Site Loader

Содержание

Оптика — Физика для всех

О́птика (от др.-греч. ὀπτική, optike’ появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное иультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности,офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.

Природа света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

  • Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину  , где частота  соответствует частоте излучённого света, а  есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.
  • Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматическихэлектромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работахМаксвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Характеристики света

Длина световой волны  зависит от скорости распространения волны в среде  и связана с нею и частотой  соотношением:

где  — показатель преломления среды. В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: . Зависимость показателя преломления от длины волны проявляется в виде явления дисперсии света.

Характеристиками света являются:

Скорость света

Универсальным понятием в физике является скорость света . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения информации или любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах фазовая скорость света  обычно уменьшается: , где  есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: . В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше . Последнее утверждение не входит в противоречие с теорией относительности, поскольку передача информации с помощью света происходит не с фазовой, а, как правило, с групповой скоростью.

Оптика других диапазонов

Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей природе, а по способу генерации и приёма излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

Волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. В зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только видимую область спектра, отделённую от других областей чёткими границами. Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в видимой области спектра и наоборот.

Аналогичные явления встречаются в распространении рентгеновского излучения и радиоволн, в микроволновых печах и т. п. Оптика, таким образом, может рассматриваться как разделэлектромагнетизма. Некоторые оптические явления зависят от квантовой природы света, что связывает некоторые области оптики с квантовой механикой. Практически, огромное большинство оптических явлений могут рассматриваться, как электромагнитные колебания, описанные Уравнениями Максвелла.

Разделы оптики

Классическая оптика

До появления квантовой оптики оптика в целом основывалась на классическом электромагнетизме. Классическая оптика делится на две главные ветви: геометрическая оптика и физическая оптика.

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика или оптика луча, описывает распространение света термином луч. Работы Гюйгенса «Волновая теория света», которые были написаны под влиянием фундаментальных работ Ньютона, и вошли потом в «Оптику», оказали большое влияние на современников. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришёл к выводу, что «явление окрашивания остаётся ещё весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма». Поэтому он счёл наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своём трактате.

В своем небольшом трактате первым он рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части — отражение, в третьей — преломление, в четвёртой — атмосферную рефракцию, в пятой — двойное лучепреломление и в шестой — формы линз.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения — явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона усложнять свою теорию, нагромождая одну теорию на другую. По существу, эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в более плотной среде.

«Луч» в геометрической оптике — абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Приняв это абстрактное понятие и связанные с ним правила, мы существенно упрощаем задачу оптики, но не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, напримердифракцию и поляризацию.

Параксиальное приближение

Следующее упрощение в геометрической оптике — параксиальное приближение, или «приближение малых углов». Математически поведение луча становится линейным, позволяя представить оптические компоненты простыми матрицами. Применение методов Гауссовской оптики позволяет найти свойства первого порядка оптических систем.

Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики, описывающее более точную модель поведения лучей. Используя параксиальное приближение и явление дифракции, данный набор методов описывает расширение светового пучка с расстоянием и минимальный размер светового пятна, в которое может быть сосредоточен световой пучок. Тем самым эта модель является промежуточной между геометрической и физической оптикой.

Физическая оптика

Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, аберрацию и природу других сложных эффектов.

В этом разделе оптики также используются приближения, а не полная электромагнитная модель распространения света. Однако в простых случаях, а по мере роста доступных вычислительных мощностей и в более сложных, становится возможным полный расчёт по точной теории.

Современная оптика

Физиологическая оптика

Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в XX столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но включают и другие области.

Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия.

Рентгеновская оптика

Рентгеновская оптика — отрасль прикладной оптики, изучающая процессы распространения рентгеновских лучей в средах, а также разрабатывающая элементы для рентгеновских приборов. Рентгеновская оптика в отличие от обычной рассматривает электромагнитные волны в диапазоне длин волн рентгеновского 10−4 до 100 Å (от 10−14 до 10−8 м) и гамма-излучений < 10−4 Å.


Оптика. Конспекты по физике для 10-11 класса. О цвете :: Класс!ная физика


Здесь представлены конспекты по физике по теме «Оптика» для 10-11 класса.
!!! Конспекты с одинаковыми названиями различаются по степени сложности.

1. Основы  геометрической оптики

2. Основы  геометрической оптики

3. Дифракция света — Волновая оптика

4. Зеркала и линзы — Геометрическая оптика

5. Интерференция света — Волновая оптика

6. Поляризация света — Волновая оптика

 

Оптика, геометрическая оптика, волновая оптика, 11 класс, конспекты, конспекты по физике.

 


О ЦВЕТЕ. ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?


Знаете ли Вы, что кусок красного стекла кажется красным и в отраженном и в проходящем свете. А вот у цветных металлов эти цвета различаются — так, золото отражает преимущественно красные и желтые лучи, но тонкая просвечивающая золотая пластинка пропускает зеленый свет.

… ученые XVII века не считали цвет объективным свойством света. Например, Кеплер полагал, что цвет — это качество, которое должны изучать философы, а не физики. И лишь Декарт, хотя и не мог объяснить происхождение цветов, был убежден в существовании связи между ними и объективными характеристиками света.

… созданная Гюйгенсом волновая теория света была большим шагом вперед — так, она дала используемые до сих пор объяснения законов геометрической оптики. Однако главная ее неудача заключалась в отсутствии категории цвета, т.е. она была теорией бесцветного света, несмотря на уже сделанное к тому времени Ньютоном открытие — обнаружение дисперсии света.

… призма — главный инструмент в ньютоновских опытах — была им куплена в аптеке: в те времена наблюдение призматических спектров было распространенным развлечением.

… многие предшественники Ньютона считали, что цвета зарождаются в самих призмах. Так, постоянный оппонент Ньютона Роберт Гук думал, что в солнечном луче не могут содержаться все цвета; это так же странно, считал он, как утверждать, что «в воздухе органных мехов содержатся все тоны».

… опыты Ньютона привели его и к печальному выводу: в сложных приборах с большим количеством линз и призм разложение белого света сопровождается появлением у изображения пестрой цветной каймы. Явление, названное «хроматической аберрацией», удалось впоследствии преодолеть, соединяя несколько слоев стекла с «уравновешивающими» друг друга показателями преломления, что привело к созданию ахроматических линз и подзорных труб с четкими изображениями без цветных бликов и полос.

… идея о том, что цвет определяется частотой колебаний в световой волне, впервые была высказана знаменитым математиком, механиком и физиком Леонардом Эйлером в 1752 году, при этом максимальная длина волны соответствует красным лучам, а минимальная — фиолетовым.

… первоначально Ньютон различал в солнечном спектре только пять цветов, но позже, стремясь к соответствию между числом цветов и числом основных тонов музыкальной гаммы, добавил еще два. Возможно, здесь сказалось пристрастие к древней магии числа «семь», согласно которой на небе было семь планет, а потому в неделе — семь дней, в алхимии — семь основных металлов и так далее.

… Гёте, считавший себя выдающимся естествоиспытателем и посредственным поэтом, горячо критикуя Ньютона, замечал, что выявленные в его опытах свойства света не истинны, поскольку свет в них «замучен разного рода орудиями пыток — щелями, призмами, линзами». Правда, в этой критике вполне серьезные физики позже узрели наивное предвосхищение современной точки зрения на роль измерительной аппаратуры.

