Оптика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Световые волны

К оглавлению…

Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. В этих пределах свет называется видимым. Свет с наибольшей длиной волны кажется нам красным, а с наименьшей – фиолетовым. Запомнить чередование цветов спектра легко с помощью поговорки «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Первые буквы слов поговорки соответствуют первым буквам основных цветов спектра в порядке убывания длины волны (и соответственно возрастания частоты): «Красный – Оранжевый – Желтый – Зеленый – Голубой – Синий – Фиолетовый».

Свет с большими, чем у красного, длинами волн, называется инфракрасным. Его наш глаз не замечает, но наша кожа фиксирует такие волны в виде теплового излучения. Свет с меньшими, чем у фиолетового, длинами волн, называется ультрафиолетовым.

Электромагнитные волны (и, в частности, световые волны, или просто свет) – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Световые волны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются в веществе с конечной скоростью, которая может быть рассчитана по формуле:

где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: ε₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м. Скорость света в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙10⁸ м/с, она также может быть вычислена по формуле:

Скорость света в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Если свет распространяется в какой-либо среде, то скорость его распространения также выражается следующим соотношением:

где: n – показатель преломления вещества – физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме. Показатель преломления, как видно из предыдущих формул, может быть рассчитан следующим образом:

• Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии. 
• Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами.

Кроме света существуют и другие виды электромагнитных волн. Далее они перечислены по уменьшению длины волны (и соответственно, по возрастанию частоты):

• Радиоволны;
• Инфракрасное излучение;
• Видимый свет;
• Ультрафиолетовое излучение;
• Рентгеновское излучение;
• Гамма-излучение.

 

Интерференция

К оглавлению…

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Оно связано с перераспределением световой энергии в пространстве при наложении так называемых когерентных волн, то есть волн, имеющих одинаковые частоты и постоянную разность фаз. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Для расчета интерференции используется понятие оптической длины пути. Пусть свет прошел расстояние L в среде с показанием преломления n. Тогда его оптическая длина пути рассчитывается по формуле:

Для интерференции необходимо наложение хотя бы двух лучей. Для них вычисляется оптическая разность хода (разность оптических длин) по следующей формуле:

Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее:

интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При m = 0 наблюдается максимум нулевого порядка, при m = ±1 максимум первого порядка и так далее. Интерференционный минимум (темная полоса) наблюдается при выполнении следующего условия:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При первом нечетном числе (единица) будет минимум первого порядка, при втором (тройка) минимум второго порядка и т.д. Минимума нулевого порядка не бывает.

 

Дифракция. Дифракционная решетка

К оглавлению…

Дифракцией

света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50–100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки.

При нормальном падении света на дифракционную решетку в некоторых направлениях (помимо того, в котором изначально падал свет) наблюдаются максимумы. Для того, чтобы наблюдался

интерференционный максимум, должно выполняться следующее условие:

где: d – период (или постоянная) решетки (расстояние между соседними штрихами), m – целое число, которое называется порядком дифракционного максимума. В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины.

 

Законы геометрической оптики

К оглавлению…

Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором не учитываются волновые свойства света. Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Оптически однородная среда — это среда, во всем объеме которой показатель преломления остаётся неизменным.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны (в этом случае наблюдается дифракция).

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α. Заметьте, что все углы в оптике измеряются от перпендикуляра к границе раздела двух сред.

Закон преломления света (закон Снеллиуса): падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения

α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред, и определяется выражением:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В.Снеллиусом в 1621 году. Постоянную величину n₂₁ называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Среду с большим значением абсолютного показателя называют оптически более плотной, а с меньшим – менее плотной. При переходе из менее плотной среды в более плотную луч «прижимается» к перпендикуляру, а при переходе из более плотной в менее плотную – «удаляется» от перпендикуляра. Единственный случай, когда луч не преломляется, это если угол падения равен 0 (то есть лучи перпендикулярны границе раздела сред).

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n₂ < n₁ (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α_пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения α = α_пр, sinβ = 1, так как β = 90°, это значит, что преломленный луч идет вдоль самой границы раздела, при этом, согласно закону Снеллиуса, выполняется следующее условие:

Как только угол падения становиться больше предельного, то преломленный луч уже не просто идет вдоль границы, а он и вовсе не появляется, так как его синус теперь уж должен быть больше единицы, а такого не может быть.

 

Линзы

К оглавлению…

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Если показатель преломления линзы больше, чем окружающей среды, то собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если показатель преломления линзы меньше, чем окружающей среды, то всё наоборот.

Прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием. Оно обозначается той же буквой F.

Правила построения хода луча в линзах

К оглавлению…

Формула линзы

К оглавлению…

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображение – это точка пространства, где пересекаются лучи (или их продолжения), испущенные источником после преломления в линзе. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными (пересекаются сами лучи) и мнимыми (пересекаются продолжения лучей), увеличенными и уменьшенными.

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

Для простоты можно запомнить, что изображение точки будет точкой. Изображение точки, лежащей на главной оптической оси, лежит на главной оптической оси. Изображение отрезка – отрезок. Если отрезок перпендикулярен главной оптической оси, то его изображение перпендикулярно главной оптической оси. А вот если отрезок наклонен к главной оптической оси под некоторым углом, то его изображение будет наклонено уже под некоторым другим углом.

Изображения можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы. Если кратчайшее расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а кратчайшее расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.

Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков: f > 0 – для действительных изображений; f < 0 – для мнимых изображений. Перед d знак «–» ставится только в том случае, когда на линзу падает сходящийся пучок лучей. Тогда их мысленно продлевают до пересечения за линзой, помещают туда воображаемый источник света, и определяют для него расстояние d.

В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения. Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета. Для линейного увеличения линзы существует формула:

Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета и так далее.

Геометрическая оптика в жизни: законы, основы и элементы

Геометрическая оптика – предельно простой случай оптики.  По сути, это упрощенная версия волновой оптики, которая не рассматривает и просто не предполагает таких явлений, как интерференция и дифракция. Тут все упрощено до предела. И это хорошо.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Основные понятия

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах, законы отражения света от зеркальных поверхностей, принципы построения изображений при прохождении света через оптические системы.

Важно! Все эти процессы рассматриваются без учета волновых свойств света!

В жизни геометрическая оптика, являясь крайне упрощенной моделью, тем не менее, находит широкое применение. Это как классическая механика и теория относительности. Произвести нужный расчет чаще всего гораздо легче в рамках классической механики.

Основное понятие геометрической оптики – световой луч.

Отметим, что реальный световой пучок не распространяется вдоль линии, а имеет конечное угловое распределение, которое зависит от поперечного размера пучка. Геометрическая оптика пренебрегает поперечными размерами пучка.

Приведем далее основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Этот закон говорит нам о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Иными словами, из точки А в точку Б свет движется по тому пути, который  требует минимального времени на преодоление.

Закон независимости световых лучей

Распространение световых лучей происходит независимо друг от друга. Что это значит? Это значит, что геометрическая оптика предполагает, что лучи не влияют друг на друга. И распространяются так, будто других лучей и вовсе нет.

Закон отражения света

Когда свет встречается с зеркальной (отражающей) поверхностью, происходит отражение, то есть изменение направления распространения светового луча. Так вот, закон отражения гласит, что падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости вместе с проведенной к точке падения нормалью. Причем угол падения равен углу отражения, т.е. нормаль делит угол между лучами на две равные части.

 

Закон преломления (Снеллиуса)

На границе раздела сред наряду с отражением происходит и преломление, т.е. луч разделяется на отраженный и преломленный.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы. 

Закон преломления света

Отношение синусов углов падения и преломления является постоянной величиной и равняется отношению показателей преломления этих сред. Еще эта величина называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Здесь стоит отдельно рассмотреть случай полного внутреннего отражения. При распространении света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления по величине больше угла падения. Соответственно, при увеличении угла падения будет увеличиваться и угол преломления. При  некотором предельном угле падения угол преломления станет равным 90 градусов. При дальнейшем увеличении угла падения свет не будет преломляться во вторую среду, а интенсивность падающего и отраженного лучей будут равны. Это называется полным внутренним отражением.

Закон обратимости световых лучей

Представим, что луч, распространяясь в каком-то направлении, претерпел ряд изменений и преломлений.  Закон обратимости световых лучей гласит, что если пустить навстречу этому лучу другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.

Мы продолжим изучать основы геометрической оптики, а в будущем мы обязательно рассмотрим примеры решения задач на применение различных законов. Ну а если сейчас у вас имеются какие-либо вопросы, добро пожаловать за верными ответами к специалистам студенческого сервиса. Мы поможем решить любую задачу!

Автор: Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Геометрическая оптика

Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.

В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона, установленных опытным путем:· закон прямолинейного распространения света;· закон независимости световых лучей;· закон отражения;· закон преломления света.Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса.Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.

Гюйгенс Христиан (1629–1695), нидерландский ученый. В 1665–1681 гг. работал в Париже. Изобрел (1657) маятниковые часы со спусковым механизмом, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника. Опубликовал в 1690 г. созданную им в 1678 г. волновую теорию света, объяснил двойное лучепреломление. Усовершенствовал телескоп; сконструировал окуляр, названный его именем. Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Автор одного из первых трудов по теории вероятностей (1657 г.).

Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления.Закон прямолинейного распространения света:· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.Рис 7.1Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны, когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).

Рис. 7.2

Закон независимости световых пучков:· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.Закон отражения (рис. 7.3):· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ

Рис. 7.3

Рис. 7.4

Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со скоростью с, падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А, эта точка начнет излучать вторичную волну.· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC/υ. За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υΔt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения: угол падения α равен углу отражения γ.Закон преломления (закон Снелиуса) (рис. 7.5):· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; · отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред.

Рис. 7.5

Рис. 7.6

Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со скоростью с, падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС, равно Dt. Тогда ВС = сDt. За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u, достигнет точек полусферы, радиус которой AD = uDt. Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что , т.е. .Отсюда следует закон Снелиуса: .Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.

Ферма Пьер (1601–1665) – французский математик и физик. Родился в Бомон-де-Ломань. Получил юридическое образование. С 1631 г. был советником парламента в Тулузе.

Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.Согласно принципу Ферма, свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время.Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.Луч от источника света S, расположенного в вакууме идет до точки В, расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).

Рис. 7.7

В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB. Точку A охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB: .Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю: ,отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.Обратимость световых лучей: если обратить луч III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.Другой пример – мираж, который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной) ( > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а).

Рис.7.8

С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б, в), до тех пор, пока при некотором угле падения ( ) угол преломления не окажется равным π/2.Угол называется предельным углом. При углах падения α > весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г).· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г). · Таким образом, при углах падения в пределах от до π/2, луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.Предельный угол определим из формулы: ; .Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).

Рис. 7.9

Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:а) повернуть луч на 90°;б) повернуть изображение;в) обернуть лучи.Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.Рис. 7.10В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости. Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.

Электив «Оптика в быту и жизни»

Программа элективного курса «Оптика в жизни и в быту»10-й класс

Шепелева Ольга Ивановна, учитель физики

Разделы: Физика

Оптика играет в жизни современного человека очень важную роль. Уже невозможно представить себе жизнь без этой отрасти физической науки. И на земле, и в космическом пространстве работают приборы и устройства различного назначения, создание которых было бы невозможно без знания основ оптики. Эти устройства делают нашу жизнь удобнее и проще, позволяют исследовать окружающий мир и получать совершенно новую информацию, способствуют дальнейшему развитию науки и техники.

Методы исследования, применяемые в данной области физики, являются очень точными и уже довольно длительное время используются для изучения широкого круга явлений окружающего нас мира, благодаря чему оптика служит “локомотивом” для развития многих теорий. Так, толчком к развитию квантовой физики и теории относительности в значительной мере послужили именно оптические исследования.

Элективный курс «Оптика в жизни и в быту» расширяет тему «Геометрическая оптика» школьного курса физики и ориентирован на удовлетворение познавательных интересов старших школьников, развития их интеллектуальных способностей. Курс рассчитан на 34 часа, предлагается учащимся 10-х классов физико-математического профиля.

Цель курса: научить использовать законы и принципы геометрической оптики на практике (при решении задач, выполнении лабораторных работ и практических заданий)

Планируемые образовательные результаты учащихся:

• Воспроизводят основные понятия и законы геометрической оптики (законы отражения, преломления света).

• Решают расчетные, комбинированные, и качественные задачи, а так же олимпиадные задачи на применение законов геометрической оптики.

• Выдвигают гипотезы. Проводят экспериментальные исследования, интерпретируют результаты исследований.

• Отбирают необходимые для проведения эксперимента приборы, делают выводы. Демонстрируют знание принципов работы оптических систем, формирующих изображение, световодов, способов получения голографических изображений и фотографий в технике Фризлайт. Описывают механизм возникновения оптических иллюзий.

• Собирают модели перископа, калейдоскопа и объясняют принципы их работы

Способы оценки планируемых результатов:

В качестве основной формы оценки результатов работы учащихся предлагаю ввести общую аттестационную оценку — “зачтено”/ “не зачтено” выставляется учителем по результатам итоговой зачетной работы.

Примеры зачетной работы для итоговой оценки достижения планируемых результатов.

Планируемый результат: ставить эксперименты по исследованию физических явлений без использования прямых измерений: при этом формулировать проблему/задачу учебного эксперимента; собирать установку из предложенного оборудования; описывать ход опыта и формулировать выводы.

Умения, характеризующие достижение планируемого результата:

1) Формулировать проблему/задачу учебного эксперимента

2) Выбирать оборудование в соответствии с целью исследования.

3) Собирать установку из имеющегося оборудования.

4) Описывать ход исследования.

5) Делать вывод по результатам исследования.

Критерием достижения планируемого результата считается самостоятельное выполнение при проведении исследования п. 2, 3, 5.

Основания для отбора содержания образования:

При отборе содержания образования курса учитывалось содержание материала по оптике, представленное в различных учебно-методических комплексах, содержащихся в Федеральном перечне учебников и рекомендованных к использованию учащимися, изучающими физику на углублённом уровне. Отобранный таким образом материал сравнивался с содержанием примерных программ по физике для углублённого уровня.

Представленный курс включает в себя введение и два раздела: “Геометрическая оптика” и “ Элементы фотометрии ”. В каждом разделе содержится теоретический материал и материал прикладного характера, а так же список возможных демонстраций и лабораторных работ.

Для достижения цели курса предполагается использование различных форм организации занятий. Во время лекций излагается теоретический материал, при этом преимущественно используется информационно-иллюстративный метод, когда учащимся разными средствами сообщается готовая информация, а они ее воспринимают, осознают и фиксируют в памяти, и элементы метода проблемного обучения. Перед учащимися ставится проблема, формулируется познавательная задача, а затем, раскрывается система доказательств, сравнивая точки зрения, различные подходы, показывается способ решения поставленной задачи. В качестве содокладчиков могут выступать учащиеся. В этом случае они воспроизводят отдельные элементы содержания курса, демонстрируют понимание основных законов и принципов.

Во время практических занятий учащиеся выполняют лабораторные работы (как с помощью приборов, так и с помощью компьютерных моделей), решают задачи, обсуждают устройство и принципы действия различных оптических приборов, демонстрируют изготовленные самостоятельно физические приборы и модели, выступают с докладами и сообщениями по теме. Основные методы обучения в этом случае – исследовательский (метод, в котором после анализа материала, постановки проблем и задач и краткого инструктажа учащиеся самостоятельно изучают литературу, ведут наблюдения и измерения и выполняют другие действия поискового характера) и частично-поисковый (когда активный поиск решения познавательных задач организуется либо под руководством педагога, либо на основе эвристических программ и указаний).

Большая роль отводится самостоятельной работе учащихся при решении задач, подготовке докладов и презентаций, выполнении лабораторных работ и создании моделей оптических приборов. В ходе самостоятельной работы ученики сами осознают характер выполняемой работы, сами определяют и находят способы преодоления возникающих трудностей, в целом сами организуют свою деятельность, что способствует достижению цели курса. Роль учителя во время практических занятий сводится только к консультированию учащихся.

Характеристика ресурсов

Образовательные ресурсы:

Информационные:

1. Астрономия/ Авт.-сост. М.Я. Цофин.- Мн.: Харвест . 1998 –(Библиотека школьника).- 704 с.

2. Баканина Л. П. и др. Сборник задач по физике: Учеб. пособие для углубл. изуч. физики в 10-11 кл. М.: Просвещение 8. Бендриков Г., Буховцев Б. «Сборник задач по физике» М., Айрис-пресс,1997. – 399 с.

3. Вишнякова Е.А., Макаров В.А. «Отличник ЕГЭ. Решение сложных задач». М. Интелект-центр 6 , 2010. — 368 с.

4. Гельфгат И.М., Генденштейн Л.Э., «Решение ключевых задач по физике для профильной школы» М. Илекса,2008. – 188 с.

5. Гулиа Н.В. Удивительная физика./ Гулиа Н.В. (О чем умолчали учебники) — М.: ЭНАС, 2010 г. — 416 с.

6. Кессельман В.С. Удивительная история физики./ Кессельман В.С. (О чем умолчали учебники). – М.: Энас-книга, 2013 г. — 376 с.

7. Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. Методические материалы для учителя. Под редакцией В.А. Орлова. М.: Илекса, 2009. – 373 с.

8. Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. Физическая микролаборатория/ Е.С. Объедков, О.А. Поваляев.- М.: Просвещение, 2010 г. — 121 с.

9. Пособие для учителя. Углублённое изучение физики в 10-11 классах. Кабардин О.Ф., Кабардина С.И. М.: Просвещение , 2002 . – 126 с.

10. Физика. 10 класс (углублённый уровень). Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. (под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.) М.: Просвещение, 2011 – 433 с.

11. С.А. Ходыкин «Физика для самостоятельной подготовки в вузы» ч 1. и ч 2., Волгоград, Издательство «Учитель»,1997. – 180 с.

12. Чертов А.Г., Воробьев А.А. «Задачник по физике», М., Физматлит, 2001. — 640 с.

Интернет-ресурсы:

1. Диск “Открытая физика” Версия 2.6, часть II / С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина . под ред. С.М. Козела

2. Официальный сайт музея оптики г. Санкт-Петербурга. — Санкт-Петербург, 2009-2014.- Режим доступа: http://optimus.ifmo.ru/ru (дата обращения 03.03.2015)

3. Режим доступа к программе: http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/content.html#.VCB3o3C0uIX (дата обращения 03.03.2015)

4. К. Чайников. Музей оптики СПБУ ИТМО./ К. Чайников, видеоматериалы — Санкт-Петербург, 2009 г.- Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=Q8m0vjba8qg (дата обращения 03.03.2015)

Материальные ресурсы:

1. Доступ к сети Интернет.

2. Наличие комп. диска “Открытая физика” 2.6, Часть 2.

3. Наличие наборов лабораторного и демонстрационного оборудования серии “L- микро”: комплекты “Оптика” и комплекта “Оптика демонстрационная”

Организационные ресурсы:

1. Рекомендуется проводить занятия через час после окончания основных уроков у учащихся с целью обеспечения возможности отдыха для учащихся.

2. Занятия необходимо проводить в специализированном кабинете, где имеется возможность безопасного подключения электрических цепей к сети.

3. Выход в сеть Интернет. (Особенно во время заключительного занятия)

Содержание образовательной программы

Тематическое планирование

Программа курса включает в себя следующие разделы:

1. Введение – (2 часа). История развития учения о свете с древнейших времен до наших дней. (Идеи Пифагора, Платона, И. Ньютона, Х. Гюйгенса, Р. Гука, Т. Юнга, Ж. Френеля, Дж. К. Максвелла, М. Планка). Методы определения скорости света.

Демонстрации: Компьютерная модель опыта Майкельсона по измерению скорости света (“Открытая физика”)

2. Геометрическая оптика – (16 часов) Что такое световой пучок. Дифракция. Отражение, полное отражение, использование явления полного отражения в технике. Волоконные световоды и их применение. Сферическое зеркало и его применение. Построение изображений в сферическом зеркале.

Тонкая линза, ее фокусное расстояние, формула тонкой линзы, недостатки линз. Оптическая система двух линз. Оптические приборы, формирующие изображение: лупа, фотоаппарат, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность оптических приборов. Немного из истории оптической астрономии.

Как мы смотрим на мир? ( Цветовая чувствительность глаза. Разрешающая способность глаза. Оптическая система глаза человека, бинокулярное зрение, стереоскопическое зрение, дефекты зрения и их коррекция, оптические иллюзии).

Демонстрации

• Компьютерная модель “Сферическое зеркало”, “Микроскоп”, “Зрительная труба Кеплера”, “Глаз как оптический инструмент”, “Система из двух линз”. (“Открытая физика”)

• Полное внутреннее отражение, модель световода.

• Зрительные иллюзии.

Лабораторные работы:

• “Изучение рассеянного и зеркального отражений”.

• “Определение оптической силы системы линз (собирающей и рассеивающей)”

• “Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза”

3.Элементы фотометрии — (12 часов). Фотометрические величины. Фотоаппарат. Фризлайт — искусство рисования светом, одно из направлений современной фотографии. Проектор. Спектроскоп.

Лабораторная работа «Изучение моделей оптических приборов»

Видеоуроки создания фотографий в технике Фризлайт.

Экспериментальное задание: изготовление калейдоскопа, модели перископа, изготовление простейшего фотоснимка в технике Фризлайт.

4. Обобщающее занятие – (4 часа). Демонстрация зачетной работы. Виртуальная экскурсия по музею оптики г. Санкт-Петербурга. Границы применимости геометрической оптики.

Учебно-тематическое планирование

34

14

20

20

 

Литература

1. В.А. Алешкевич. Н.С. Пурышева. Программа элективного курса “Оптика” // Программы элективных курсов. Физика. 9-11 классы. Профильное обучение / сост. В.А. Коровин. — М.: Дрофа, 2009, 127 с.

2. Астрономия/ Авт.-сост. М.Я. Цофин.- Мн.: Харвест. 1998 –(Библиотека школьника).- 704 с.

3. Варламов С.Д., Зильберман А.Р., Зинковский В.И. Экспериментальные задачи на уроках физики и физических олимпиадах./ Варламов С.Д.- М.: МЦНМО, 2009. — 184 с.

4. Горлова Л.А. Сборник комбинированных задач по физике: 10- 11 классы./ Горлова В.А. — М.: ВАКО2011. — 128 с.

5. Гулиа Н.В. Удивительная физика./ Гулиа Н.В. (О чем умолчали учебники) — М.: ЭНАС, 2010 г. — 416 с.

6. В. С. Данюшенков, О.В. Коршунова. Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений (Базовый и профильный уровни)// Программы общеобразовательных учреждений. Физика 10-11 классы/ Саенко П.Г., Данюшенков В.С., Коршунова О.В. — М.: Просвещение, 2010 г. — 160 с.

7. ЕГЭ – 2015. Физика: тематические и типовые экзаменационные варианты: 32 варианта / под ред. М.Ю. Демидовой.- М.: Издательство “Национальное образование”, 2015 (ЕГЭ – 2015. ФИПИ – школе) 272 с.

8. В.А. Касьянов. Физика 11 класс. Профильный уровень/ Касьянов В.А — М.: Дрофа, 8-е изд., дораб. — М.: 2011 г. — 448 с.

9. Кессельман В.С. Удивительная история физики./ Кессельман В.С. (О чем умолчали учебники). — М.: Энас-книга, 2013 г. — 376 с.

10. С.М. Козел, В.А. Орлов, А.Ф. Кавтрев, В.И. Зинковский, Н.Н. Гомулина “Открытая физика” Версия 2.6, часть II: Электродинамика, Электромагнитные колебания и волны, Оптика, Основы специальной теории относительности, Квантовая физика, Физика атома и атомного ядра. / под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела.- Компьютерная программа.- ООО “Физикон”, 2009.- 2 эл. опт. диска (CD- ROM).

13. Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. Физическая микролаборатория/ Е.С. Объедков, О.А. Поваляев. — М.: Просвещение. 2010 г. — 121 с.

14. Официальный сайт музея оптики г. Санкт-Петербурга. [Электронный ресурс] — Санкт-Петербург, 2009-2015. — Режим доступа: http://optimus.ifmo.ru/(дата обращения 03.03.2015)

15. Пальченков Р., Долгополоа А. Freezelight [Электронный ресурс]: официальный сайт арт-проекта Freezelight.ru .- Москва 2008-2015 – Режим доступа: http://www.freezelight.ru (дата обращения 03.03.2015)

16. Тарасов Л.В. Физика в природе: Книга для учащихся./ Тарасов Л.В. — М.: Просвещение,1988. – 352 с.

17. Физика. 10 класс (углублённый уровень). Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. (под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.) М.: Просвещение, 2011 – 433 с.

18. К. Чайников. Музей оптики СПБУ ИТМО./ К. Чайников, видеоматериалы — Санкт-Петербург, 2009 г. — Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=Q8m0vjba8qg (дата обращения 03.03.2015)

19. Чертов А.Г., Воробьев А.А. «Задачник по физике», М., Физматлит , 2001. — 640 с.

20. Экскурсия по прикладной голографии в музее Оптики. (Видеоматериалы). Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=KUxYUjNArK0 (дата обращения 03.03.2015)

Программное обеспечение для геометрической оптики

Я только что обнаружил:

Из руководства:

OpticalRayTracer — это бесплатное (GPL) кроссплатформенное приложение, которое анализирует системы линз и зеркал. Он использует оптические принципы и виртуальную оптическую скамью, чтобы предсказать поведение многих типов обычных и экзотических типов линз, а также плоских и изогнутых зеркал. OpticalRayTracer включает усовершенствованный, простой в использовании интерфейс, который позволяет пользователю изменять оптическую конфигурацию, перетаскивая объекты с помощью мыши.

