Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Sveshnikova_I_S__Zapryagaeva_L_A__Guzeeva_I_V.pdf
Скачиваний:
880
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
12.37 Mб
Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Оптика (от греческого optike — наука о зрительном воспри­ ятии) — раздел физики, в котором исследуются процессы излуче­ ния света, его распространение в различных средах и взаимодей­ ствие света с веществом.

Под светом, в широком смысле этого слова, или оптическим излучением, понимают электромагнитное колебание с длинами волн X от 1 нм до 1 мм (106 нм). Электромагнитное колебание с длинами волн менее 1 нм называют рентгеновским, свыше 1 мм

радиоизлучением. Оптическое излучение принято подразделять на ультрафиолетовое (УФ) с X < 380 нм, видимое — 380 нм <Х < < 780 нм и инфракрасное (ИК) с X > 780 нм. Электромагнитные волны видимого диапазона, вызывающие зрительное ощущение, принято называть светом, в узком смысле этого слова, так как в понятие "свет", "световое излучение", включаются также и неви­ димые для глаза излучения (УФ и ИК).

Оптику разделяют на физическую, геометрическую, физиологи­ ческую.

Физиологическая оптика изучает процесс зрения.

Физическая оптика изучает природу и свойства света, характер распространения света в средах, взаимодействие его с веществом. Физическая оптика рассматривает оптическое излучение как про­ цесс распространения коротких электромагнитных волн и с точки зрения волновой природы света может объяснить такие явления, как: дифракция — отклонение лучей от прямолинейного распро­ странения света; интерференция — взаимодействие световых лу­ чей; поляризация, дисперсия и т. д.

Однако для объяснения действия оптических и оптико-элек­ тронных приборов при их разработке удобно пользоваться гео­ метрической (лучевой) оптикой, рассматривающей образование изображения с помощью световых лучей, которые в однородных и изотропных средах (см. определение на стр.8) распространяют­ ся независимо друг от друга, являются прямолинейными и пре­ ломляются (отражаются) на границах раздела сред с разными оп­ тическими свойствами. Природу светового излучения в геометри­ ческой оптике во внимание не принимают. Геометрическую оп­

тику можно рассматривать как предельный случай физической оптики, когда длина волны света стремится к нулю, т. е. X 0.

Оптическое излучение, исследуемое в оптике, представляет со­ бой единство двух процессов: волнового и квантового.

Волновая характеристика света — длина волны X и его кван­ товая характеристика — масса фотона (кванта) ш связаны соот­ ношением

X = h / m • с, (X и • Т = и / v),

где h = 6.626 176 • 1СГ34Дж • с — универсальная постоянная (посто­ янная Планка); с = 3*108 м / с — скорость света в вакууме (пус­ тоте); X — длина волны (расстояние, пройденное колебанием со скоростью и за время, равное периоду Г); v = 1/Т — частота ко­ лебаний.

Движению любого фотона соответствует волновой процесс с частотой v. Скорость движения фотонов в вакууме равна скоро­ сти распространения электромагнитных волн и составляет 299 792,5 км/с == 3 • 108 м/с.

Современная теория света подтверждает его двойственную природу.

Волновой процесс и его характеристики

Волновым процессом называется процесс распространения ко­ лебаний (рис. 1), уравнение которого имеет вид:

у = A sin(2rcv/ ± ф0),

где А — амплитуда колебаний; <р = 2nvt ± <р0 — Фаза колебаний — угол, определяющий положение колеблющейся точки М' (рис. 1, а)

Рис. 1. Гармоническое колебание: а) колебательное движение точки М (относительно т.О; б) синусоидальное распространение световой волны.

Рис. 2. Передача волнового движения от ис­ точника излучения (тЛ).

в данный момент времени t; <р0 — на­ чальная фаза колеба­ ний; v = 1/Т — частота (число колебаний в се­

кунду);

Т — период

колебаний

время

полного

 

колебания

(рис.1, б).

 

 

 

Так

как

волновой

процесс

передается

во

времени

от

точки

к

точке

пространства,

то, используя

уравне­

ние волны вида

 

 

у = A sin2n(//T - 5/Х),

можно определить положение любой точки в гармоническом ко­ лебательном движении, зная длину волны X излучения и расстоя­ ние s до этой точки от источника излучения (т. А) (рис.2).

Волновой фронт (волновая поверхность 1) — это геометриче­ ское место точек с одинаковой фазой колебаний. Нормали к вол­

новому фронту (световые лучи) опреде­

 

ляют направление распространения оп­

1 2 3

тического

излучения,

которое

распро­

страняется от источника во все сторо­

 

ны. Направление и скорость и распро­

 

странения зависят от типа среды и ее

 

свойств: оптической однородности (по­

 

стоянства

показателя

преломления),

 

плотности, прозрачности и т. д.

