Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
С. Н. Летута, А. А. Чакак
ОПТИКА
Учебное пособие
Профобразование
Саратов 2020
УДК 535
ББК 22.3
Л52
Рецензент:
Манаков Н. А. — д-р физ.-мат. наук, профессор
Летута, С. Н.
Л52 Оптика : учебное пособие для СПО / С. Н. Летута, А. А. Чакак ; Оренбургский
государственный университет. — Эл. изд. — Саратов : Профобразование, 2020. —
364 с. — (Среднее профессиональное образование)
ISBN 978-5-4488-0640-7
В учебном пособии рассматриваются основные фундаментальные понятия и закономерности оптики, основные свойства света, интерференция и дифракция света, взаимодействие света с веществом, тепловое излучение, поляризация света, квантовые явления в оптике. В издании даются контрольные вопросы и задачи, тестовые задания с
ответами и упражнения для самоконтроля. 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 изучения дисциплин «Оптика», «Геометрическая оптика» по профессиям 11.01.06 «Электромонтер оборудования электросвязи и
проводного вещания», 12.01.03 «Сборщик очков» и специальности среднего профессионального образования 31.02.04 «Медицинская оптика».
Учебное электронное издание
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
УДК 535
ББК 22.3
ISBN 978-5-4488-0640-7
© Летута С. Н., Чакак А. А., 2014
© ОГУ, 2014
© Оформление. ООО «Профобразование», 2020
Содержание
53
70
72
97
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Глава 1 Основные свойства света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
§ 1.1 Законы отражения и преломления света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
§ 1.2 Полное внутреннее отражение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
§ 1.3 Принцип Ферма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
§ 1.4 Скорость света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
§ 1.5 Волновая теория света. Принцип Гюйгенса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
§ 1.6 Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
§ 1.7 Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
§ 1.8 Электромагнитная природа света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
§ 1.9 Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн.
Давление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Глава 2. Интерференция и дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§ 2.10 Методы наблюдения интерференции света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§ 2.11 Интерференция при отражении от прозрачной пластины . . . . . . . . 81
§ 2.12 Применение явлений интерференции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
§ 2.13 Принцип Гюйгенса-Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
§ 2.14 Графическое сложение амплитуд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
§ 2.15 Дифракция от непрозрачных преград . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
§ 2.16 Дифракция в параллельных лучах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
§ 2.17 Дифракция на пространственной решётке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
§ 2.18 Голография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3
Глава 3 Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
§ 3.19 Естественный и поляризованный свет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
§ 3.20 Поляризация при отражении и преломлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
§ 3.21 Поляризация при двойном лучепреломлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
§ 3.22 Интерференция поляризованных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
§ 3.23 Искусственное двойное лучепреломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
§ 3.24 Вращение плоскости поляризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Глава 4 Взаимодействие света с веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
§ 4.25 Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
§ 4.26 Классическая теория дисперсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
§ 4.27 Групповая скорость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
§ 4.28 Поглощение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
§ 4.29 Рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
§ 4.30 Распространение света в оптически неоднородном веществе . . . . . 209
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Глава 5 Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
§ 5.31 Тепловое излучение и люминесценция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
§ 5.32 Закон Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
§ 5.33 Закон Стефана-Больцмана и закон Вина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
§ 5.34 Формула Рэлея-Джинса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
§ 5.35 Формула Планка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
§ 5.36 Оптическая пирометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4
Глава 6 Квантовые явления в оптике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
§ 6.37 Фотоэффект и его виды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
§ 6.38 Законы внешнего фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
§ 6.39 Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона . . . . . . . 256
§ 6.40 Эффект Комптона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
§ 6.41 Тормозное рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
§ 6.42 Характеристическое рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . 268
§ 6.43 Давление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
§ 6.44 Двойственная природа света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Упражнения для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
7 Контрольная работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
§ 7.45 Общие методические указания к решению задач и выполнению
контрольных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
§ 7.46 Контрольные задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8 Экзамены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
§ 8.47 Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
§ 8.48 Экзаменационные тестовые задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9 Примеры решения задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
10 Литература, рекомендуемая для изучения физики . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Приложение А Основные физические константы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Приложение Б Соотношения между единицами некоторых физических
величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Приложение В Некоторые сведения из математики . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Приложение Г Основные формулы по физике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Приложение Д Таблицы физических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
362
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 оптический диапазон длин волн λ 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 физиоло-
гическая 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 све-
та, поляризации света, распространения света в анизотропных средах (кристаллооптика, оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявля-
ется 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 разными 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 оп-
тических спектров и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимо-
действии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными 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 излучением, равна энергии фотона hν, а в более сложном – сумме или разности энер-
гий 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 характерных 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 пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью (∆ν/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
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]