Оптика.

Оптика вивчає закони та властивості видимого діапазону електромагнітних хвиль, тобто –світло.

Фізика не повинна залежати від наших органів відчуття. Але саме той діапазон електромагнітних хвиль, на який реагує наше око має певні фізичні властивості, що дозволило винести його вивчення у окремий розділ фізики. Які саме властивості світла ?

Згадаємо шкалу електромагнітних коливань (дивись стр 28 попереднього конспекту) .

Низькочастотні коливання.

Радіохвилі.

Інфрачервоне випромінювання.

Видимий діапазон електромагнітних хвиль –світло.

Ультрафіолетове випромінювання.

Рентгенівське випромінювання.

Радіоактивне випромінювання α, β, γ.

Якщо довжина електромагнітної хвилі більша за перешкоду, то хвиля її огинає(низькі частоти та радіохвилі). Якшо – меньша, то або відбивається(світло) , або проходить скрізь перешкоду (рентгенівське та радіоактивне). Око людини сприймає саме той діапазон хвиль, який відбивається від поверхні тіла. Якби ми сприймали оком низькі частоти або радіохвилі, то ми б не бачили об’єктів величиною, наприклад, з будинок. Ці хвилі просто огинають такі перешкоди. Кішка, яка бачить у інфрачервоному діапазоні, не може роздивитися тіло розміром 1мм- саме така довжина хвилі у цього випромінювання і воно просто огинає такі перешкоди. Якби ми бачили у рентгенівському випромінюванні, яке проникає скрізь тіла, то ми б теж не помітили б об’єктів, бо хвиля б не відбивалася від поверхні, а просто проходила скрізь неї. Живі істоти мають саме таке око, що реагує на хвилі, які відбиваються від поверхні, на світло.

Поверхня –це теж фізичне поняття. Це межа, де вступає в силу електричне відштовхування верхніх шарів електронів двох тіл. Саме тому одне тверде тіло не може пройти скрізь інше.

Параграф 1Геометрична оптика.

Види та позначення оптичних лінз.

Опукла лінза Вгнута лінза опукло-вгнута

(збираюча) (розсіюча) (збираюча)

Параграф 2. Побудова зображень у лінзах.

Елементи простору

фокальна лінза фокальна

площина площина

простір об’єкту простір зображень

оптична вісь передній фокус задній фокус

1. Промені, що проходять через центр тонкої лінзи у однорідному середовищі – не заломлюються.

2. Промені, що проходято через фокус, після лінзи стають паралельні оптичній вісі.

3. Промені, паралельні променям, що пройщли через передній фокус, збираються у одній точці на фокальній площині.

4. Для побудови зображень достатньо перетину двох променів.

5. Кожна точка об’єкту відбиває промені у всіх напрямках, але для побудови зображення вибираються два таких промені, хід яких ми знаємо з правил 1 – 4. Промені вибираються з крайніх точок об’єкту.

Побудова зображень у збираючий позитивній лінзі.

1. Збираюча позитивна лінза. Об’єкт перед фокусом.

Перший вспоміжний промінь можно провести через точку А паралельно оптичній вісі.. Тоді, у просторі зображень, цей промінь пройде через задній фокус оптичної системи F'.

Другий вспоміжний промінь можно провести через точку А та попередній фокус оптичної системи F. Тоді, у просторі зображень, цей промінь пройде паралельно оптичної вісі.

Третій вспоміжний промінь можно провести середину лінзи. такий промінь не буде заломлюватися у випадку тонкої лінзи.

Зображення А' точки A буде знаходитися на перетині вспоміжних променів

2. Збираюча позитивна лінза. Об’єкт у передньому фокусі.

Побудуємо перший вспоміжний промінь паралельно оптичної вісі (у просторі зображень цей промінь пройде через задній фокус) та другий вспоміжний промінь , що проходить через центр лінзи (такий промінь не заломлюється). Проміні не перетинаються. Це означає, що зображення знаходиться у нескінченності.

3. Збираюча лінза. Об’єкт між фокусом і лінзою.

Побудуємо перший вспоміжний промінь паралельно оптичної вісі (у просторі зображень цей промінь пройде через задній фокус) та другий вспоміжний промінь, який проходить через точку переднього фокуса. (у просторі зображень цей промінь пройде паралельно оптичної вісі). Промені будуть перетинатися у просторі об’єктів і зображення буде уявним.

Побудова зображень у від’ємній розсіючий лінзі.

Побудуємо перший вспоміжний промінь паралельно оптичній вісі. Через фокус F’ пройде не сам промінь, а його подовження. Другий вспоміжний промінь (або його подовження) можна провести через передній фокус F.Тоді у просторі зображень промінь пройде паралельно оптичної вісі. Третій вспоміжний промінь можно провести через чентр лінзи. Такий промінь не буде заломлений.

Усі промені у просторі зображень не перетинаються. Отже, зображення буде уявним на перетині подовження променів.

Побудова ходу довільного променя через позитивну лінзу.

При побудові ходу довільного променя також можливо використовувати вспоміжні промені , хід яких відомий

1-й способ:

Можна побудувати вспоміжний промінь, який паралельний даному та проходить через передній фокус. У просторі зображень вспоміжний промінь буде йти паралельно оптичній вісі. Промінь, який ми шукаємо та вспоміжний промінь паралельні у просторі об’єктів. Тому у просторі зображень вони повинні перетинатися у задній фокальній площині. Таким чином, промінь, який ми шукаємо, пройде через точку перетину вспоміжного променя і задньої фокальної площини.