OpticalRayTracer полностью анализирует оптические свойства линзы, включая рефракцию и дисперсию. Дисплей дисперсии использует световые лучи с цветовой кодировкой для упрощения интерпретации результатов.

Последние версии OpticalRayTracer позволяют создавать зеркала, плоские и изогнутые. В современных оптических конструкциях зеркала часто дают лучшие результаты, чем линзы, например, в астрономических инструментах. Такие инструменты могут быть обработаны в виртуальной рабочей среде OpticalRayTracer.

Это на французском языке, но, кажется, соответствует некоторым моим требованиям.

Оба, кажется, хорошие 2d инструменты, оба находятся в репозиториях Ubuntu.

Из руководства:

OpenRayTrace — это программа для проектирования оптических линз, которая выполняет трассировку лучей. Он построен с использованием python, wxPython и PyOpenGL. Он должен работать на любой платформе, на которой работают python, wxPython и PyOpenGL.

Так что в принципе он должен работать на Linux, но мне пока не удалось этого сделать.

Вот новая ветка проекта: https://github.com/BenFrantzDale/OpenRayTrace

Кажется, он также поддерживает 3D-трассировку лучей.

pyOpTools представляет собой набор пакетов, которые позволяют моделировать оптические системы путем трассировки лучей, а также некоторые вычисления с использованием волновых фронтов, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Он написан на Python и Cython и разрабатывается группой технологических разработок Combustión Ingenieros SAS и группой прикладной оптики Национального университета Колумбии.

Хорошее видео о том, как это работает, можно найти на YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=DB8sfm7pVPI

От README:

Геометрическая оптика raytracing в Python для образования и малых проектов.

Из документации:

Геоптика распространяет световые лучи в 2D , в приближении геометрической оптики .

Модификация объектов должна быть легкой, с живым обновлением распространения лучей. Цель состоит в том, чтобы дать забавный опыт с оптикой.

При этом сохраняется физическая точность , поэтому геополитика может заинтересовать инженеров или физиков, ищущих быстрый способ проверки идей.

Все еще в альфа-стадии.

Скорость света, свет как электромагнитная волна, спектры, энергия волн, энергия волн. Тесты, курсы по физике

Тестирование онлайн

• Показатель преломления среды

Представление о природе света

В конце XVII века возникли две научные гипотезы о природе света — корпускулярная и волновая.

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток мельчайших световых частиц (корпускул), которые летят с огромной скоростью. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости частиц при переходе из одной среды в другую.

Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам.

Согласно современным представлениям, свет имеет двоякую природу, т.е. он одновременно характеризуется и корпускулярными, и волновыми свойствами. В таких явлениях, как интерференция и дифракция, на первый план выступают волновые свойства света, а в явлении фотоэффекта, — корпускулярные.

Свет как электромагнитные волны

Под светом в оптике понимают электромагнитные волны достаточно узкого диапазона. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Исторически появился термин «невидимый свет» — ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 760 нанометров.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется частотой световой волны. Белый свет представляет собой смесь волн различных частот. Он может быть разложен на цветные волны, каждая из которых характеризуется определенной частотой. Такие волны называются монохроматическими.

Скорость света

Согласно самым новым измерениям скорость света в вакууме

Измерения скорости света в различных прозрачных веществах показали, что она всегда меньше, чем в вакууме. Например, в воде скорость света уменьшается в 4/3 раза.

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе называется абсолютным показателем преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество частота остается постоянной (цвет не изменяется). Длина волны в среде с показателем преломления n изменяется:

Теория по физике для подготовки к ЕГЭ 2022

Физика — достаточно сложный предмет, поэтому подготовка к ЕГЭ по физике 2021 займет достаточное количество времени. Кроме теоретических знаний комиссия будет проверять умение читать графики схемы, решать задачи.

Рассмотрим структуру экзаменационной работы

Она состоит из 32 заданий, распределенных по двум блокам. Для понимания более удобно расположить всю информацию в таблице.

Задания	Вид ответа
1–4, 8–10, 14, 15, 20, 25–27	В виде целого числа или десятичной дроби
5–7, 11, 12, 16–18, 21, 23, 24	В виде последовательности двух цифр
19, 22	В виде двух чисел
28–32	В виде подробного ответа с описанием алгоритма решения

Вся теория ЕГЭ по физике по разделам

• Механика. Это очень большой, но относительно простой раздел, изучающий движение тел и происходящие при этом взаимодействия между ними, включающий в себя динамику и кинематику, законы сохранения в механике, статику, колебания и волны механической природы.
• Физика молекулярная. В этой теме особое внимание уделяется термодинамике и молекулярно-кинетической теории.
• Квантовая физика и составные части астрофизики. Это наиболее сложные разделы, которые вызывают трудности как во время изучения, так и во время испытаний. Но и, пожалуй, один из самых интересных разделов. Здесь проверяются знания по таким темам как физика атома и атомного ядра, корпускулярно-волновой дуализм, астрофизика.
• Электродинамика и спецтеория относительности. Здесь не обойтись без изучения оптики, основ СТО, нужно знать, как действует электрическое и магнитное поле, что такое постоянный ток, каковы принципы электромагнитной индукции, как возникают электромагнитные колебания и волны.

Да, информации много, объем очень приличный. Для того чтобы успешно сдать ЕГЭ по физике, нужно очень хорошо владеть всем школьным курсом по предмету, а изучается он целых пять лет. Потому за несколько недель или даже за месяц подготовиться к этому экзамену не удастся. Начинать нужно уже сейчас, чтобы во время испытаний чувствовать себя спокойно.

К сожалению, предмет физика вызывает трудности у очень многих выпускников, особенно у тех, кто выбрал его в качестве профилирующего предметы для поступления в вуз. Эффективное изучение этой дисциплины не имеет ничего общего с зазубриванием правил, формул и алгоритмов. Кроме того, усвоить физические идеи и почитать как можно больше теории недостаточно, нужно хорошо владеть математической техникой. Зачастую неважная математическая подготовка не дает школьнику хорошо сдать физику.

Как же готовиться?

Всё очень просто: выбирайте теоретический раздел, внимательно читайте его, изучайте, стараясь понять все физические понятия, принципы, постулаты. После этого подкрепляйте подготовку решением практических задач по выбранной теме. Используйте онлайн тесты для проверки своих знаний, это позволит сразу понять, где вы делаете ошибки и привыкнуть к тому, что на решение задачи даётся определенное время. Желаем вам удачи!

Оптика для чайников | Wiley

Введение 1

Часть I: Знакомство с основами оптики 7

Глава 1: Введение в оптику, науку о свете 9

Глава 2: Освоение математики и физики, связанных с оптикой 15

Глава 3 : Небольшое исследование света: обзор основ света 31

Глава 4: Понимание того, как направлять свет 45

Часть II: Геометрическая оптика: работа с более чем одним лучом 57

Глава 5: Формирование изображений с помощью нескольких лучей света 59

Глава 6: Визуализация с помощью зеркал: множество отраженных лучей вокруг 69

Глава 7: Визуализация с рефракцией: одновременное изгибание множества лучей 77

Часть III: Физическая оптика: использование световой волны 95

Глава 8: Оптическая поляризация: описание колеблющегося электрического поля в свете 97

Глава 9: Изменение оптической поляризации 113

Глава 10: Калибровка Культивирование отраженного и проходящего света с помощью уравнений Френеля 131

Глава 11: Возникновение оптических помех: не всегда плохо 143

Глава 12: Дифракция: отклонение света от препятствий 161

Часть IV: Оптические приборы: практическое применение света Использование 179

Глава 13: Системы линз: смотрите на вещи так, как вы хотите их видеть 181

Глава 14: Изучение источников света: получать свет там, где вы хотите 197

Глава 15: Направляя свет отсюда куда угодно 213

Часть V: Гибриды: Изучение более сложных оптических систем 227

Глава 16: Фотография: Сохранение изображения навсегда 229

Глава 17: Медицинская визуализация: увидеть, что внутри вас (ножи не нужны!) 247

Глава 18 : Оптика повсюду: изучение других применений в медицине, промышленности и военном деле 259

Глава 19: Астрономические приложения: Использование телескопов 271

Часть VI: Больше, чем просто изображения: Знакомство с продвинутой оптикой 285

Глава 20: Показатель преломления, часть 2: Вы можете его изменить! 287

Глава 21: Квантовая оптика: поиск фотона 301

Часть VII: Часть десятков 311

Глава 22: Десять экспериментов, которые вы можете провести без лаборатории оптики стоимостью 1 миллион долларов 313

Глава 23: Ten Major Открытия в оптике — и люди, которые сделали их возможными 319

Index 325

Гален К.Duree: 9781118017234

Научитесь: Правильно использовать принципы и устройства оптики Избегать типичных ошибок при работе с типичными оптическими проблемами. Определять местоположение и характеристики изображения с помощью простых вычислений. Уяснить основные концепции, лежащие в основе лазеров и лазерных приложений.

