА
1. Квантовая оптика. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа
2. Законы Стефана-Больцмана и Вина
3. Формулы Рэлея-Джинса и Планка
4. Фотоэффект. Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм. Эф-
фект Комптона
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
3
6
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с ГОС ВПО «Оптика» как раздел дисциплины
«Физика» подлежит изучению студентами специальностей 080401
Товароведение и экспертиза товаров, 230100 Информатика и вычислительная техника.
Требования ГОС ВПО к содержанию раздела «Оптика» для
специальности 230100 Информатика и вычислительная техника
подразумевает рассмотрение следующих позиций: отражение и
преломление света, оптическое изображение, волновая оптика,
принцип голографии, квантовая оптика, тепловое излучение, фотоны.
Основная задача учебной дисциплины «Физика» и ее раздела
«Оптика» заключается в изучении фундаментальных законов природы: строение, свойства и взаимодействие материальных тел и
полей.
Изучение законов геометрической, волновой и квантовой оптики, основных оптических явлений, их проявлений в природе, а
также возможности их применения в науке и технике необходимо
для достижения таких целей преподавания дисциплины «Физика»,
как формирование специалиста:
имеющего теоретическую и практическую подготовку в области
физики, позволяющую ориентироваться в потоке научнотехнической информации;
обладающего научным мышлением;
усвоившего основные законы физики, методы физического ис-
следования;
представляющего общую современную картину мира.
Изучение «Оптики» способствует формированию у студен-
тов представления:
о дискретности и непрерывности в науке;
о фундаментальных постоянных;
о принципах симметрии и законах сохранения.
Студенты должны знать и уметь использовать: основные понятия и законы оптики, методы теоретических и экспериментальных исследований в физике, уметь оценивать порядок численных
величин для различных разделов естествознания.
4
7
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАБОТЕ С ЛЕКЦИЯМИ
Целью лекций по «Оптике» является усвоение теоретического материала: законов геометрической, волновой и квантовой оптики, основных оптических явлений, их проявлений в природе, а
также возможности их применения в науке и технике.
По мере изучения теоретического материала курса студентам, помимо прочтения текста предложенных лекций, основной и
дополнительной литературы, рекомендуется вести собственные
конспекты лекций, содержащие определения понятий, формулировки законов, формулы (с подробным описанием входящих в
формулы величин), чертежи и рисунки, пояснительные схемы. Полезно дополнять и корректировать записи, сделанные на аудиторных занятиях (или самостоятельно составленные по литературе).
Наличие подробных, четко структурированных конспектов помогает не только на этапе изучения и закрепления материала, но и при
подготовке к рубежной и итоговой аттестации.
Темы, отмеченные в лекциях значком «звездочка» (например,
Свет как электромагнитная волна*), содержат материал, изученный в школьном курсе физики или содержащийся в других разделах вузовского курса физики, однако их повторение целесообразно для полноценного и глубокого усвоения материала, изучаемого в разделе «Оптика». Данные темы рекомендуется повто-
рить!
Приложения к лекциям по «Оптике» содержат дополнительные сведения, способствующие установлению связей изучаемого
материала с другими разделами физики («Электричество и магнетизм») и наук о человеке (анатомия), а также расширению кругозора.
Закрепление усвоенного теоретического материала, а также
самоконтроль студента по пройденным темам рекомендуется осуществлять с помощью практикума по «Оптике», в котором предложены вопросы для самопроверки и задачи для самостоятельного
решения, приведены решения типовых примеров и краткий справочный материал.
5
8
Рассматриваемые вопросы:
1. Оптика как наука, ее разделы.
2. Законы геометрической оптики. Отражение и преломление
света. Показатель преломления.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
3. Оптическое изображение. Построение изображений с по-
мощью линз. Глаз как оптическая система*.
4. Полное внутреннее отражение.
1. Оптика как наука, ее разделы
Оптика (от др. – греч. ὀπτική появление или взгляд) - раздел
физики, который изучает природу света, световые явления и взаимодействие света с веществом.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные
волны, и поэтому оптика является частью общего учения об элек-
тромагнитном поле, описанного Максвеллом.
Оптическая наука является частью многих прикладных дисциплин, включая электротехнику, физику, психологию, медицину
(особенно офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных
сферах широко применяются достижения прикладной оптики, которая занимается разработкой, конструированием и вопросами
практического применения оптических приборов (микроскопы, бинокли, приборы ночного видения, фото- и видеокамеры, медицинское оборудование и т.д.).
В зависимости от круга рассматриваемых явлений оптику де-
лят на геометрическую (лучевую), волновую (физическую), кван-
товую (корпускулярную).
Геометрическая оптика изучает законы распространения
света на основе представлений о световых лучах. Волновая оптика
объясняет световые явления с точки зрения того, что свет – это
электромагнитная волна. В квантовой оптике свет рассматривают
как поток частиц – фотонов.
2. Законы геометрической оптики. Отражение и преломление
света. Показатель преломления
Несмотря на то, что о природе света до 19 века ничего не
знали, тем не менее, уже к 17 столетию были установлены важнейшие законы, которым подчиняются световые лучи. Впоследствии эти законы были теоретически объяснены в рамках волновой
6
9
оптики. В геометрической оптике свет рассматривается не как вол-
1
i
1
i
21
2
1
sin
sin
n
i
i
1
i
2
i
21
n
2
n
1
n
1
2
21
n
n
n
c
n
21
n
2
1
21
n
на, а как пучок лучей. Луч – направление, вдоль которого распространяется энергия света.
В геометрической оптике всего четыре основных закона:
1) Закон независимости световых пучков: эффект, производимый
отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.
2) Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически
однородной среде распространяется прямолинейно.
3) Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух
сред в точке падения; угол падения
равен углу отражения
(рис.
1).
4) Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпен-
дикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к
синусу угла преломления есть величина постоянная для данных
сред:
,
где
- угол падения луча,
- угол преломления луча,
носительный показатель преломления второй среды относи-
тельно первой, который равен отношению абсолютных показателей
преломления двух сред
и
:
.
Абсолютным показателем преломления среды называется
величина n, равная отношению скорости электромагнитных волн в
вакууме с к их фазовой скорости в среде:
.
Исходя из вышесказанного относительный показатель преломления
второй среды относительно первой
можно выразить через от-
ношение скоростей света в этих средах:
,
7
– от-
10
1
– скорость света в первой среде,
2
n
– скорость света во второй сре-
де.
Рис. 1. Отражение и преломление света на границе раздела двух
сред
Если вспомнить, что свет - это электромагнитная волна, то
абсолютный показатель преломления среды можно связать с электрическими и магнитными свойствами данной среды:
где и - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.
Значение коэффициента преломления является числом,
обычно между 0,1 и 2,0, хотя некоторые вещества могут быть и еще
плотнее. На рис. 2 приведен пример преломления: из-за того, что
коэффициент воды больше, чем у воздуха, ложка в стакане кажется
изогнутой (чем больше значение коэффициента преломления, тем
больше будет искажение).
,
Рис.2. Ложка в стакане
8
11
Закон прямолинейного распространения света, а также законы
ln
отражения и преломления являются следствием принципа Ферма:
световой луч между двумя точками распространяется по пути с
наименьшей оптической длиной. Оптическая длина пути
– это
произведение длины пути l на показатель преломления среды n. Она
пропорциональна времени распространения света по выбранному
пути и совпадает с обычной длиной только в вакууме, где показатель
преломления равен 1, и почти совпадает с ней в воздухе (показатель
преломления воздуха n=1,000278). Из принципа Ферма также следует обратимость световых лучей: если по пути луча пустить встреч-
ный луч, то он в точности повторит ход первого луча в обратном
направлении. Иногда четкой границы раздела между веществами
нет, и показатель преломления изменяется плавно. Например, при
растворении в воде кусочка сахара нижние слои, где его концентрация выше, имеют больший показатель преломления, а верхние –
меньший. В таких средах луч не преломляется, а искривляется. Это
явление называется рефракцией (от латинского слова refractio -
преломление).
а б)
Рис. 3 а) закат солнца, б) рефракция лучей солнца в атмосфере
Атмосфера Земли - тоже среда с постепенно изменяющейся
плотностью, а поэтому солнечные лучи, попадая в атмосферу,
постепенно искривляются в сторону более плотных ее слоев, и
создается впечатление, что наше солнце расположено несколько
выше, чем на самом деле. На восходе или на закате это смещение
достигает угловых размеров солнечного диска, и мы продолжаем
еще некоторое время видеть солнце, когда само оно уже находится
ниже линии горизонта (рис. 3).
9
12
Рефракция является причиной появления призрачных
видений на небе и миражей в пустыне. Когда солнечные лучи
проходят через менее плотный воздух в высоких слоях атмосферы
или же через нагретый воздух вблизи земной поверхности, они
искривляются и могут создать иллюзию парящего в воздухе
корабля или оазиса, в действительности находящегося за линией
горизонта (рис. 4).
Рис. 4. Миражи в пустыне и на море
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]