34)Предмет оптики. Геометрическая оптика.

Оптика — раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Длины волн оптического излучения заключены в диапазоне с условными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра (диапазон частот 3×1017 – 3×1011 Гц). К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и УФ-излучение. Оптический диапазон длин волн l охватывает около 20 октав и, следовательно, ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения.

Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне.

Для оптических методов исследования характерно формирование направленных потоков оптического излучения с помощью оптических систем, формирование оптических изображений предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны l излучения.

В оптическом диапазоне отчетливо проявляются одновременно и волновые и корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Волновые свойства оптического излучения позволяют дать объяснение явлениям дифракции, интерференции, поляризации. В то же время процессы фотоэлектрической эмиссии, тепловое излучение невозможно понять, не привлекая представлений об оптическом излучении как о потоке частиц-фотонов. Свойство которое характеризует свет в одних случаях, как электромагнитную волну, а в других – как поток особых частиц, называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Виды оптического излучения классифицируются по следующим признакам:

• По природе возникновения — тепловое, люминесцентное, синхротронное.

• По особенностям испускания атомов и молекул — спонтанное и вынужденное.

• По степени однородности спектрального состава — монохроматическое, немонохроматическое.

• По степени пространственной и временной когерентности.

• Упорядоченности ориентации векторов иестественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически поляризованное.

По традиций оптику принято подразделять на геометрическую, физическую, физиологическую.

Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, а исходит из эмпирических законов его распространения. Здесь используется представление о световых лучах, которые преломляются и отражаются на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптического изображения объекта как совокупность изображений отдельных его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления — миражи, радуга).

Наибольшее значение геометрическая оптика с частичным привлечением волновой оптики имеет для расчета и конструирования оптических приборов, от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и вычислительной математики и применению современной вычислительной техники такие расчеты достигли высокого совершенства, и сформировалось отдельное направление, получившее название вычислительной оптики

Формула тонкой линзы

Формула тонкой линзы связывает d (расстояние от предмета до оптического центра линзы), f (расстояние от оптического центра до изображения) с фокусным расстоянием F

Треугольник АВО подобен треугольнику OB₁A₁. Из подобия следует, что

Треугольник OCF подобен треугольнику FB₁A₁. Из подобия следует, что

При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков волна испытывает отражение от границы раздела (волна возвращается в ту среду, из которой падала) и преломление (уходит во вторую среду). Таким образом, на границе раздела двух сред выполняются законы отражения и преломления света (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Явление полного внутреннего отражения

При

.

(3.1)

Явление полного внутреннего отражения заключается в том, что преломленная волна отсутствует. Это возможно только тогда, когда .

Пусть , тогда из (1), или. Но так как углыименяются в пределах от 0 до, то. И уголвсегда! Другими словами, преломленная волна всегда существует.

Пусть , тогда из (1), или, или. Тогда при некотором значениипримет значениеи из (1) получим:

.

(3.2)

Это и есть закон полного внутреннего отражения. Он означает, что для всех углов падения , больших, свет во вторую среду не преломится, а полностью отразится.

Преломление света – это  изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред.

Преломление света происходит по следующему закону:

Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:

,

где α — угол падения,

β — угол преломления,

n — постоянная величина, не зависящая от угла падения.

При изменении угла падения изменяется и угол преломления. Чем больше угол падения,

тем больше угол преломления.

Если свет идет из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения: β < α.

Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления.

Показатель преломления света делится на :

1. Абсолютный— величина равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде: . Зависит от химического состава среды, ее состояния (температуры, давления и т.п.) и частоты света (см. дисперсия света). 2) Относительный — (Показатель преломления второй среды относительно первой) величина равная отношению фазовой скорости в первой среде к фазовой скорости во второй:. Показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления перовой среды.