Освещающее исследование оптики и оптических технологий.

. изучение света с помощью этого дружелюбного путеводителя по миру оптики. Узнайте, как основы оптических технологий помогают украсить вашу повседневную жизнь — от обычной настольной лампы до более сложных устройств, таких как мобильные телефоны, камеры, рентгеновские аппараты, трехмерные телевизоры и многое другое.Благодаря поучительным фактам, представленным в этой книге, вы никогда не почувствуете себя брошенным в темноте на курсе оптики. Оптика с высоким содержанием оптоволокна — познакомьтесь с основами оптоволоконных кабелей для высокоскоростной связи на большие расстояния Сделайте мир таким, каким вы хотите его видеть — узнайте, как рассчитать местоположение изображения и определить характеристики изображения Пролить свет на свет — узнать, как свет позволяет вам видеть, передавать данные, резать предметы и управлять электрическими цепями. Улавливать волны — понимать волновые свойства света и то, как волны используются, чтобы видеть вещи, которые вы можете видеть » невооруженным глазом наведены туда и сюда лазеры — откройте для себя основную идею лазера и некоторые его применения в медицине и армии. Посмотрите подальше от Земли — взгляните на различные типы телескопов и на то, что вы можете делать с ними

Откройте книгу и найдите: Различия между лампами накаливания и люминесцентными лампами и диодами Советы, чтобы узнать, что вы можете и не можете видеть при компьютерной томографии, ПЭТ-сканировании, МРТ, ЯМР-сканировании и рентгеновских снимках Почему вы видите вещи в 3-D Принципы проверки зрения и назначения корректирующих линз для очков Основные идеи, используемые при создании лазера Поведение и свойства видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света
показывают больше

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они у них был простой способ переносить воду из одного места в другое. Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию, Волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, всегда стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному. Когда мы говорим по стационарному телефону, проводной кабель несет звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе способ: они отправляют и получают информацию, используя невидимые радиоволны — а Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан для эндоскопов в 1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света (обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме, но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая технология

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант. Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил. из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков, Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже): 178 терабит (триллионов бит) в секунду — достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom. (по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотите отправить информацию с вашего компьютера на дом друга по улице с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю. После прохождения по кабелю световые лучи выходили на другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете Сделай из двух банок для печёных бобов и отрезка бечевки!

Как работает оптоволокно

На фото: волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА. (НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света) прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь может ожидать луч света, путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот явление называется полным внутренним отражением. Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть кабель — в середине — называется ядром , и это бит свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах . Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать: мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим чтобы пройти прямо посередине волокна. Другой — отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как Kevlar®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Простейший тип оптического волокна называется одномодовым . Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей). метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в диаграмму). Кабельное телевидение, Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в многомодовый кабель о 10 раз больше одного в одномодовом кабеле. Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя Разновидность разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в несколько разных режимов. Многорежимные кабели могут отправлять только информацию на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте, называемом гастроскопом (разновидность эндоскопа), врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть окуляр и напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается стенки желудка в линзу внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений что-то подобное. Но так же, как электричество может привести в действие многие типы машин, лучи света могут нести многие типы информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и военная техника (чтобы назвать всего четыре) — делаю это совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено ВВС США.

Компьютерные сети

Волоконно-оптические кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, потому что у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

• Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
• Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала
• Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только последний этап информационного пути (так называемый «последний миля «от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели, не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели; по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают более 99 процентов от общего пробега Интернета, и переносят более 99 процентов всего международного трафика связи.

Чем быстрее люди получают доступ к Интернету, тем больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений (где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн вместо домашнего или служебного ПК в собственном помещении). В примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует обычные телефонные линии) сделает его более привычным для люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, вместо того, чтобы смотреть транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные течет по оптоволоконным линиям. Когда-то компьютеры были подключены к на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны, надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить) или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype). Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х годов было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают гораздо больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от с 1950-х гг. первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключались к кабелю, и сети начали предлагать больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптоволокно и с аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году, Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо более высокой пропускной способности, оптический волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в обслуживать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей, в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель. кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня, гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы медицинское сканирование и диагностика.

Одна из последних разработок называется лабораторией на волокно , и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они работай? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь. тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света, возможно).Измеряя изменение света (используя методы например, интерферометрия), инструмент, прикрепленный к другому концу волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток, или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами, вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) в носу установлена ​​инфракрасная оптоволоконная камера, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено Армия Соединенных Штатов.

Легко представить пользователей Интернета, связанных вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом. Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие, устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные способы подключения военных баз и других объектов, таких как стартовые позиции ракет и радиолокационные станции слежения.Поскольку они не переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные излучение, которое может обнаружить противник, и они устойчивы к электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна. кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих медь металлическая. Танки, военные самолеты и вертолеты есть все постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90 процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

• 1840-е: швейцарский физик Даниэль Колладон (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет внутреннее отражение.
• 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он светил в кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина, свет изогнулся, следуя по пути воды. Эта идея «изгиба» свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
• 1930-е годы: Генрих Ламм и Вальтер Герлах , два Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа — инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
• 1950-е: В Лондоне, Англия, индийский физик. Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик Гарольд Хопкинс (1918–1994) удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон. После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию «отец волоконной оптики».
• 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
• 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был награжден премией. Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
• 1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести телефонные сигналы.
• ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), что побудило разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
• 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
• 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
• 2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей. (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности 1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль). Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

Понимание квантовой оптики

Квантовая оптика — это область квантовой физики, которая конкретно занимается взаимодействием фотонов с веществом. Изучение отдельных фотонов имеет решающее значение для понимания поведения электромагнитных волн в целом.

Чтобы прояснить, что это означает, слово «квант» относится к наименьшему количеству любого физического объекта, которое может взаимодействовать с другим объектом.Таким образом, квантовая физика имеет дело с мельчайшими частицами; это невероятно крошечные субатомные частицы, которые ведут себя уникальным образом.

Слово «оптика» в физике относится к изучению света. Фотоны — это мельчайшие частицы света (хотя важно знать, что фотоны могут вести себя как частицы, так и как волны).

Развитие квантовой оптики и фотонной теории света

Теория о том, что свет движется дискретными пучками (то есть фотонами), была представлена ​​в статье Макса Планка 1900 года об ультрафиолетовой катастрофе в излучении черного тела.В 1905 году Эйнштейн расширил эти принципы в своем объяснении фотоэлектрического эффекта, чтобы определить фотонную теорию света.

Квантовая физика развивалась в первой половине двадцатого века в основном благодаря работе над нашим пониманием того, как фотоны и материя взаимодействуют и взаимосвязаны. Однако это рассматривалось как исследование вопроса, предполагающего нечто большее, чем задействованный свет.

В 1953 г. был разработан мазер (излучавший когерентные микроволны), а в 1960 г. — лазер (излучавший когерентный свет).По мере того, как свойство света, используемого в этих устройствах, становилось все более важным, квантовая оптика стала использоваться как термин для этой специализированной области исследований.

Выводы

Квантовая оптика (и квантовая физика в целом) рассматривает электромагнитное излучение как перемещающееся одновременно в форме волны и частицы. Это явление называется дуальностью волна-частица.

Наиболее распространенное объяснение того, как это работает, состоит в том, что фотоны движутся в потоке частиц, но общее поведение этих частиц определяется квантовой волновой функцией , которая определяет вероятность нахождения частиц в заданном месте в заданном время.

Используя результаты квантовой электродинамики (КЭД), можно также интерпретировать квантовую оптику в форме рождения и уничтожения фотонов, описываемых операторами поля. Этот подход позволяет использовать определенные статистические подходы, которые полезны при анализе поведения света, хотя вопрос о том, отражает ли он то, что происходит физически, является предметом некоторых споров (хотя большинство людей рассматривают его как просто полезную математическую модель).

Приложения

Лазеры (и мазеры) — наиболее очевидное применение квантовой оптики.Свет, излучаемый этими устройствами, находится в когерентном состоянии, что означает, что свет очень похож на классическую синусоидальную волну. В этом когерентном состоянии квантово-механическая волновая функция (и, следовательно, квантово-механическая неопределенность) распределена равномерно. Поэтому свет, излучаемый лазером, очень упорядочен и, как правило, ограничен по существу одним и тем же энергетическим состоянием (и, следовательно, той же частотой и длиной волны).