… теория цветового зрения — о получении всех цветов при помощи смешения трех основных — ведет начало от речи Ломоносова 1756 года «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее…», не замеченной, однако, научным миром. Полвека спустя эту теорию поддержал Юнг, а уж его предположения в 1860-х годах детально развил в трехкомпонентную теорию цвета Гельмгольц.

… если какие-либо пигменты отсутствуют в фоторецепторах сетчатки, то человек не ощущает соответствующих тонов, т.е. становится частично цветослепым. Таким был английский физик Дальтон, по имени которого и назван этот недостаток зрения. А обнаружил его у Дальтона не кто иной, как Юнг.

… явление, носящее название эффекта Пуркине — в честь исследовавшего его знаменитого чешского биолога, прказывает, что различные среды глаза обладают неодинаковым преломлением, и это объясняет возникновение некоторых зрительных иллюзий.

… оптические спектры атомов или ионов — не только богатый источник информации о строении атома, в них заключены сведения и о характеристиках атомного ядра, прежде всего связанных с его электрическим зарядом.

Источник: журнал «Квант»


Реферат по физике на тему «Оптика»

Что такое оптика? Оптика — это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле.

Изучая природу света и закономерности его распространения, человек использует полученные знания себе на пользу.

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений.

Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия[2].

Нельзя недооценивать практическое значение оптики, а также ее влияния на иные отрасли знания. Удивительный и богатый мир явлений, что происходят во Вселенной, открылся человеческому взору благодаря изобретению спектроскопа и телескопа. Революцию в биологии произвело изобретение микроскопа. Почти всем отраслям науки помогала и продолжает помогать фотография, также изобретение на основе оптики. Конечно же, в основе большинства научных приборов с оптическим наполнением является линза, без которой не было бы ни телескопа, ни микроскопа, фотоаппарата, очков, телевидения и многого другого[7].

Цель работы: рассмотреть законы оптических явлений.

Задачи:

-изучить законы геометрической оптики;

— рассмотреть явления физической оптики;

— построения изображений в линзах.

Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следующие четыре основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости световых пучков.

3. Закон отражения от зеркальной поверхности.

4. Закон преломления света на границе двух прозрачных сред.

Дальнейшее изучение этих законов показало, во-первых, что они имеют гораздо более глубокий смысл, чем может казаться с первого взгляда, и во-вторых, что их применение ограничено, и они являются лишь приближёнными законами. Установление условий и границ применимости основных оптических законов означало важный прогресс в исследовании природы света.

Сущность этих законов сводится к следующему.

    1. Закон прямолинейного распространения света

В однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Закон этот встречается в сочинениях по оптике, приписываемых Евклиду и, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона могут служить наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Рис. 1 иллюстрирует получение изображения при помощи малого отверстия, причем форма и размер изображения показывают, что проектирование происходит при помощи прямолинейных лучей[1].

Закон прямолинейного распространения может считаться прочно установленном на опыте. Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому возникло из оптических наблюдений. Геометрическое понятие прямой как линии, представляющей кратчайшее расстояние между двумя точками, есть понятие о линии, по которой распространяется свет в однородной среде.

Более детальное исследование описываемых явлений показывает, что закон прямолинейного распространения света теряет силу, если мы переходим к очень малым отверстиям.

Так, в опыте, изображенном на рис. 1, мы получим хорошее изображение при размере отверстия около 0,5 мм. При последующем уменьшении отверстия — изображение будет несовершенным, а при отверстии около 0,5-0,1 мкм изображение совсем не получится и экран будет освещён практически равномерно[3].

    1. Закон независимости световых пучков

Световой поток можно разбить на отдельные световые пучки, выделяя их, например, при помощи диафрагм. Действие этих выделенных световых пучков оказывается независимым, т.е. эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены[5].

    1. Закон отражения света

Луч падающий, нормаль к отражающей поверхности и луч отраженный лежат в одной плоскости (рис. 2), причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения равен углу отражения. Этот закон также упоминается в сочинениях Евклида. Установление его связано с употреблением полированных металлических поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху[4].

1.4. Закон преломления света

Преломление света – изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела однородных изотропных прозрачных (не поглощающих) сред. Преломление света сопровождается также отражением света (рис.3).

Явление преломления света было известно уже Аристотелю. Попытка установить количественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею (120 г. н.э.), который предпринял измерение углов падения и преломления[6].

Закон отражения и закон преломления также справедливы лишь при соблюдении известных условий. В том случае, когда размер отражающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, мал, мы наблюдаем заметные отступления от указанных выше законов. Однако для обширной области явлений, наблюдаемые в обычных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго[1].

На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:

– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;

– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.

Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии.

Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами[3].

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[6].

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[4].

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[5].

Рисунок 1 Правила построения хода луча в линзах

4.1. Формула линзы

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.

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[6].

Оптика — это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Световые волны — это электромагнитные волны.

Свет распространяется вдоль линий, называемых лучами. В приближении лучевой (или геометрической) оптики пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→0. Геометрическая оптика во многих случаях позволяет достаточно хорошо рассчитать оптическую систему.

«Луч» в геометрической оптике — абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Физическая оптика или оптика волны моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию и природу других сложных эффектов.

Простейшей оптической системой является линза[7].

1. Арцыбашев С.А. Физика — М.: Медгиз, 1950. — 511с.

2. Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений — М.: Наука, 1981. — 560с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика — М.: Наука, 1976. — 928с.

4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. — М.: Наука, 1986. — Т.3. — 656с.

5. Прохоров А.М. Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1974. — Т.18. — 632с.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Оптика — М.: Наука, 1980. — 751с.

7. Оптика [Электронный ресурс] URL: https://educon.by/index.php/materials/phys/optika (дата обращения 13.05.2018)

Геометрическая оптика в физике: основные формулы

Оптика — раздел физики, в котором изучается излучение света, его распространение и взаимодействие с веществом.

Различают геометрическую, волновую и квантовую оптику. В геометрической оптике не учитывается природа света, а его распространение в пространстве рассматривается, исходя из представлений о световых лучах. Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется световая энергия.

формулы геометрической оптики

Закон отражения

Здесь — угол падения (рад), — угол отражения (рад).

Закон преломления

Здесь — угол падения (рад), — угол преломления (рад), — показатель преломления второй среды относительно первой (безразмерный), — скорость света в первой среде (м/с), — скорость света во второй среде (м/с).

Физический смысл абсолютного показателя преломления

Здесь n — абсолютный показатель преломления (безразмерный), с — скорость света в вакууме (м/с), и — скорость света в прозрачной среде (м/с).

Физический смысл относительного показателя преломления

Здесь — показатель преломления второй среды относительно первой, — скорость света в первой среде (м/с), — скорость света во второй среде.

Связь относительного показателя преломления двух сред с их абсолютными показателями преломления

Здесь — относительный показатель преломления сред (безразмерный), — абсолютный показатель преломления первой среды, — абсолютный показатель преломления второй среды.

Формула предельного угла полного отражения

Здесь — предельный угол полного отражения (рад), — абсолютный показатель преломления первой среды (безразмерный), — абсолютный показатель преломления второй среды (безразмерный).

Формула линзы

Здесь d — расстояние от предмета до линзы (м), f — расстояние от линзы до изображения (м), F — фокусное расстояние линзы (м), D — оптическая сила линзы (дптр).

