Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»

(ГОУ ВПО СибГМУ Росздрава)

Кафедра___________________________

Утверждено

На заседании кафедры

Протокол №___от « «_______2009

Ст. преподаватель Колубаева Л.А.

Лекция №1

« Законы геометрической оптики»

Томск-2009

Введение:

Оптика- это раздел физики, изучающий свойства света и его физическую природу, а также взаимодействие света с веществом. Геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0.

Содержание

1.Свет и его свойства

2.Изотропные и анизотропные среды, абсолютный и относительный показатели преломления.

3.Геометрическая оптика, световые пучки и лучи.

4.Основные законы геометрической оптики, принцип Ферма, доказательство закона преломления на основании принципа Ферма.

5.Полное внутреннее отражение, световоды (эндоскопы).

Литература:

1.Савельев И.В. Курс общей физики т.3 М.изд. Дрофа,2003г.

2.Джанколи Д. Физика.Т.2; М. Мир, 1989г

3.Ахматов А.С., Никитин С.Ю. Физическая оптика, изд. Московского Университета, 1998г.

Наглядные пособия и ТСО

1.Компьютерные демонстрации закона полного внутреннего отражения .

2.Презентации

Свет и его свойства

Максвеллом было установлено, что скорость распространения электромагнитных волн определяется выражением

(1.1),

где в вакууме относительная диэлектрическая проницаемость и относительная магнитная проницаемостьравны единице, поэтому

(1.2),

т.е. скорость распространения электромагнитных волн является универсальной константой равной 3*10⁸м/с.

Задолго до исследований Максвелла было известно, что с такой же скоростью распространяется свет (опыты Реммера 1676г., Физо 1849г., Майкельсона). Поэтому Максвелл предположил, что свет является электромагнитной волной. Подтверждение этому было получено в 1887г. Генрихом Герцем, которому удалось генерировать электромагнитные волны. Эти волны, кроме того, что они обладали скоростью распространения равной 3*10⁸м/с, обладали и другими свойствами света: они отражались, преломлялись согласно законам геометрической оптики, установленными экспериментально еще в 16 веке.

Позже было установлено, что свет обладает не только свойствами электромагнитной волны. Ряд физических явлений не могли быть объяснены с помощью электромагнитной теории света: распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела; фотоэффект; эффект Комптона и т.д. Вначале Планк (1901г.), а затем Эйнштейн (1905г.) объяснили эти явления, введя представление о световых частицах- фотонах.

По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу, т. е. свет обладает и свойствами электромагнитной волны и свойствами фотонов. Причем в различных явлениях эти свойства проявляются в большей или меньшей степени.

Диапазон электромагнитных волн очень широк. Нас будут интересовать только электромагнитные волны, частоты колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей которых сравнимы с собственными частотами колебаний атомов и молекул, а длины волн сравнимы с молекулярными расстояниями. Этот диапазон электромагнитных волн называется оптическим. В оптический диапазон входит видимый свети примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис1.1 дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рисунок 1.1 Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны.

Свет является очень удобным инструментом для исследования явлений, происходящих на межмолекулярном уровне. Это дает возможность применения оптических методов для тонкого исследования вещества. Эти свойства света позволяют создавать новые методики исследования и постоянно их усовершенствовать.

Фотонная теория света также позволяет создавать новые методики диагностики: например, тепловизоры.

Изотропные и анизотропные среды, абсолютный и относительный показатели преломления.

При рассмотрении распространения света в прозрачной среде необходимо учитывать свойства этой среды.

Выделяется два вида сред: изотропные и анизотропные среды.

Изотропной однородной средойназывается среда, свойства которой во всех направлениях являются одинаковыми, например, стекло без всяких вкраплений. Если в среде есть вкрапления, например, воздушные пузыри в стекле, то среда называется изотропной неоднородной средой.

Анизотропной однородной средой называется среда, имеющая различные свойства в различных направлениях, которые определяются диэлектрической проницаемостью вещества.

При распространении света в прозрачных однородных изотропных средах, таких как вода, стекло и т.д., скорость распространения света всегда меньше, чем в вакууме, поэтому скорость распространения света в среде может быть выражена следующим образом

(1.3),

где -относительная магнитная проницаемость, в прозрачных средах равная единице;-относительная диэлектрическая проницаемость, для диэлектриков всегда больше единицы. Таким образом, скорость распространения света в среде и в вакууме связаны

(1.4)

Физическая величина,показывающая во сколько раз скорость распространения света в среде меньше, чем в вакууме называетсяабсолютным показателем преломления. Абсолютный показатель преломления всегда больше или равна1.

Если две среды имеют границу раздела, то при переходе света из одной среды в другую вводится понятие относительного показателя преломления. Относительным показателемпреломления называется отношение абсолютного показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды

(1.5)

Согласно выражению (1.5) относительный показатель преломления может быть как меньше, так и больше единицы

Формула (1.4) связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами. На первый взгляд может показаться, что эта формула неверна. Например, для воды =81,n=1,33. Однако надо иметь в виду, что значение=81 получено из электростатических измерений. В быстропеременных электрических полях значениеполучается иным, причем оно зависит от частоты колебаний поля. Этим объясняется дисперсия света, т. е. зависимость показателя преломления (или скорости света) от частоты (или длины волны). Подстановка в формулу (1.4) значения, полученного для соответствующей частоты, приводит к правильному значению показателя преломления. Значения показателя преломления характеризуют оптическую плотность среды. Среда с большим показателем преломленияnназывается оптически более плотной, чем среда с меньшим показателем преломленияn. Соответственно среда с меньшимnназывается оптически менее плотной, чем среда с большимn.

Длины волн видимого света заключены в пределах _о= 0,38 4-0,76 мкм Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины световых волн будут иными. В случае колебаний частотыдлина волны в вакууме равна_о=c/. В среде, в которой фазовая скорость световой волны, длина волны имеет значение.. Таким образом, длина световой волны в среде с показателем преломленияnсвязана с длиной волны в вакууме соотношением

(1,6)