Наука> Физика> Оптика>> ISBNS.net

Книги> Наука> Физика> Оптика> Обработка изображений, анализ и машинное зрение (3-е издание) Милан Сонка, Роджер Бойл, Вацлав Хлавац, Сонка / Хлавац / Бойл Твердая обложка , 872 страницы , , опубликованные в 2007 г. компанией Cl Engineering ISBN-13: 978-0-495-08252-1, ISBN: 0-495-08252-X Пляжи (5-е издание) Гидеон Боскер, Лена Ленчек, Митти Хельмих Твердый переплет , 132 страницы , Издано в 2000 году издательством Chronicle Books ISBN-13: 978-0-8118-2650- 1, ISBN: 0-8118-2650-3 Поляризованный свет, третье издание (3-е издание) Денниса Х.Голдштейн, США Goldstein Твердый переплет , 808 страниц , Опубликовано в 2010 г. компанией Crc Press ISBN-13: 978-1-4398-3040-6, ISBN: 1-4398-3040-1 Численное моделирование распространения оптических волн с примерами в MATLAB (SPIE Press Monograph Vol. PM199) by Jason Daniel Schmidt Мягкая обложка , 212 страниц 2010, Spie Press ISBN-13: 978-0-8194-8326-3, ISBN: 0-8194-8326-5 Оптика для Манекены (1-е издание) Галена К.Duree, Consumer Dummies Staff, мл. Дури Гален Мягкая обложка , 360 страниц , Опубликовано в 2011 г. издателем For Dummies ISBN-13: 978-1-118-01723-4, ISBN: 1-118-01723 -4 Оптические сети (3-е издание) Практическая перспектива, Раджив Рамасвами, Кумар Н. Сивараджан, Гален Хаджиме Сасаки, Эль Рамасвами Индия Твердая обложка , 928 Страниц , Опубликовано в 2009 г. Морганом Кауфманном ISBN-13: 978-0-12-374092-2, ISBN: 0-12-374092-4 Математические основы визуализации, томографии и инверсии волнового поля (1-е издание) Энтони Дж.Девани, Дэвид Л. Кларк Твердый переплет , 536 страниц , Опубликовано в 2012 г. издательством Cambridge University Press ISBN-13: 978-0-521-11974-0, ISBN: 0-521-11974-X Квантовая оптика (1-е издание) Введение (Oxford Master Series in Physics, 6) Энтони Марка Фокса Мягкая обложка , 400 страниц , Опубликовано в 2006 г. издательством Oxford University Press ISBN-13: 978-0-19-856673-1, ISBN: 0-19-856673-5 Учебное пособие по геометрической оптике, 1e (1-е издание) Дэвида С.Лошин Мягкая обложка , 220 Страниц , Опубликовано в 1991 г. Butterworth-Heinemann ISBN-13: 978-0-7506-9052-2, ISBN: 0-7506-9052-6 Надежность и отказ электронных материалов и устройств (1-е издание) Милтон Оринг Твердый переплет , 692 страницы , Опубликовано Academic Press в 1998 г. ISBN-13 : 978-0-12-524985-0, ISBN: 0-12-524985-3 Продолжить >>

Основы фотоники :: Публикации

SPIE предоставляет свободный и открытый доступ к этому материалу в качестве услуги оптическому сообществу и широкой публике.

Основы фотоники разработан для студентов первого и второго курсов колледжей, но он также подходит как для традиционных, так и для нетрадиционных студентов, заинтересованных в изучении основ. Мы надеемся, что содержание этой книги (которая находится в свободном доступе ниже) удовлетворит потребности студентов всех возрастов, в том числе тех, кто учится на протяжении всей жизни, которые хотят развить свой интерес к постоянно развивающимся областям оптики и фотоники.

Корни этой рукописи восходят к финансируемому государством проекту для студентов общественных колледжей, известному как разработка учебных программ по фотонике (Photonics Curriculum Development, PCD).PCD находился под управлением Центра профессиональных исследований и разработок (CORD). Члены SPIE и Оптического общества Америки пожертвовали свое время, опыт и идеи на разработку PCD. Затем финансируемый Национальным научным фондом проект под названием STEP-I (Научно-технологическое образование в оптике и фотонике) использовал PCD в качестве шаблона и создал книгу из 10 глав Основы фотоники . Университет Коннектикута руководил проектом STEP-I, а CORD выступал в качестве субподрядчика.

Мы очень признательны SPIE за согласие помочь проекту STEP-I свободно распространять содержание книги в виде загружаемых глав через их профессионально поддерживаемый веб-сайт.Мы также ценим вклад каждого автора, внесшего свой вклад в этот проект. Наконец, я хотел бы поблагодарить покойного доктора Артура Гюнтера, который привлек меня к этому проекту. Искусство было неутомимым промоутером и помощником в объединении людей, организаций и идей с целью создания работоспособного синтеза академических кругов и промышленности по всему миру.

Мы открыто приветствуем ваши предложения по дальнейшему развитию этих глав, чтобы они соответствовали потребностям студентов разного уровня из разных стран, а также соответствовали требованиям местной промышленности.

С уважением,
Проф. Чандрасекар Ройчудхури
Главный исследователь, проект STEP-I
[email protected]

Фотонная лаборатория, физический факультет
Университет Коннектикута
Сторрс, Коннектикут 06269, США

Модуль 1.1
Природа и свойства света
Линда Дж. Вандергрифф
Директор отдела проектирования систем фотоники
Science Applications International Corporation
Маклин, Вирджиния
Генерация, транспортировка, манипулирование, обнаружение и использование света — это в основе фотоники.Фотоника — это растущая сфера карьеры с прогнозируемыми темпами роста от 10% до 20% в течение следующего десятилетия. Специалисты и инженеры по фотонике должны осваивать новые концепции, изучать новые методы и развивать новые навыки, основанные на высокоразвитом понимании природы света и его свойств.

Модуль 1.2
Источники света и лазерная безопасность
Fred Seeper
Camden County College
Blackwood, New Jersey
Этот модуль предназначен для различных нелазерных источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные газоразрядные лампы высокой мощности. газоразрядные лампы, фонарики, дуговые лампы и светодиоды.В нем также подробно обсуждается лазерная безопасность, в том числе человеческий глаз, лазерные опасности, меры безопасности при использовании лазера, максимально допустимое воздействие, лазерные защитные очки и несчастные случаи, связанные с лазерным излучением. Лабораторный опыт в конце модуля повысит способность учащегося понять опасности, связанные с лазерами, с малым и большим диаметром луча и с постоянными уровнями мощности.

Модуль 1.3
Базовая геометрическая оптика
Лено С.Pedrotti
CORD
Waco, Texas
Этот модуль охватывает первый из двух основных разделов базовой оптико-геометрической (лучевой) оптики. Модуль 1.4 посвящен физической (волновой) оптике. Геометрическая оптика поможет вам понять основы отражения и преломления света и использования простых оптических элементов, таких как зеркала, призмы, линзы и волокна. Физическая оптика поможет вам понять явления интерференции световых волн, дифракции и поляризации; использование тонкопленочных покрытий на зеркалах для усиления или подавления отражения; и работа таких устройств, как решетки и четвертьволновые пластинки.

Модуль 1.4
Базовая физическая оптика
Лено С. Педротти
CORD
Waco, Texas
В этом модуле мы концентрируемся на световых волнах и вдали от световых лучей, как описано в Модуле 1.3. Поступая таким образом, мы переходим от проблемы распространения световой энергии вдоль отрезков прямых к той, которая включает распространение световой энергии — фундаментальное поведение всех волновых движений. С помощью волновой оптики, обычно называемой физической оптикой, мы можем учесть важные явления, такие как интерференция, дифракция и поляризация.Изучение этих явлений закладывает основу для понимания таких устройств и концепций, как голограммы, интерферометры, тонкопленочные интерференционные, покрытия для просветления (AR) и высокого отражения (HR), решетки, поляризаторы, четвертьволновые пластины и лазерные расходимость луча в ближнем и дальнем поле.