2-й способ:

Можна побудувати вспоміжний промінь, що проходить паралельно оптичній вісі і який проходить через точку перетину початкового променя та передньої фокальної площини. Вспоміжний промінь у просторі зображень пройде через задній фокус.Так як початковий і вспоміжний промені перетинаються у передній фокальній площині, то у просторі зображень вони повинні бути паралельні.

Побудова ходу довільного променя через від’ємну лінзу. 1-й способ:

Можна побудувати вспоміжний промінь, що паралельний даному та який проходить через передній фокус. У просторі зображень цей промінь буде йти паралельно оптичній вісі. Так як промінь, який ми шукаємо та вспоміжний промінь паралельні у просторі об’єктів, то у просторі зображень вони повинні перетинатися у задній фокальній площині.. Промінь, який ми шукаємо, пройде через точку перетину вспоміжного променя та задньої фокальної площини.

2-й способ:

Можна побудувати вспоміжний промінь, який проходить паралельно оптичній вісі та проходить через точку перетину променя, який ми шукаємо, і передньої фокальної площини. Відповідний йому промінь у просторі зображень буде проходити через задній фокус. Так як ці два промені перетинаються у передній фокальній площині, то у просторі зображень вони будуть паралельні. Тому, промінь, який ми шукаємо, пройде паралельно вспоміжному.

Через оптичну систему, що складається з декількох лінз, побудова ходу довільного променя виконується послідовно через всі лінзи.

Параграф 1. Закон відбиття світла.

Кут α, під яким падає світло на поверхню,

дорівнює куту β його відбиття.

УВАГА! Кути в оптиці -це кути між променем і

перпндикуляром до поверхні, а не кути між променем

і поверхнею, як це прийнято у повсякденному житті.

Параграф 2. Закон заломлення світла.

повітря У чисельнику цього закону завжди

скло стоїть кут з менш густого середовища

Коєфіцієнт заломлення світла при проходженні через межу

між двома середовищами дорівнює відношенню синусів

кутів між променем і перпендикуляром до межі.

Швидкість світла у вакуумі завжди дорівнює

Але при переході світла із вакуума у будь-яке середовище

швидкість світла зменшується. Коефіцієнт заломлення світла показує у скільки разів змінюється швидкість світла на межі двох середовищ.

Коефіцієнт заломлення світла n для різних прозорих середовищ вказано у таблицях Але його вказано відносно повітря, а не вакуума тому, ми живемо у повітрі.

А лмаз .........2,4 Зверніть увагу на те, що чим більша густина речовини. тим більший коефіцієнт

Скло............1,6 заломлення n. Взагалі у природі майже всі речовини прозорі. Наприклад жива

Вода.............1,3 клітина складається з прозорих білків, але люди, тварини, рослини не прозорі,

Повітря.....1,00029 бо світло заломлюється багато разів у різних напрямках і поглинається.

Кут повного відбиття.

П араграф 3. Хід променів у скляній пластині та трикутній призмі.

Навчальна задача.

Визначити зміщенння променів на виході Δd з скляної пластини,

якщо промінь падає під кутом α= 60º, а висота призми h= 3см.

α= 60º За законом заломлення визначимо кут β.

n=1,6 , виражаємо

h= 0,03м

a Синус якого кута дорівнює 0,4419.?

Δd-? На калькуляторі визначаємо arcsin 0,4419.

b Отримаємо β=26,2º

с

Тепер будемо шукати Δd –зміщення променів на виході.

Величина Δd –це довжина відрізку, проведеного перпендикулярно до двох прямих – лінії, за якою прямувало б світло,якби не було на його шляху призми, та лінії, за якою прямує заломлене світло на виході з призми.

Отже, заштрихований трикутник – прямокутний. b

Один з його катетів позначено Δd, а гіпотенузу –

позначимо довільно літерою b. Чи відомий у цьому Ми винесли зображення

трикутнику ще який-небудь кут, крім прямого 90º? цього трикутника окремо.

Так, це -кут α . Його утворюють два відрізки, кожен Δd

з яких перпендикулярний відрізкам, що утворюють

кут α , під яким падає промінь на призму. Зробимо співвідношення трикутника з величин Δd, b, α.

b cos α = Δd

Обов’язково перечитайте конспект «2 семестр» стр 16.

У співвідношенні, з якого ми будемо шукати Δd, є невідома величина b (кут α = 45º -відомий).

Зробимо співвідношення для b (дивись малюнок) .

b = c – a

З цього виразу ми знайдемо b, але у ньому є дві невідомі величини c і a.Їх шукають з трикутників.

1 . Знайдемо с. Що задано у , виділеному червоним,

трикутнику? Сторона с, сторона h (висота пластини)

та кут α (він такий самий, як і кут падіння променя

на пластину). Зробимо співвідношення трикутника . Ми винесли зображення

h цього трикутника окремо.

Нагадаємо , а сторона, що відповідає

за синус –с (протилежна куту) ,а сторона , що відповідає

за косинус –h (прилегла до кута). α і h -відомі, виразимо с. h

c = h tg α. Кінцевий проміжковий результат беремо у рамку.