Формула оптической силы линзы

Все величины названы в предыдущей формуле

Линейное увеличение линзы

Здесь Г — линейное увеличение линзы (безразмерное), Н — линейный размер изображения (м), h — линейный размер предмета (м), d — расстояние от предмета до линзы (м), f — расстояние от линзы до изображения (м).

Линейное увеличение лупы

Здесь = 25 см — расстояние наилучшего зрения, F — фокусное расстояние лупы.

Свет в однородной и изотропной среде распространяется прямолинейно.образуются тень и полутени (рис. 324, б).

Точечным источником света называют абстрактный источник, представляющий собой светящуюся материальную точку. Если точечный источник света удален в бесконечность, то его лучи падают на освещаемый предмет параллельным пучком.

Световой луч не может быть бесконечно тонким. При прохождении сквозь отверстие, в котором умещается несколько длин волн, он расширяется вследствие дифракции и загибает в область геометрической тени.

При падении световых лучей на непрозрачную гладкую преграду они меняют направление, возвращаясь в прежнюю среду. Это явление называется отражением света. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей свет поверхности называется углом падения а. Угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности называется углом отражения (рис. 325).

Законы отражения

Законы отражения:

  • луч падающий и луч отраженный всегда лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точку падения к отражающей поверхности, по разные стороны от него;
  • угол отражения всегда равен углу падения, .

Если луч падает перпендикулярно отражающей поверхности, то угол падения равен нулю, поэтому и угол отражения тоже равен нулю. В этом случае луч отражается в обратном направлении — сам по себе.

На законе отражения основано получение изображения в плоском зеркале.

Плоское зеркало mn дает мнимое и прямое изображение равное по размеру предмету АВ и расположенное от зеркала на таком же расстоянии, что и предмет (рис. 326). Исключение составляет случай, когда на плоское зеркало падает пучок сходящихся лучей (рис. 327) — в этом случае изображение S получится действительным.

Если поверхности двух плоских зеркал образуют угол (рис. 328), количество изображений N в такой системе зеркал можно определить по формуле

При переходе света из одной прозрачной среды в другую меняется направление светового луча. Это явление называется преломлением света. Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к преломляющей поверхности называется углом преломления (рис. 329).

Законы преломления

Законы преломления:

  • луч падающий и луч преломленный всегда лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным в точку падения луча к преломляющей поверхности, по разные стороны от перпендикуляра;
  • отношение синуса угла падения

к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды относительно первой :

При этом первой средой является та среда, в которой распространяется падающий луч, а второй средой — та, в которой распространяется преломленный луч. Например, если свет переходит из воды в стекло, то — это показатель преломления стекла относительно воды, а если наоборот, из стекла в воду, то — показатель преломления воды относительно стекла.

Если луч переходит из вакуума (воздуха) в прозрачную среду, то показатель преломления этой среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды п. Значение абсолютного показателя преломления каждой среды приводится в справочных данных.

Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к относительному показателю преломления первой среды:

Физический смысл относительного показателя преломления: относительный показатель преломления показывает, во сколько раз отличается скорость света в первой среде от скорости света во второй среде: .

Та среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной. Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из воздуха в воду, то угол падения больше угла преломления. И наоборот, если луч переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из воды в воздух, то угол падения меньше угла преломления (рис. 330).

В случае перехода луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную существует такой угол падения , при котором преломленный луч скользит по границе раздела сред с разной оптической плотностью. При этом угол преломления равен 90°. Такой угол падения называется предельным углом полного отражения (рис. 331).

Если луч упадет на поверхность под углом больше предельного, то он полностью отразится обратно в первую среду (рис. 332). Такое явление называется полным отражением.

Проходя сквозь

плоскопараллельную пластинку из вещества, оптически более плотного, чем окружающая среда, луч не меняет своего направления, а лишь смещается на расстояние х (рис. 333). Смещение луча х тем больше, чем толще пластинка и чем больше показатель преломления ее вещества.

Проходя сквозь треугольную призму, изготовленную из оптически более плотного, чем окружающая среда, вещества, луч дважды преломляется, отклоняясь к ее основанию (рис. 334). При этом изображение источника света S смещается к вершине призмы. Угол , лежащий против основания призмы, называется преломляющим углом призмы. Угол между направлениями упавшего на призму и вышедшего из

призмы лучей называется углом отклонения луча. Угол отклонения зависит от угла падения луча на призму , преломляющего угла призмы и показателя преломления n вещества, из которого она изготовлена.

Линзой называют прозрачное для света тело, ограниченное сферическими или иными криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской. Если линза в средней части толще, чем у краев, то она называется выпуклой, а если наоборот, — то вогнутой.

Двояковыпуклая линза называется собирающей, т.к. она собирает после преломления параллельные лучи в одной точке (рис. 335, а).

Вершины сферических сегментов , образующих линзу, называются ее полюсами. Точка, в которой сливаются полюсы бесконечно тонкой линзы, называется ее главным оптическим центром О.

Прямая mn, проходящая через центры сфер , поверхности которых образуют линзу, называется главной оптической осью линзы. Точка, в которой пересекаются лучи, падающие на линзу параллельно ее главной оптической оси, называется фокусом линзы F. Фокус линзы F делит расстояние между центром сферы и главным оптическим центром линзы пополам, поэтому центр называют двойным фокусом линзы 2F.

Расстояние OF от фокуса линзы до ее главного оптического центра называется фокусным расстоянием линзы и тоже обозначается буквой F. Собирающая линза имеет два действительных фокуса F и два двойных фокуса 2F, расположенных по обе стороны линзы. На рис. 335,6) показано условное изображение собирающей линзы.

Любой луч, проходящий через главный оптический центр линзы О, не преломляется. Такой луч называется побочной осью линзы.

Плоскость cd, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси, называется фокальной плоскостью линзы.

Главное свойство фокальной плоскости собирающей линзы: она является геометрическим местом точек, в которых пересекаются параллельные лучи, падающие на собирающую линзу под разными углами (рис. 336).

Чтобы узнать, как пойдет после преломления произвольный луч, упавший на собирающую линзу, надо провести через главный оптический центр линзы побочную ось, параллельную произвольному лучу и построить с другой стороны линзы главную фокальную плоскость cd. Побочная ось не преломится в линзе и пересечет главную фокальную плоскость cd в некоторой точке К. А поскольку побочная ось параллельна произвольному лучу, то он после преломления тоже пойдет через точку К (рис. 337).

Если на линзу падает пучок параллельных лучей, значит, их источник расположен в бесконечности, т.е. расстояние от источника до линзы . Если такие лучи параллельны главной оптической оси, то после преломления они пересекутся в фокусе линзы F — там появится действительное изображение источника S, удаленного в бесконечность (рис. 338, а). Световые лучи обратимы. Это значит, что если в фокус собирающей линзы поместить точечный источник света S, то после преломления в линзе его лучи пойдут параллельно главной оптической оси линзы и изображение источника уйдет в бесконечность, т.е. расстояние от линзы до изображения (рис. 338, б).

Как правило, если в условии задачи не сказано, о какой линзе идет речь, значит, это собирающая линза. Если у вас имеется хотя бы часть линзы, изображение в ней строится так же, как если бы это была целая линза.

Двояковогнутая линза рассеивает пучки параллельных лучей, падающих на нее, поэтому она называется рассеивающей линзой. Если пучок лучей падает на рассеивающую линзу параллельно ее главной оптической оси, то после преломления в линзе их мнимые продолжения пересекаются в одной точке,

которая является мнимым фокусом F рассеивающей линзы (рис. 339, а). Рассеивающая линза имеет два мнимых фокуса F, расположенных на главной оптической оси по обе стороны от нее на середине отрезка 0,0. На рис. 339, б) показано условное изображение рассеивающей линзы.

Плоскость cd, перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через фокус рассеивающей линзы, называется главной фокальной плоскостью этой линзы.

Главное свойство фокальной плоскости рассеивающей линзы: она является геометрическим местом точек, в которых пересекаются мнимые продолжения любых параллельных лучей, падающих на линзу под разными углами (рис. 340).

Чтобы узнать, как пойдет упавший на рассеивающую линзу произвольный луч после преломления, надо провести параллельную ему побочную ось и построить главную фокальную плоскость cd с той же стороны линзы, где лежит и произвольный луч. Точку К, в которой побочная ось пересечет главную фокальную плоскость, надо соединить с точкой падения произвольного луча на линзу его мнимым (штриховым) продолжением, а сам луч пойдет в противоположном направлении (рис. 341).

Мнимые лучи и мнимые изображения предметов принято изображать штриховыми линиями.

Чтобы построить изображение светящейся точки в линзе, надо знать, где пересекутся после преломления испущенные этой точкой два любых луча. Лучше выбрать лучи, про которые вы знаете, как они пойдут после преломления.

Чтобы построить изображение предмета АВ, надо сначала построить изображение точки А, не лежащей на главной оптической оси. Для этого сначала из точки А проведем к линзе луч, параллельный главной оптической оси, — после преломления он пойдет через фокус. Затем из этой же точки А провести через главный оптический центр линзы О побочную ось. Точка , в которой после преломления пересекутся эти два луча, и будет изображением точки А. Затем, если предмет АВ был перпендикулярен главной оптической оси mn, опустить из точки А, на главную оптическую ось перпендикуляр и в его основании на оси получить изображение точки В.

Если предмет АВ находится за двойным фокусом собирающей линзы, то его действительное изображение будет обратным (перевернутым), уменьшенным и расположится между фокусом F и двойным фокусом 2F по другую сторону линзы (рис. 342, а). Если предмет АВ расположен в двойном фокусе 2F, то его действительное изображение будет обратным, равным по размерам самому предмету и тоже расположенным в двойном фокусе по другую сторону линзы (рис. 342, б). Если предмет

АВ находится между двойным фокусом 2F и фокусом F, то его действительное изображение будет увеличенным, обратным и расположится за 2F по другую сторону линзы (рис. 342, в). Если предмет АВ находится в фокусе линзы F, то его изображение уйдет в бесконечность (рис. 342, г). И наконец, если предмет АВ находится между фокусом F и линзой, то его мнимое изображение в собирающей линзе будет прямым, увеличенным и расположится с той же стороны линзы, что и сам предмет АВ (рис. 343, д).

Изображение AjB, предмета АВ в рассеивающей линзе будет всегда мнимым, прямым и уменьшенным (этим оно отличается от мнимого изображения в собирающей линзе, там оно увеличенное, см. рис. 342, д) и расположенным по ту же сторону линзы, что и сам предмет (рис. 343).

Если требуется построить изображение предмета АВ в системе собирающая линза — плоское зеркало, то сначала постройте изображение в линзе (рис. 344, а). Это изображение станет предметом по отношению к зеркалу. Затем постройте изображение предмета уже в плоском зеркале (рис. 344, б). Это изображение станет вторым предметом по отношению к линзе. И, наконец, постройте еще одно изображение предмета в линзе (рис. 344, в). Изображение и станет окончательным изображением предмета АВ, даваемым системой линза — зеркало. Если требуется построить изображение предмета в системе двух линз, например, собирающих, то сначала постройте изображение предмета АВ в первой, левой линзе (рис. 345). Это изображение станет предметом для второй, правой линзы. Теперь постройте изображение предмета АВ, в правой линзе. Это изображение и станет окончательным изображение предмета АВ, даваемым этой системой линз.

Величина D, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы: .

Оптическая сила линзы может быть положительной и отрицательной. Положительной считается оптическая сила собирающей линзы, а отрицательной — рассеивающей.

Расстояние от предмета до линзы d и расстояние от линзы до изображения f связывает с фокусным расстоянием линзы F и ее оптической силой D формула линзы

Если линза собирающая, но изображение в ней мнимое, то эта формула принимает вид:

Если линза рассеивающая, то формула линзы принимает вид:

Если на линзу падает пучок сходящихся лучей, то точка их пересечения представляет собой мнимый предмет. В этом случае формула собирающей линзы с действительным изображением принимает вид:

Увеличением линзы Г называют отношение линейного размера предмета к линейному размеру изображения:

Лупой называют короткофокусную собирающую линзу, предназначенную для относительно небольшого увеличения изображения. Рассматриваемый предмет помещают между фокусом и лупой, благодаря чему получают прямое и увеличенное изображение. Увеличение лупы определяет формула

Здесь см — расстояние наилучшего зрения, F — фокусное расстояние лупы.

Если у человека нормальное зрение, то параллельные лучи, падающие на хрусталик глаза, пересекаются на сетчатке. При этом формула линзы имеет вид:

У близорукого человека параллельные лучи, упав на утолщенный хрусталик, пересекаются внутри глаза перед сетчаткой. Чтобы они пересекались на сетчатке, требуются очки со стеклами, аналогичными рассеивающей линзе. Применительно к глазу в таких очках формула линзы имеет вид:

У дальнозоркого человека параллельные лучи, упав на хрусталик, пересекутся за сетчаткой. Чтобы восстановить зрение, требуются очки со стеклами, аналогичными собирающей линзе. Применительно к дальнозоркому глазу формула линзы имеет вид:

Если в условии задачи записано: оптическая сила рассеивающей линзы D = -4 дптр, то в предыдущую формулу подставляйте только модуль этого числа, т.к. минус в ней уже учтен.

Если линзы сложены вплотную, то оптическая сила системы таких линз равна алгебраической сумме оптических сил каждой линзы в отдельности — с учетом их знаков. Например, если сложили вплотную собирающую линзу с фокусным расстоянием = 20 см и рассеивающую с фокусным расстоянием = 25 см, то оптическая сила такой системы линз будет равна:

При вычислении оптической силы не забывайте переводить размерность фокусных расстояний — сантиметры в метры, иначе допустите грубую ошибку.

Если линзы расположены на расстоянии друг от друга, то определять оптическую силу или фокусное расстояние такой системы линз подобным образом — просто складывая оптические силы каждой линзы — нельзя. В этом случае фокусным расстоянием F такой системы линз является расстояние от последнего пересечения лучей, упавших на первую линзу параллельно ее главной оптической оси, до последней линзы.

Эта теория со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:

Задачи по физике с решением

Возможно вам будут полезны эти страницы:

волновая оптика, элементы квантовой механики, атомной и ядерной физики

46

кости (и, следовательно, перпендикулярно оптической оси), является обык-

новенным. В необыкновенном луче вектор Е колеблется в главной плоскости

(рис. 1.34, б), и поэтому может иметь отличную от нуля проекцию на опти-

ческую ось.

Это обусловливает различие показателей преломления для обыкновен-

ного (no) и необыкновенного (ne) лучей. При любом направлении обыкновен-

ного луча колебания вектора Е в нем перпендикулярны оптической оси кри-

сталла, поэтому показатель преломления no для этого луча есть величина по-

стоянная, и обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с

одинаковой скоростью vo = c/no. Для необыкновенного луча угол между на-

правлением колебаний вектора Е и оптической осью отличен от прямого и

зависит от направления луча, поэтому показатель преломления пe необыкно-

венного луча является переменной величиной, зависящей от его направле-

ния, и необыкновенные лучи распространяются в разном направлении с раз-

ными скоростями ve = с/пe.

Так как показатель преломления no обыкновенного луча есть величина

постоянная, он подчиняется закону преломления (поэтому называется обык-

новенным), для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После вы-

хода из кристалла оба луча не отличаются друг от друга, если не учитывать

их поляризации.

Если луч света распространяется вдоль оптической оси, то в нем век-

тор Е перпендикулярен оптической оси, и, следовательно, no = ne, vo = ve. Для

всех других направлений ve ≠ vo, что и приводит к двойному лучепреломле-

нию света в одноосных кристаллах.

Вращение плоскости поляризации. Вещества, поворачивающие плос-

кость поляризации проходящей через них плоскополяризованной волны, на-

зывают оптически активными. К их числу относятся кристаллы (кварц, ки-

новарь), чистые жидкости (скипидар, никотин), растворы оптически активных

веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кис-

лоты).

Причиной вращения плоскости поляризации является асимметрия стро-

ения молекул вещества. Плоскополяризованный свет можно разложить на

две волны круговой поляризации: правую (вектор напряженности электриче-

ского поля ЕР этой волны вращается по часовой стрелке вокруг направления

распространения волны) и левую (вектор ЕL вращается против часовой стрел-

ки). В оптически неактивных средах скорости этих волн одинаковы, поэтому

при распространении в среде ориентация плоскости колебания светового век-

тора Е = ЕР + ЕL плоскополяризованной волны остается неизменной. Асим-

метричное строение молекул оптически активного вещества приводит к то-

му, что скорости волн круговой поляризации (левой и правой), как и их пока-

затели преломления nP и nL, становятся неодинаковыми. В результате при

Набор для демонстраций по физике «Геометрическая оптика»

​Набор предназначен для демонстрации законов геометрической оптики на уроках физики и естествознания.

Габаритные размеры в упаковке (дл.*шир.*выс.), см: 46*31*7,5. Вес, кг, не более 2,6.

Комплектность: блок питания – 1 шт., батарейки (тип ААА) – 2 шт., лазерные источники света – 3 шт., провода – 3 шт., призма – 1 шт., плоскопараллельная пластина – 1 шт., линза плосковыпуклая – 1 шт., линзы собирающие (F = 120 мм, F = 200 мм) – 2 шт., линза рассеивающая (F = – 150 мм) – 1 шт., зеркало – 1 шт., кювета для воды – 1 шт., маркер – 1 шт., планшет с круговым транспортиром – 1 шт., схема глаза – 1 шт., магнитные кнопки – 4 шт., руководство по эксплуатации с методическими рекомендациями – 1 шт.

Набор позволяет провести следующие демонстрации: 1. Прямолинейное распространение света. 2. Зеркальное отражение света. 3. Диффузное отражение света. 4. Понятие мнимого источника. 5. Принцип действия уголкового отражателя. 6. Принцип работы зеркального перископа. 7. Перпендикулярное падение луча. 8. Прохождение луча из оптически менее плотной среды в оптически более плотную. 9. Прохождение луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. 10. Полное внутреннее отражение. 11. Преломление на двух поверхностях призмы. 12 Поворотная призма. 13. Оборотная призма. 14. Прохождение лучей света через плоскопараллельную пластину. 15. Прохождение луча света через кювету с водой. 16. Сравнение преломления света водой и пластиком. 17. Оптический центр линзы, главная оптическая ось. 18. Главный фокус, фокусное расстояние. 19. Обратимость хода лучей. 20. Второй главный фокус линзы. 21. Побочная оптическая ось, фокальная плоскость. 22. Оптический центр. 23. Мнимый фокус. 24. Обратимость хода лучей. 25. Ход лучей в микроскопе. 26. Ход лучей в телескопе (труба Кеплера). 27. Ход лучей в телескопе (труба Галилея). 28. Глаз как оптическая система. 29. Дефекты зрения (близорукость). 30. Дефекты зрения (дальнозоркость).

Лекции по оптике — Кафедра общей физики

КУРС ЛЕКЦИЙ 

ПО ОПТИКЕ:

Лекция №1 «Геометрическая оптика» от 9 февраля 2019 г.

Содержание лекции: Обзор литературы к курсу «Оптика». Энергия кванта света. Геометрическая оптика. Принцип Ферма. Закон преломления, закон отражения. Оптические Аберрации. Формула тонкой линзы. Условие синусов Аббе. Микроскоп.

Лекция №2 «Волновая оптика» от 16 февраля 2019 г.

Содержание лекции: Телескоп. Элементы фотометрии. Волновая оптика. Волновое уравнение, монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца, плоские и сферические волны, показатель преломления, фазовая скорость распространения, комплексная диэлектрическая проницаемость и комплексный показатель преломления, связь мнимой части с поглощением света средой. Угол Брюстера.

Лекция №3 «Дисперсия» от 2 марта 2019 г.

Содержание лекции: Теория дисперсии. Коэффициент преломления. Коэффициент поглощения. Связь коэффициента преломления с поглощением среды. Аномальная дисперсия, нормальная дисперсия. Особенные случаи преломления. Поляризация в плотных средах. Формула Лоренца-Лоренца. Связь векторов E, H и k. Метаматериалы. Фазовая и групповая скорости. Волновой пакет. Формула Рэлея. Размытие волнового пакета. Эффект Доплера.

Лекция №4 «Интерференция» от 9 марта 2019 г.

Содержание лекции: Принцип суперпозиции. Интенсивность световой волны. Метод векторных диаграмм. Интерференция плоских монохроматических волн. Разность хода. Видность. Кольца Ньютона. Временная когерентность. Спектральный подход. Корреляционная функция.

Лекция №5 «Пространственная когерентность. Дифракция» от 16 марта 2019 г.

Содержание лекции: Временная когерентность (продолжение). Функция когерентности. Видность. Средняя интенсивность интерференционной картины. Теорема Винера-Хинчина. Пространственная когерентность. Радиус когерентности. Звездный интерферометр Майкельсона. Условие наблюдения интерференции. Дифракция. Основная задача теории дифракции. Дифракция на тонком экране.

Лекция №6 «Дифракция Френеля» от 23 марта 2019 г.

Содержание лекции: Граничные условия Киргофа. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля. Задачи с осевой симметрией. Приближение Френеля. Зоны Френеля. Пятно Пуассона. Зонные пластинки. Линза Френеля. Дифракция Френеля на щели. Спираль Корню.

Лекция №7 «Дифракция Фраунгофера» от 30 марта 2019 г.

Содержание лекции: Дифракция Фраунгофера. Интеграл Френеля. Приближение Френеля. Дифракция на одной щели. Дифракция на круглом и квадратном отверстии. Разрешение оптического прибора. Волновой параметр. Демонстрация переходов между геометрической оптикой и дифракцией. Спектральные приборы.

Лекция №8 «Спектральные приборы» от 6 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Спектральные приборы. Спектральные характеристики дифракционной решетки (дисперсия, дисперсионная область, разрешающая способность). Интерферометр Фабри-Перо. Спектральные характеристики интерферометра Фабри-Перо. Призма. Сравнение спектральных приборов. Лазеры. Дифракция Рентгеновских лучей. Условие Брегга-Вульфа.