 

 

Изотропными называются

среды,

 

имеющие одинаковые свойства во всех

 

направлениях. Скорость распростране­

 

ния оптического излучения в таких сре­

 

дах не зависит от направления распро­

 

странения, и световые лучи в них пря-

Рис- 3. Объяснение

молинейны. В прозрачных, но оптиче-

Т - ^ е р и ч е с ^ ф р о н т

ски неоднородных средах лучи могут

2 волны в моменты вре-

быть криволинейными. Оптические де-

мени t„ t2, t3...

тали (линзы,

призмы,

X,

I, .

клинья,

плоскопарал-

 

 

лельные

пластины

и

 

 

т. п.) изготавливают из

 

 

оптического

стекла

с

 

 

высокой

однородно­

 

 

стью,

которая обеспе­

 

 

чивает

 

его

изотроп­

 

 

ность,

поэтому лучи

a)

 

света

в

оптическом

6)

стекле

идут

прямоли­

Рис. 4. Определение направления светового

нейно.

 

 

 

 

 

 

 

 

излучения: а) 5, * -да; б) 5, = —оо.

Чтобы в любой мо­

мент времени t найти положение волнового фронта относительно источника излучения (т.А), используют принцип Гюйгенса (рис.З), который формулируется так: каждую точку волнового фронта I светового колебания можно рассматривать как самостоятельный центр возникновения новых элементарных волн.

Геометрическая поверхность, огибающая эти элементарные вторичные волны, определяет фронт волны I в новый момент времени. Для изотропных сред волновой фронт £ будет сфериче­ ским, если источник расположен на конечном расстоянии s от оптической системы или наблюдателя (рис.4,а).

Если источник излучения (звезда, Солнце) расположен в бес­ конечности (st = —оо), то фронт волны — плоский (сферический с бесконечно большим радиусом кривизны).

Нормали к фронту волны определяют направление светового излучения и представляют собой геометрические лучи (рис. 4, а, б).

Показатель преломления среды

Оптические свойства среды характеризуются отношением ско­ рости света с в вакууме к скорости света и в данной среде. Отно­ шение п = с / и называют абсолютным показателем преломления среды (показателем преломления). При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20°С показатель преломле­ ния воздуха п = 1,000 274, и он мало отличается от показателя преломления вакуума п = 1,0. Поэтому для всех длин волн при­ нимают я„озлуха = 1. Показатель преломления п характеризует оп­ тическую плотность прозрачных веществ. Чем больше п, тем оп­

Т а б л и ц а 1. Значения

показателей пре­

тически

более

плотной

ломления твердых и жидких прозрачных

является

среда,

тем

сред

 

меньше

скорость

рас­

Среда

Значение п

пространения

света в

Вода

1,33

ней.

 

 

 

В табл.1 приведены

Глицерин

1,47

значения

показателей

Стекло оптическое

1,46...2,18

преломления твердых и

Алмаз

2,41

жидких

прозрачных

 

 

сред для основной дли­

 

 

ны волны (\0= 546 нм)

 

 

видимого диапазона.

Скорость и распространения света в среде с показателем пре­ ломления п связана с длиной волны X соотношением и = X • v, то­ гда п = с/о = с/(Х • v), т. е. показатель преломления обратно про­ порционален длине волны X света, и так как п = f(X), то лучи раз­ личных длин волн имеют разную преломляющую способность.

Зависимость показателя преломления п от длины волны X назы­ вают дисперсией света. Дисперсия считается нормальной, если пока­

затель преломления среды уменьшается с увеличением длины волны.

Действие многих оптических приборов можно рассматривать,

исходя

из

представле­

 

ния

о

световых лучах

 

как о нормалях к вол­

 

новым

поверхностям.

 

В оптических

прибо­

 

рах

электромагнитное

 

излучение

 

 

можно

 

представить

упрощен­

 

но (рис.5). Пусть вол­

 

новой

фронт

2, исхо­

 

дящий

из

точки

А,

 

имеет

 

сферическую

Рис. 5. Представление оптического излуче­

форму

с

центром

в

ния геометрическими лучами.

точке А и радиусом

г*.

 

 

 

 

 

Физическая теория не будет нарушена, если:

а)

 

диаметр D волнового фронта значительно превышает длину

волны

X,

т. е. D

X. Это условие всегда выполняется, так как

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]