Модуль 1.5
Лазеры
Уильям Т. Сильфваст
Школа оптики / CREOL
Университет Центральной Флориды
Орландо, Флорида
Этот модуль представляет собой подробное объяснение использования лазеров в большей области оптика и фотоника.Любой, кто проходит этот модуль, должен уже пройти модули 1.1–1.4 и иметь хорошее практическое знание алгебры, показателей степени и логарифмов. Лазеры — это устройства, которые усиливают или увеличивают интенсивность света для получения высоконаправленного луча высокой интенсивности, который обычно имеет очень чистую частоту или длину волны. Их размеры варьируются от одной десятой диаметра человеческого волоса до диаметра очень большого здания. Лазеры производят мощность от нановатт до миллиарда триллионов ватт за очень короткие импульсы.Они производят волны или частоты в диапазоне от микроволнового диапазона и инфракрасного до видимого, ультрафиолетового, вакуумного ультрафиолета и мягких рентгеновских лучей. Они генерируют самые короткие вспышки света, которые когда-либо производил человек, или примерно пять миллионов миллиардных долей секунды. Это явно устройства огромной мощности с множеством приложений.

Модуль 1.6
Оптические детекторы и зрение человека
Jack Ready
Консультант, ранее работавший в Технологическом центре Honeywell
Эдина, Миннесота
В этом модуле мы описываем некоторые распространенные оптические детекторы и их важные характеристики.Мы не покрываем всю область обнаружения света, которая очень широка. Вместо этого мы подчеркиваем те детекторы, которые наиболее часто встречаются в приложениях фотоники. Двумя основными типами оптических детекторов являются детекторы фотонов и тепловые детекторы. Детекторы фотонов производят один электрон на каждый приходящий фотон оптической энергии. Затем электрон обнаруживается электронной схемой. Тепловые детекторы преобразуют оптическую энергию в тепловую, которая затем генерирует электрический сигнал.В нашем обзоре основное внимание уделяется этим двум основным типам детекторов.

Модуль 1,7
Оптические волноводы и волокна
Эйджой Гхатак и К. Тьягараджан
Физический факультет
Индийский технологический институт
Нью-Дели, Индия
Этот модуль представляет собой введение в основы волоконной оптики, в частности характеристики оптических волокон в отношении изготовления оптических волокон с низкими потерями и работы полупроводниковых лазеров при комнатной температуре в 1970 году.За короткий промежуток времени в 30 лет мы теперь находимся в пятом поколении волоконно-оптических систем связи. Последние разработки в области оптических усилителей и мультиплексирования с разделением по длине волны (WDN) подводят нас к системе связи с почти «нулевыми» потерями и «бесконечной» полосой пропускания. Системы оптоволоконной связи в настоящее время удовлетворяют возросший спрос на каналы связи, особенно с распространением Интернета. Этот модуль отслеживает эволюцию этих систем, которые сейчас так важны для нашей повседневной жизни.

Модуль 1.8
Волоконно-оптическая связь
Ник Масса
Спрингфилдский технический общественный колледж
Спрингфилд, Массачусетс
Волоконная оптика является основным строительным блоком в телекоммуникационной инфраструктуре. Его широкая полоса пропускания и низкие характеристики затухания делают его идеальным для передачи на гигабитах и ​​выше. В этом модуле вы познакомитесь со строительными блоками, составляющими волоконно-оптическую систему связи.Вы узнаете о различных типах волокон (и их применении), источниках и детекторах света, ответвителях, разветвителях, мультиплексорах с разделением по длине волны и современных устройствах, используемых в новейших системах связи с высокой пропускной способностью. Внимание также уделяется критериям производительности системы, таким как бюджеты мощности и времени нарастания. Прежде чем приступить к работе с этим модулем, вы должны выполнить модуль 1.7. Кроме того, вы должны уметь манипулировать алгебраическими формулами и использовать их, работать с единицами измерения и использовать основные тригонометрические функции, такие как синус, косинус и тангенс.Также предполагается базовое понимание длины волны, частоты и скорости света.

Модуль 1.9
Фотонные устройства для формирования изображений, отображения и хранения
Harley R. Myler
Университет Центральной Флориды
Орландо, Флорида
Электронные и электрооптические устройства часто используются для отображения изображений, полученных с компьютера обработка данных. Изображения или цифровые изображения, как правило, представляют собой двумерные структуры данных, которые передают пространственную информацию зрителю.Изображения собираются различными способами, от цифровых фотоаппаратов до систем лазерного радиолокационного сканирования. После сохранения в компьютере эти изображения можно обрабатывать математически для достижения множества различных целей. Среди этих целей — улучшение изображений для просмотра или анализа и компьютерная интерпретация содержания изображения. В этом модуле объясняется терминология, связанная с изображениями, способы получения и хранения изображений и способы отображения изображений.

Модуль 1.10
Основные принципы и применение голографии
Тунг Х.Джеонг
Колледж Лейк-Форест
Лейк-Форест, Иллинойс
Голография — гораздо более широкая область, чем думает большинство людей. Запись и отображение по-настоящему трехмерных изображений — это лишь его небольшая часть. Голографические оптические элементы (ГОЭ) могут выполнять функции зеркал, линз, решеток или их комбинаций, и они используются во множестве технических устройств. Голографическая интерферометрия измеряет микроскопическое смещение на поверхности объекта и небольшие изменения показателя преломления прозрачных объектов, таких как плазма и тепловые волны.Будущие фотонные устройства, такие как электрооптические чипы, несомненно, будут включать микролазеры и ГОЭ для оптических вычислений, межсоединения в свободном пространстве и массивные аналоговые и цифровые системы памяти. Вам необходимо изучить модули 1.1–1.4. В этом модуле будет разработана физическая модель, чтобы все основные особенности базовой голографии можно было объяснить с помощью визуализации и без использования математики. Базовая тригонометрия будет полезна, но не обязательна для количественного понимания.