Лекция №9 «Фурье-оптика» от 13 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Элементы Фурье-оптики. Плоская волна. Дифракция на синусоидальной решетке. Теория Аббе формирования оптического изображения. Частотная характеристика свободного пространства. Голограммы.

Лекция №10 «Голограммы. Поляризация» от 20 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Голограммы. Голограмма точечного источника (голограмма Габора). Объемная голограмма. Метод Денисюка. Поляризация. Эллиптическая, линейная, круговая поляризация. Монохроматическая волна. Естественный свет. Как получить поляризованный свет? Закон Малюса.

Лекция №11 «Поляризация. Оптика анизотропных сред» от 27 апреля 2019 г.

Содержание лекции: Поляризация. Линейная поляризация. Круговая поляризация. Эллиптическая поляризация. Поляризация естественного света. Поляроиды. Оптика анизотропных сред. Взаимная ориентация векторов k, E, D, B, направление вектора Пойнтинга. Модель осциллятора. Фазовые пластинки (λ/4, λ/2).

Лекция №12 «Анизотропия. Рассеяние света» от 4 мая 2019 г.

Содержание лекции: Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах. Принцип Гюйгенса-Френеля для обыкновенной и необыкновенной волн. Явление Керра. Эффект Поккельса. Ячейка Поккельса. Эффект Фарадея. Рассеяние света. Рассеяние Рэлея. Поляризация рассеянного света. Рассеяние Ми. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Лекция №13 «Нелинейные эффекты» от 11 мая 2019 г.

Содержание лекции: Элементы нелинейной оптики. Нелинейная поляризация среды. Метод последовательных приближений. Генерация второй гармоники. Инверсия координат. Учет кубической поправки к поляризации. Самофокусировка. Гауссовы пучки. Радиус кривизны луча. Световоды. Градиентные оптоволокна. Одномодовое волокно.

Ч. 25 Введение в геометрическую оптику — College Physics

Геометрическая оптика Свет с этой страницы или экрана формируется в изображение хрусталиком вашего глаза, так же, как и хрусталиком камеры, которая сделала эту фотографию. Зеркала, как и линзы, также могут формировать изображения, которые, в свою очередь, улавливаются вашим глазом.

Наша жизнь наполнена светом. Благодаря зрению, самому ценному из наших чувств, свет может вызывать духовные эмоции, например, когда мы смотрим на великолепный закат или видим радугу, пробивающуюся сквозь облака.Свет также может просто развлекать нас в театре или предупреждать нас об остановке на перекрестке. Он имеет бесчисленное множество применений помимо зрения. Свет может передавать телефонные сигналы по стеклянным волокнам или готовить еду в солнечной печи. Сама жизнь не могла бы существовать без энергии света. От фотосинтеза в растениях до солнца, согревающего хладнокровное животное, его запас энергии жизненно важен.

Фигура 25,2 Двойная радуга над заливом Поситос в Монтевидео, Уругвай. (кредит: Мадракс, Викисклад)

Мы уже знаем, что видимый свет — это тип электромагнитных волн, на которые реагируют наши глаза.Это знание по-прежнему оставляет много вопросов относительно природы света и зрения. Что такое цвет и как наши глаза его различают? Почему сверкают бриллианты? Как путешествует свет? Как линзы и зеркала формируют изображения? Это лишь некоторые из вопросов, на которые отвечает изучение оптики. Оптика — это раздел физики, изучающий поведение видимого света и других электромагнитных волн. В частности, оптика занимается генерацией и распространением света и его взаимодействием с веществом.То, что мы уже узнали о генерации света при изучении переноса тепла излучением, будет расширено в последующих темах, особенно в атомной физике. Теперь мы сосредоточимся на распространении света и его взаимодействии с материей.

Удобно разделить оптику на две основные части в зависимости от размера объектов, на которые падает свет. Когда свет взаимодействует с объектом, который в несколько раз превышает длину волны света, его наблюдаемое поведение похоже на поведение луча; он не имеет ярко выраженных волновых характеристик.Мы называем эту часть оптики «геометрической оптикой». В этой главе основное внимание будет уделено таким ситуациям. Когда свет взаимодействует с более мелкими объектами, он имеет очень заметные волновые характеристики, такие как конструктивная и деструктивная интерференция. Wave Optics сконцентрируется на таких ситуациях.

Формулы оптики

Призма полного внутреннего отражения (ПВО)

МДП зависит от чистого интерфейса стекло-воздух. Отражающие поверхности не должны содержать посторонних материалов.TIR также можно устранить, уменьшив угол падения выше критического значения. Для прямоугольной призмы индекса n лучи должны входить в грань призмы под углом θ:

θ 2-1) 1/2 -1)/√2)

В видимом диапазоне θ = 5,8° для БК 7 (n = 1,517) и 2,6° для плавленого кварца (n = 1,46). Наконец, призмы увеличивают оптический путь. Хотя в лазерных приложениях эффекты минимальны, следует учитывать сдвиг фокуса и хроматические эффекты в расходящихся пучках.

Уравнения Френеля:

  • i — падающая среда
  • t — среда передачи

используйте закон Снеллиуса, чтобы найти θ t

Нормальная заболеваемость:

r = (n i -n t )/(n i + n t )

t = 2n i /(n i + n t )

Угол Брюстера:

θ β = арктангенс (n t / n i )

Отражается только s-поляризованный свет.

Полное внутреннее отражение (ПВО):

θ TIR > arcsin (n t /n i )

n t i требуется для TIR

Коэффициенты отражения и передачи поля:

Коэффициенты отражения и пропускания поля определяются по формуле:

r = E r /E i     t = E t /E i

Ненормальная заболеваемость:

R S = (N I COSθ I -N T -N T COSθ T ) / (N I COSOθ I + N T COSθ T )

R P = (N T COS θ I -N I -N I COSθ T ) / N T COSθ I + N I COSOθ T )

t s = 2n i cosθ i /(n i cosθ i + n t cosθ t )

t p = 2n i cosθ i /(n t cosθ i + n i cosθ t )

Мощность отражения:

Коэффициенты отражения и передачи мощности обозначены прописными буквами:

R = r 2     T = t 2 (n t cosθ t )/(n i cosθ i )

Показатели преломления объясняют разные скорости света в двух средах; отношение косинусов корректирует различные площади поперечного сечения лучей по обеим сторонам границы.

Интенсивность (Вт/площадь) также должна быть скорректирована с помощью этого геометрического коэффициента наклона:

I t = T x I i (cosθ i /cosθ t )

Сохранение энергии:

Р + Т = 1

Это соотношение справедливо как для компонентов p и s по отдельности, так и для полной мощности.

Поляризация

Для упрощения расчетов отражения и пропускания падающее электрическое поле разбивается на две плоскополяризованные составляющие.«Колесо» на рисунках ниже обозначает плоскость падения. В этой плоскости лежат нормаль к поверхности и все векторы распространения ( k i , k r , k t ).

