Лекция №1 Элементы фотометрии и геометрической оптики.

План лекции:

1. История развития оптики. Источники света.

2. Основные фотометрические характеристики.

3. Закон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма.

Введение.

Оптика (от греч. оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его распространения в различных средах и взаимодействия с веществами.

До конца 18-го века большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона, согласно которой свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

В начале 19-го века благодаря исследованиям Т.Юнга (1801) и О.Ж.Френеля (1815) волновая теория значительно развилась и усовершенствовалась.

Томас Юнг

Томас Юнг (Young) (13.06.1773 – 10.05.1829)

Английский физик. Исследования Юнга в области оптики легли в основу его статьи «Механизм глаза» («The Mechanism of the Eye», 1800), в которой он дал объяснение природе аккомодации, астигматизма и цветового зрения. В 1801 при поддержке Б. Румфорда Юнг был назначен профессором Королевского института, где за период с 1801 по 1803 прочитал цикл лекций, изданных впоследствии под названием «Лекции по натуральной философии и механическому искусству» («Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts», 1807). Юнг – один из создателей волновой теории света. Он впервые указал на усиление и ослабление звука при наложении звуковых волн и предложил принцип суперпозиции волн. В 1801 объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию колец Ньютона. Выполнил первый эксперимент по наблюдению интерференции, получив два когерентных источника света (1802). В 1803 попытался объяснить дифракцию света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний, открыл интерференцию УФ-лучей, измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига. Он же ввел характеристику упругости – модуль растяжения и сжатия (модуль Юнга).

Огюсте́н Жан Френе́ль

(фр. Augustin-Jean Fresnel)(10.05.1788 — 14.07.1827)

Французский физик, один из создателей волновой теории света. Родился в Броли (департамент Эр) 10 мая 1788 г.. Окончил Политехническую школу (1806 г.) и Школу мостов и дорог (1809 г.) в Париже. Работал инженером, в период 100 дней — временного возвращения Наполеона из ссылки — лишился работы как участник военных действий. Впоследствии работал в Политехнической школе.

Работы Френеля посвящены физической оптике. Заинтересовавшись работами Э.Малюса, стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 г. переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Томаса Юнга несколько новых, в частности опыт с «бизеркалами Френеля». В 1816 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса — Френеля). Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 г. теорию дифракции света. Предложил способ расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 г. доказал поперечность световых волн (к этой идее он пришёл независимо от Т.Юнга). В 1823 г. установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрёл ряд интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля).

В 1823 г. Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 г. стал членом Лондонского королевского общества. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющую всю Вселенную. В основу волновой теории положен принцип Гюйгенса-Френеля, с которым вы знакомы в механике 1-го курса.

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс родился в Гааге. Отец его Константин Гюйгенс (Хёйгенс), тайный советник принцев Оранских, был замечательным литератором, получившим также хорошее научное образование.

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете, затем решил посвятить себя науке.

В 1651 году опубликовал «Рассуждения о квадратуре гиперболы, эллипса и круга».

Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан.

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру.

В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже и был принят в число членов Академии наук. В 1666 году по предложению того же Кольбера становится её первым президентом. Гюйгенс руководил Академией 15 лет.

В 1673 году под названием «Маятниковые часы» выходит исключительно содержательный труд по кинематике ускоренного движения. Эта книга была настольной у Ньютона, который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики.

1681 год: в связи с намеченной отменой Нантского эдикта Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования.