1.1.Оптические элементы

А. Линзы

Линзы бывают собирательными(рис.02,а) ирассеивающими(рис.02,б)^*

ТочкаF, в которой собираются все лучи (или их продолжения – пунктир на рис.02,б), идущие параллельноглавной оптической оси ОО, называетсяфокусом, а расстояниеfот линзы до фокуса –фокусным расстоянием. Фокус, в котором сходятся сами лучи, называетсядействительным, а фокус на продолжении лучей –мнимым.

Б. Зеркала

Зеркала бывают плоские и сферические. Отражение света от плоских зеркал происходит по правилам 1) и 2) (см. выше).

Сферические зеркала бывают вогнутыми(рис.03,а) ивыпуклыми(рис.03,б). Вогнутые зеркала являются собирательными и имеют действительный фокусF, тогда как выпуклые зеркала – рассеивающие и имеют мнимый фокус.

1.2.Расчет изображений

Законы геометрической оптики позволяют рассчитывать и строить (геометрически) изображения предметов с использованием оптических элементов.

Расстояния aот предмета иbот изображения до оптического элемента связаны соотношением:

.

Это соотношение справедливо для любых оптических элементов, но требует соблюдения правила знаков:

Для действительных объектов (фокус, изображение) соответствующие расстояния ( b, f ) считаются положительными, а для мнимых объектов – отрицательными.

Изображение может быть и больше и меньше предмета. Соотношение между размером предмета Hи размером изображенияhзадаетсякоэффициентом увеличенияkи зависит от расстоянийaиb:

.

Если оказывается (с учетом правила знаков), что k < 0, то изображение получаетсяперевернутым.

1.3.Построение изображений

А.Построение изображений с помощью линз

Несколько добавлений к сказанному.

Расстояния a и b до объекта и изображения отсчитываются отцентральной плоскостиАА , пересекающей главную оптическую ось в точкеЦ –геометрическом центрелинзы (рис.04). Любая другая ось, проходящая через центр линзы, называетсяпобочной.

У любой линзы есть два фокуса F, симметричные относительно центральной плоскости. Плоскость, проходящая через фокус и перпендикулярная главной оптической оси, называетсяфокальной плоскостью.

При геометрических построениях линзу представляют центральной плоскостью со стрелками (как на рис.02). Для построения изображения используют четыре особых («замечательных») луча (см. рис. 05 и 06):

1.Луч 1, идущий параллельно главной оптической оси, после линзы проходит через фокус (действительный – для собирательной линзы (рис.05) и мнимый – для рассеивающей (рис.06)). Изображение в собирательной линзе получается действительным и обратным (см. рис.05).

2.Луч 2, прошедший через фокус, после линзы идет параллельно главной оптической оси.

3.Весь путь луча 3, проходящего через оптический центр линзы, лежит на одной прямой.

4.Все лучи 3’, параллельные побочной оптической оси, собираются в одной точке в фокальной плоскости.

На рис.06 показан ход четырех «замечательных» лучей при построении изображения предмета с использованием рассеивающей линзы.

Для построения изображения любой точки предмета достаточно использовать два любых «замечательных» луча.

Б.Построение изображений в сферических зеркалах.

Расстояния a и b отсчитываютсяот поверхностизеркала. Геометрическим центром сферического зеркала является точкаЦ – центр его кривизны (рис.07,R– радиус кривизны). Для вогнутого зеркала этот центр – действительный (рис.07,а), а для выпуклого – мнимый (рис.07,б). Показано, что радиус кривизны вдвое больше фокусного расстояния:

R=2f .

При построениях изображений в сферических зеркалах используются те же четыре «замечательных» луча, что и с линзами (см. выше). Для примера на рис.08 показано постро -

ение изображения предмета в вогнутом сферическом зеркале. Используются лучи 1 и 2. Изображение получилось действительное и перевернутое.

Геометрическая оптика лишь постулирует наблюдаемые закономерности, но не объясняет их причин. Она не может объяснить, например, почемусвет распространяется по прямой,чем объясняются закономерности отражения и преломления света на границе двух сред,чтотакое радуга, и многое другое.

Ответы на эти вопросы может дать лишь более глубокое проникновение в физическую природусвета. Несколько столетий шел спор между учеными о природе света. Ньютон считал свет потоком частиц («корпускул»), движущихся по законам механики. Но многие факты говорили о том, что свет имеет волновую природу. Электромагнитная теория, разработанная в конце прошлого века Дж.Максвеллом, поставила, казалось, точку в этом споре, признав свет электромагнитными волнами. Но дальнейшее развитие науки о свете внесло в это понятие существенные поправки...

Современная наука считает, что свет обладает и волновыми и «корпускулярными» свойствами, то есть является одновременнои волнами, и потоком «световых частиц». С тем, что это означает и как это возможно, мы и должны познакомиться в этой части курса.