Оптическая физика 4-е издание | Оптика, оптоэлектроника и фотоника

Это четвертое издание хорошо зарекомендовавшего себя учебника ведет учащихся от фундаментальных идей к самым современным разработкам в области оптики. Проиллюстрированный 400 рисунками, он содержит множество практических примеров, многие из которых взяты из студенческих лабораторных экспериментов и лекционных демонстраций.Он предназначен для студентов и продвинутых курсов по современной оптике и идеально подходит для ученых и инженеров. Книга охватывает принципы геометрической и физической оптики, ведущие к квантовой оптике, с использованием в основном преобразований Фурье и линейной алгебры. Главы дополняются передовыми темами и современными приложениями, знакомя читателей с ключевыми темами исследований, включая отрицательный показатель преломления, поверхностный плазмонный резонанс, восстановление фазы в кристаллической дифракции и телескопе Хаббла, фотонные кристаллы, изображения со сверхвысоким разрешением в биологии, электромагнитно индуцированная прозрачность, медленный свет и сверхсветовое распространение, запутанные фотоны и коллекторы солнечной энергии.Решения задач, программы моделирования, ключевые цифры и дальнейшее обсуждение некоторых тем доступны на сайте www.cambridge.org/lipson.

‘… хорошо зарекомендовавший себя и важный учебник как для студентов, так и для аспирантов-физиков… отец и сын совместно написали научный, авторитетный и четко написанный отчет о принципах и применении волновой теории’. Эдвард Аткинс, Physics Education

«В этой книге много вдохновляющих идей…» Contemporary Physics

«Он достоин занять место на полке любой библиотеки или любого учителя физики.’ Optica Acta

«Хорошо написанный, всеобъемлющий и представленный на правильном уровне для студентов — вспомогательные онлайн-материалы особенно полезны». Дэвид Бинкс, Университет Манчестера

«Четвертое издание «Оптической физики» было значительно обновлено как по содержанию, так и по форме. В настоящее время он охватывает почти весь спектр тем классической и современной оптики, которые студенты, изучающие естественные и инженерные науки, должны изучать в рамках своей подготовки к карьере в современной науке и технике.Хотя анализ Фурье широко используется, авторы мудро сохранили математические требования на непугающем уровне и, где это уместно, предоставляют четкие концептуальные примеры и обсуждают соответствующие приложения. Преподаватели, использующие этот текст для своих курсов, высоко оценят обширный набор упражнений. Внесенные педагогические усовершенствования, такие как краткие конспекты глав, облегчают учащимся отслеживание развития теории и оценку своего прогресса в освоении предметов.«Оптическая физика» — это подробный, актуальный учебник по увлекательной и технологически важной области оптики, который очень подходит в качестве учебника для продвинутого курса бакалавриата для студентов, изучающих естественные науки и инженерные науки, но он также может служить хорошим справочным пособием и средством освежения знаний. для аспирантов и ученых, работающих в области оптики». Райнер Йонсен, Университет Питтсбурга

«Эта книга представляет собой превосходное изложение оптики с акцентом на физические принципы и их следствия.’ Тэд Уокер, Университет Висконсина

«Оптическая физика написана для продвинутых студентов бакалавриата, которые изучают оптическую физику, как если бы они сидели в классе главного преподавателя. Данная тема изложена несколькими способами, что дает учащемуся больше возможностей для развития физической интуиции в отношении материала. Резюме глав 4-го издания и дополнительные обсуждения на полях снова добавлены, чтобы сделать учебник более полезным для учащихся. Баланс между качественным и количественным лечением кажется идеальным.’ Карл Мэйс, Аризонский университет

«… Оптическая физика имеет долгую славную историю как окончательный текст по оптике. В этом новом [издании] добавлены последние разработки, такие как сверхвысокое разрешение, при этом сохранены все ключевые материалы и красивые изображения из более ранних выпусков». Чарльз С. Адамс, Даремский университет

«Публикация этой книги представляет собой столь необходимый шаг к более широкому пониманию оптики и ее значения в профессиональной практике… Учитывая захватывающие горизонты, открывающиеся в области визуализации, включая лидар, этот широкий дальномерная публикация должна оказаться очень ценным справочным источником на долгие годы.Это было успешно достигнуто за счет ясно написанного текста и на техническом уровне, что делает его действительно полезным и актуальным справочником… Он должен быть доступен для справки в любой организации, которая зависит от качества своего оптического оборудования». Фотограмметрическая запись

Условия оптики | Shmoop

Условия оптики

Выпуклая, собирающая линза

Эти линзы толще в середине, чем по краям, так что, когда параллельные световые лучи попадают на линзу, свет преломляется вместе, собирая их, на другой стороне линзы .

Вогнутое сходящееся зеркало

Внутренняя часть ложки. Способ запомнить, какое зеркало является вогнутым, заключается в том, что поверхность вогнутых зеркал «прогибается». Это заставляет его объединять свет, или, выражаясь причудливой физикой, сводить световые лучи.

Вогнутая рассеивающая линза

Эти линзы толще по краям и тоньше в центре. Вогнутые линзы принимают параллельные лучи света и рассеивают их наружу друг от друга так, чтобы лучи были дальше друг от друга на другой стороне линзы.

Конструктивная интерференция

Взаимодействующие волны, которые сходятся в фазе и объединяются (суммируются), образуя большую волну.

Выпуклое рассеивающее зеркало

Выпуклые зеркала — это зеркала, поверхность которых выпирает наружу. Зеркала такого типа распространяют или расходят параллельные световые лучи, попадающие на их поверхность. В результате всегда получается виртуальное изображение, размер которого уменьшается.

Деструктивное вмешательство

Волны, которые объединяются таким образом, что компенсируют друг друга, добавляя гребень волны к впадине.Серферы называют это «большим обломом».

Дифракция

Распространение луча света после прохождения через узкую щель или огибание непрозрачного края.

Электромагнитный спектр

В своем одержимом стремлении классифицировать все сущее ученые организовали свет по длинам волн. В то время как большинство людей думают только о видимом свете как об электромагнитном спектре, на самом деле в нем есть больше типов волн, включая радио, микроволновые, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.То, что вы их не видите, не означает, что их нет.

Геометрическая оптика

Модель, рассматривающая свет как состоящий из баджиллионов мельчайших частиц — маленьких шариков, прыгающих по своим делам и подчиняющихся законам механики Ньютона. Для справки, они называются фотонами.

Принцип Гюйгенса

В сущности, фронт волны состоит из бесконечного числа точек. Каждая из этих точек действует как точечный источник новой волны. Сумма всех этих вейвлетов с точечными источниками дает нам совершенно новый волновой фронт, или «вторичный» волновой фронт.

Расстояние до изображения,

d i

Расстояние между зеркалом или линзой и изображением (не объектом). Расстояние до изображения отрицательное для виртуальных изображений и положительное для реальных изображений

Высота изображения,

h i

Высота изображения, формируемого зеркалом или линзой. Высота изображения считается положительной, если она имеет ту же ориентацию, что и объект, и отрицательной, если она перевернута.

Показатель преломления,

n

Показатель преломления, n , говорит нам кое-что о том, как свет проходит через этот объект.Это мера того, насколько медленнее свет проходит через данный материал, чем когда он проходит через вакуум

Помехи

Этот футбольный фол. О, не такой. Интерференция возникает, когда две волны одного вида (световая, звуковая, океаническая) взаимодействуют друг с другом.

Увеличение,

м

Отношение высоты «изображения» объекта, h i , к высоте реального объекта, h o , или

2 0 Зеркало 60 Уравнение зеркала связывает расстояние до объекта d o и расстояние до изображения d i с фокусным расстоянием f зеркала:

Расстояние до объекта,

d

1

Расстояние между объектом и зеркалом или линзой.Расстояние до объекта всегда положительно, если только мы не имеем дело с более чем одной линзой или зеркалом, так что изображение одного зеркала становится объектом следующего

Высота объекта,

h o

Высота объекта. Это значение всегда положительно.