Световая и геометрическая оптика — Обзор MCAT

Свет (электромагнитное излучение) Концепция интерференции, эксперимент Юнга с двойной щелью Ознакомьтесь с основными концепциями интерференции здесь Для возникновения помех должны выполняться следующие условия: мешающие источники света должны быть когерентными. Это означает, что они должны постоянно поддерживать одно и то же соотношение фаз. Свет, исходящий из двух щелей в эксперименте Юнга с двойной щелью, является когерентным, потому что один источник света проходит через обе щели. источник света должен быть монохроматическим (одного цвета / длины волны). dsinθ = mλ яркие полосы возникают при m = 0, +/- 1, +/- 2 … и т. Д. темные полосы появляются при m = +/- 0,5, +/- 1,5, +/- 2,5 … и т. Д. Тонкие пленки, дифракционная решетка, дифракция на одну щель Тонкие пленки создают помехи. Свет, отражающийся от внешней и внутренней границ тонкой пленки, интерферирует друг с другом. Масляная пленка на воде имеет вид закрученной радуги из-за этого вмешательства. Дифракционная решетка Дифракция = свет распространяется после прохождения через щель, а не по прямой. Дифракционная решетка = пластина с множеством близко расположенных щелей. Уравнение для дифракционной решетки такое же, как и в эксперименте с двумя щелями. dsinθ = mλ d — расстояние между щелями, все остальное как в эксперименте с двумя щелями. яркие полосы возникают при m = 0, +/- 1, +/- 2 … и т. Д. темные полосы появляются при m = +/- 0,5, +/- 1,5, +/- 2,5 … и т. Д. Одинарная щель Свет, проходящий через единственную щель, отбрасывает центральную яркую полосу, за которой следуют серии максимумов и минимумов с обеих сторон. Уравнение дифракции на одной щели отличается от уравнения для двойной щели. asinθ = mλ a — ширина щели. Максимумы возникают при m = 0 (большие центральные максимумы), +/- 1,5, +/- 2,5 и т. Д. Минимум возникает при m = +/- 1, +/- 2, +/- 3 и т. Д. Другие дифракционные явления, дифракция рентгеновских лучей Свет, проходящий через отверстие для булавки, не будет отображаться на экране как отверстие для булавки. Вместо этого это будет дифракционная картина из круглых ярких и темных полос с центральной яркой полосой. Свет, падающий за непрозрачную границу, не будет отбрасывать резкую тень границы на экране.Вместо этого над границей появляются полосы из ярких и темных полос. Свет, падающий за пенни, не отбрасывает полностью черную тень. Вместо этого будет центральное светлое пятно, а также узоры из ярких и темных колец. Дифракция рентгеновских лучей = дифракция рентгеновских лучей на кристалле. Образцы интерференции, возникающие в результате этого, используются для определения структуры молекул в кристалле. Поляризация света Неполяризованный свет = свет с электрическим полем, колеблющимся во многих плоскостях. Поляризованный свет = свет с электрическим полем, колеблющимся только в одной плоскости. Области применения поляризации: Селективное поглощение: пропускают свет через поляризатор, который поглощает все, кроме света, с электрическим полем в одной плоскости. Отражение: под определенным углом поляризации весь отраженный свет поляризован. Двойное лучепреломление: материалы с двойным лучепреломлением имеют два показателя преломления, которые разделяют падающий свет на два луча, поляризованные перпендикулярно друг другу. Рассеяние: молекулы воздуха рассеивают свет, который становится поляризованным. Оптически активные молекулы вращают поляризованный свет либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Эффект Доплера (движущийся источник света или наблюдатель) Красный сдвиг = частота уменьшается = возникает, когда источник и наблюдатель удаляются друг от друга. Синий сдвиг = частота увеличивается = возникает, когда источник и наблюдатель движутся навстречу друг другу. Наблюдается в астрономии, когда звезды кажутся краснее / голубее, чем они есть на самом деле, потому что они движутся прочь / к нам. Уравнение для эффекта Доплера для света такое же, как для эффекта Доплера для звука, за исключением того, что вместо скорости звука v вы теперь используете скорость света c. Для красного смещения используйте уравнение для источника, удаляющегося от наблюдателя. Для синего смещения используйте уравнение для источника, движущегося к наблюдателю. Визуальный спектр, цвет энергия Синий = наибольшая энергия, наименьшая длина волны, наибольшая частота. Красный = наименьшая энергия, наибольшая длина волны, наименьшая частота. Энергия на фотон = hν, где h — постоянная планка, а ν — частота. лазеры Лазер = усиление света за счет вынужденного излучения. Нормальное световое излучение = спонтанное излучение. Лазерное излучение = вынужденное излучение. Повторяющееся вынужденное излучение внутри лазерной среды (путем отражения света назад и вперед через нее) усиливает свет. Геометрическая оптика Отражение от плоской поверхности (угол падения равен углу отражения) зеркала полностью отражают свет. переход от одной среды к другой приводит к частичному отражению света. Преломление, показатель преломления n, закон Снеллиуса (n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 ) Дисперсия (изменение показателя преломления в зависимости от длины волны) синий свет преломляет в призме больше, чем красный свет. белый свет проходит через призму и расщепляется на цвета радуги из-за рассеивания. Условия полного внутреннего отражения Переход от среды с высоким показателем преломления к среде с низким показателем преломления. Угол падения> критического угла. Найдите критический угол по формуле: n 1 sinθ c = n 2 sin90 ° n 1 > n 2 θ c = критический угол Сферические зеркала Высота изображения vs.Расстояние до объекта: Примечание: эта кривая показывает только высоту изображения, но не его положение. примечание: эта кривая показывает только высоту изображения, а не его положение. кривизна зеркала, радиус, фокусное расстояние кривизна зеркала может быть вогнутой или выпуклой. вогнутые зеркала могут фокусировать свет, поэтому он сходится. выпуклые зеркала не могут фокусировать свет, поэтому он расходится. Фокусное расстояние составляет 1/2 радиуса кривизны. сходящиеся зеркала имеют положительное фокусное расстояние, а расходящиеся зеркала — отрицательное фокусное расстояние. Это называется фокусным расстоянием, потому что лучи, параллельные главной оси зеркала, сходятся в фокусной точке (для расходящихся зеркал экстраполированные лучи проходят через фокусную точку). использование формулы (1 / p) + (1 / q) = 1 / f с условными обозначениями Для целей MCAT p всегда положительно, если MCAT явно не сообщает вам иное. q положительно, если изображение настоящее. Для зеркал это когда изображение находится перед зеркалом. Для линз это когда изображение находится за линзой. f положительный, когда зеркало / линза сходятся. Для зеркал это когда зеркало вогнутое. Для линз это когда линза выпуклая. M = h ‘/ h = -q / p, где M — увеличение, h’ — высота изображения, h — высота объекта. реальные и виртуальные изображения реальные изображения всегда инвертируются и могут отображаться на экране. виртуальные изображения всегда прямолинейны (не инвертированы) и не могут быть отображены на экране. Для вогнутых зеркал реальные изображения (позитив q) формируются перед зеркалом, где свет отражается зеркалом и может отбрасываться на экран. Невозможно отбросить свет за зеркало, поэтому все, что находится за зеркалом, является виртуальным (отрицательное q). Для выпуклых зеркал изображения всегда виртуальные (отрицательное q). Примечание: расходящиеся зеркала и линзы (выпуклые зеркала и вогнутые линзы) никогда не могут формировать реальные изображения. Тонкие линзы Для линз не нужно все заново учить, потому что они почти такие же, как и зеркала: Выпуклые линзы аналогичны вогнутым зеркалам (оба сходятся), за исключением следующего: Реальные изображения находятся на противоположной стороне линзы от объекта. Потому что свет проходит через линзу и может фокусироваться на экране за линзой. Виртуальные изображения находятся на той же стороне линзы, что и объект.Потому что свет не может фокусироваться перед линзой и попадать на экран. Вогнутые линзы аналогичны выпуклым зеркалам (оба расходятся), за исключением следующего: Виртуальные изображения, формируемые линзой, находятся на той же стороне линзы, что и объект. Потому что свет не может фокусироваться перед линзой и попадать на экран. Кривая зависимости высоты изображения от расстояния до объекта точно такая же, как у зеркал (выпуклые линзы такие же, как вогнутые зеркала, вогнутые линзы такие же, как выпуклые зеркала).См. Выше. собирающая и рассеивающая линзы, фокусное расстояние Фокусное расстояние для собирающей линзы положительное. Сходящая линза выпуклая. Фокусное расстояние для расходящейся линзы отрицательное. Рассеивающая линза вогнутая. использование формулы (1 / p) + (1 / q) = 1 / f с условными обозначениями То же самое, что и с зеркалами. р всегда положительный. q положительный, если действительный, и отрицательный, если виртуальный. f положительный, если сходятся, и отрицательный, если расходятся. реальные и виртуальные изображения Реальные изображения инвертируются и могут отображаться на экране. Виртуальные изображения прямолинейны и не могут быть отображены на экране. Для выпуклых линз реальные изображения (positve q) формируются за линзой, потому что свет проходит через линзу и фокусируется там. Для вогнутых линз изображение всегда виртуальное (отрицательное q) и формируется перед линзой. сила линзы, диоптрии Сила линзы, или сила линзы, измеряется в диоптриях. P = 1 / f где P в диоптриях. аберрация линзы сферические аберрации: не весь свет будет фокусироваться в точке фокусировки. хроматическая аберрация: синий свет преломляется больше, чем красный, поэтому разные цвета фокусируются по-разному. Комбинация линз Реальное изображение, сформированное линзой, можно использовать как объект для другой линзы. Увеличение с помощью нескольких линз — это произведение всех индивидуальных увеличений. Трассировка лучей Для зеркал: Сначала нарисуйте параллельную линию от объекта, поскольку он отражается от зеркала и пересекает точку фокусировки. Какую точку пересечения пересечь? Левая или правая? Используйте здравый смысл: для вогнутых зеркал он фокусирует луч в левую точку фокусировки. Для выпуклых зеркал, которые не могут сфокусироваться, они будут расходить луч, а это значит, что вам придется экстраполировать его на нужную точку фокусировки. Затем нарисуйте линию, пересекающую точку R на главной оси. Какой R? Влево или вправо? Стоит ли экстраполировать? Опять же, руководствуйтесь здравым смыслом: нарисованный луч должен отскакивать назад по своему первоначальному пути и не отражаться где-либо еще. Посмотрев в зеркало, вы сможете понять это. Итак, у вас уже нарисованы два луча, и этого достаточно, чтобы пересечь их. Используйте это пересечение как руководство для рисования последнего луча. Последний луч должен сначала пересечь точку фокусировки, а затем отразиться от зеркала параллельно главной оси.Какую точку пересечения пересечь? Стоит ли экстраполировать? Здесь есть только одна комбинация для луча, которая соответствует пересечению, уже сделанному двумя предыдущими лучами. Уловка для этого состоит в том, чтобы сначала провести параллельную линию и заставить ее пересекать пересечение, уже сделанное двумя предыдущими лучами. Для линз (аналогично тому, как вы рисуете лучи для зеркал): Сначала нарисуйте параллель → луч фокусной точки. Должно быть понятно, в какую точку фокусировки луч должен попасть / экстраполировать, учитывая сходящуюся / расходящуюся природу линзы. Затем нарисуйте луч, пересекающий центр линзы. Наконец, используя пересечение двух предыдущих лучей в качестве ориентира, нарисуйте точку фокуса → параллельный луч. Опять же, сначала проведите параллельную линию и заставьте ее пересекать пересечение, уже сделанное двумя предыдущими лучами. Оптические инструменты Глаз = линза фокусирует реальное изображение на сетчатке. Очки = рассеивающая (вогнутая) линза для близорукости, собирающаяся (выпуклая) для дальнозоркости. Увеличительное стекло = виртуальное, прямое, увеличенное изображение, сформированное при p

.