Работа № 13 оптика

Основные положения:

Оптика – раздел физики, изучающий природу света, его испускание, распространение и взаимодействия с веществом.

Свет имеет двойственную природу. С одной стороны, свет представляет собой электромагнитную волну, с другой – поток частиц – фотонов. Поэтому говорят о корпускулярно-волновом дуализме света.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором свет рассматривается в виде геометрического луча, который указывает направление его распространения и изменение этого направления.

Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной среде распространяется прямолинейно и равномерно.

Закон независимости световых лучей: световые лучи при пересечении не возмущают друг друга.

На границе раздела двух сред свет изменяет направление своего распространения. Часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света.

Закон отражения света: Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Закон преломления: луч, падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред: , гдеn₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Абсолютный показатель преломления n равен отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в данной среде:

Линза – прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

По внешней форме линзы делятся на: двояковыпуклые, плосковыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые и т.д. Главная оптическая ось линзы – прямая, проходящая через центр кривизны поверхности линзы. Фокус линзы – точка F, лежащая на главной оптической оси, в которой пересекаются лучи параксиального (приосевого) светового пучка, распространяющиеся параллельно главной оптической оси.

а) ход лучей в собирающей линзе б) ход лучей в рассеивающей линзе

Оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи проходят сквозь нее, не преломляясь.

Фокусное расстояние – расстояние между фокусом и оптическим центром линзы.

Формула тонкой линзы: , гдеd – расстояние от предмета до линзы, f – расстояние от линзы до изображения.

Оптическая сила линзы - , где

n – относительный показатель преломления;

R – радиусы кривизны поверхностей, R> 0 для выпуклой линзы, R< 0 для вогнутой.

[D] = 1 Дптр (диоптрий).

Физическая оптика изучает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Рассмотрим волновую теорию распространения света.

Интерференция света – это сложение двух или нескольких световых волн, вследствие чего наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих колебаний в различных точках пространства.

Условие максимума. При наложении световых волн колебания будут усиливать друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин полуволн или целому числу волн.

, где λ – длина волны, Δd = L₁-L₂ – оптическая разность хода, L₁ – путь, проходимый одной волной, L₂ – путь, проходимый второй волной, k = 0,1,2,3…. и т.д. – порядок интерференционного спектра.

Условие минимума: При наложении световых волн колебания будут ослаблять друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин полуволн _.

Объяснение интерференции световых волн можно дать на основании принципа Гюйгенса-Френеля: каждая точка среды, до которой дошло возмущение, становится самостоятельным источником вторичных волн, новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.

Дифракция света – явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных тел, сквозь малые отверстия и связанное с отклонением от законов геометрической оптики. Дифракция приводит, например, к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя преломления вещества от частоты падающего света (от длины волны).

Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве.

Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины: энергетические – характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения; световые – характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз и другие приемники излучения.

Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения Фс источника к телесному углу Ω, в пределах которого это излучение распространяется:

(Вт/срад).

Поток излучения – мощность излучения, определяемая отношением энергии, переносимой излучением к времени переноса, значительно превышающему период электромагнитных колебаний: (Вт).

Световой поток Ф – мощность оптического излучения по его действию на приемник света с заданной чувствительностью. Единица измерения – люмен (Лм)

Освещенностью поверхности называется отношение светового потока Ф, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности: (Лм/м²=1Люкс = 1Лк).

Если свет падает на площадку под углом α к нормали (нормаль направлена к источнику света), тогда освещенность этой площадки будет определяться так:

_.

Яркость (Кд/м²), где

S₀ – видимая поверхность, I – сила света. В СИ [В] = кд/м².

Пример: яркость поверхности полуденного Солнца имеет порядок 10⁹ кд/м², спирали лампы накаливания – 10⁶ кд/м², ночного безлунного неба – 10^-4 кд/м². Наименьшая различимая яркость имеет порядок 10^-6 кд/м².

Контрольные вопросы:

1. Как доказать прямолинейность распространения света?

2. Сформулируйте закон отражения света.

3. Сформулируйте закон преломления света.

4. Что показывает абсолютный показатель преломления света?

5. Дайте определение интерференции света. Каковы условия максимума и минимума освещенности?

6. Что называется дифракцией света?

7. Какими характеристиками пользуются в фотометрии?

Ответьте на вопросы:

1. Почему светать начинает раньше, чем взойдет солнце?

2. Почему киноэкран нельзя сделать прозрачным?

3. Почему нельзя получить интерференционную картину от двух светящихся тел, например от двух электроламп.

4. Два когерентных луча с разностью хода в три световых волны интерферируют в некоторой точке. Что будет в этой точке: максимум или минимум?

5. Почему видны цветные кольца, окружающие источник света сквозь туман или запотевшее оконное стекло?

6. Почему в жаркий день очертания предметов над нагретой почвой кажутся колеблющимися?

7. Чем объясняется блеск драгоценных камней?

Решите задачи:

1. Солнечный луч, проходящий через отверстие в ставне, составляет с поверхностью стола угол 48°. Как надо расположить плоское зеркало, чтобы изменить направление луча на горизонтальное?

2. Рисунок на диапозитиве имеет высоту 2 см, а его изображение на экране 0,8 м. Определить оптическую силу линзы, если расстояние от объектива 20,5 см.