Физическая оптика

Физическая оптика рассматривает свет как волну. Это может объяснить все явления, на которые способна геометрическая оптика, но кроме того, это объясняет, почему свет может взаимодействовать сам с собой, формируя дифракционные картины, которые мы наблюдаем в эксперименте Янга с двумя щелями.

Плоское зеркало

Плоское зеркало с гладкой поверхностью, похожее на то, которое можно найти в ванной.

Диаграмма лучей

Изображение пути света от объекта к линзе или зеркалу для создания изображения.

Реальное изображение

Изображение из световых лучей, сходящихся там, где кажется изображение.

Отражение

Переворот точки или фигуры на линии. Подумайте о сравнении левой и правой рук в зеркале. Это также то, что Мулан хочет показать, кто она внутри.

Преломление

Это относится к свету, который изгибается, чтобы пройти через объект.

Закон SNELL

N 1 1 15 1

  • 8 = N 2
  • 8 SIN 2
  • 8 SIN θ 2 , , Используется для расчета того, насколько света изгибается для преломления, как он движется от один материал в другой

    Полное внутреннее отражение

    Свет, захваченный внутри объекта из-за угла распространения света.Если свет падает на край объекта под прямым углом или за его пределами, то весь свет отражается внутри материала и ни один из них не преломляется.

    Виртуальное изображение

    Появление изображения на некотором расстоянии d i хотя в реальности световые лучи там не сходятся. Это одна из тех вещей, которые мы должны увидеть, чтобы поверить.

    Эксперимент Янга с двумя щелями

    Эксперимент, иллюстрирующий волновые свойства света, впервые проведенный кем-то по имени Томас Янг.

    Оптика — AP Физика 2

    Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

    Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как так как ChillingEffects.org.

    Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

    Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

    Вы должны включить следующее:

    Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

    Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

    Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
    101 S. Hanley Rd, Suite 300
    Сент-Луис, Миссури 63105

    Или заполните форму ниже:

     

    Физлет Физика: Оптика

    Глава 32: Электромагнитные (ЭМ) волны

    Электромагнитные волны (также называемые электромагнитным излучением) — это волны, подчиняющиеся уравнениям Максвелла.Одним из следствий уравнений Максвелла является то, что существуют электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 3 x 10 8 м/с в вакууме. Это как раз скорость света в вакууме! Следовательно, весь свет — видимый свет, ультрафиолетовое излучение, радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и инфракрасное излучение — это электромагнитная волна. Разница между этими волнами заключается просто в частоте ( f ) или длине волны (λ). Поскольку частота, умноженная на длину волны ( f λ), равна скорости распространения (которая для света в вакууме должна быть 3 x 10 8 м/с), если вы знаете частоту, вы знаете и длину волны.В этой главе исследуются распространяющиеся электрические и магнитные поля и связываются они с наблюдаемыми свойствами света.

    Глава 33: Зеркала

    Зеркало — оптический элемент, отражающий падающий на него свет. В этой главе рассматриваются различные зеркала (плоские, вогнутые и выпуклые) и их свойства. В этой главе основное внимание уделяется пониманию образов, формируемых зеркалами. Вы будете использовать диаграммы лучей, исследовать фокусное расстояние и фокус зеркал, а также узнаете о реальных и виртуальных изображениях, чтобы понять формирование изображения, местоположение изображения и свойства изображения.

    Глава 34: Преломление

    Когда свет переходит из одной среды в другую, он может ускоряться или замедляться в зависимости от двух сред. Это изменение скорости приводит к изменению длины волны света. Он также может изменить направление движения света. Это «изгибание» света известно как преломление. В этой главе рассматривается ряд аспектов преломления, включая воспринимаемые изображения, влияние на линзу, изменение длины волны и критический угол полного внутреннего отражения.

    Глава 35: Линзы

    Линза — это, по сути, среда с другим показателем преломления, чем у окружающей среды. Форма и показатель преломления хрусталика определяют его свойства. Ключом к проектированию оптических систем является понимание изображения, формируемого данной линзой или комбинацией линз. В этой главе многие концепции формирования изображения аналогичны концепциям сферических зеркал. Проблемы, с которыми вы столкнетесь, будут использовать диаграммы лучей для изучения формирования изображения, определения фокусных точек и разработки методов для понимания систем с несколькими линзами.

    Глава 36: Оптические приложения

    В этой главе мы изучаем геометрическую оптику применительно к реальным системам. Конечно, предполагается базовое понимание идей из предыдущих глав, таких как работа линз. Охватываемые приложения включают глаз, камеру, микроскоп, телескоп и лазерные резонаторы. Изучение этих приложений дает возможность закрепить ранее изученные концепции, а также продемонстрировать практическое использование этих концепций.

    Глава 37: Помехи

    Поскольку свет представляет собой волну, свет от двух или более источников может интерферировать, образуя характерные узоры.Различные цвета капельки масла в луже воды — пример эффекта интерференции. В этой главе вы исследуете интерференцию света от нескольких источников, используя виртуальный пульсирующий резервуар, чтобы установить связь между разницей длины пути и интерференцией. Вы также изучите интерференцию света, падающего на тонкие пленки.

    Глава 38: Дифракция

    Дифракция является результатом интерференции, когда волна проходит через отверстие или край.Эффекты дифракции легче или труднее увидеть в зависимости от длины волны и размера данного отверстия. Физический принцип дифракции тот же, что и у интерференции (см. главу 37): суперпозиция волн. Чтобы наблюдать эффекты дифракции, щели или решетки должны иметь размер, сравнимый с длиной волны света.

    Глава 39: Поляризация

    Состояние поляризации бегущей электромагнитной волны описывает ориентацию электрического поля во времени.В эту главу включен свет как с линейной, так и с круговой поляризацией, в которой основное внимание уделяется установлению связи между отдельными полями, составляющими бегущую волну, и результирующим электрическим полем.

    Приложение «Оптика»: что скрывается за кулисами?

    В предыдущих главах были рассмотрены зеркала и линзы. В этом приложении зеркала и линзы рассматриваются с помощью вопросов, касающихся оптических элементов, присутствующих в анимации. Все оптические элементы неизвестны, так как они спрятаны за красными занавесками.Вам дан тип источника (объект, луч, точка) и вы должны проанализировать полученные световые лучи, чтобы определить, что находится за занавесом.


    Обзор TOC

    Узнайте о свете и оптике

    Урок науки: свет

    Без света ничего не видно. Итак, , что такое свет? Свет — это вид энергии, называемый электромагнитным излучением. Эта форма энергии также используется в рентгеновских аппаратах, микроволновых печах и радиоприемниках.Электромагнитное излучение, которое мы можем видеть, называется видимым светом .

    Различные источники излучают разные виды света. Солнце излучает свет, потому что оно горячее, и этот тип света называется накалом . Другие источники света, такие как светлячки или телевизоры, не нагреваются — свет, который они излучают, называется люминесценцией . Фейерверки часто имеют смесь как ламп накаливания, так и люминесцентных, которые создаются специальными химическими веществами. Интересным видом люминесценции является триболюминесценция , свет, который испускают некоторые материалы при их разрушении.Вы можете увидеть триболюминесцентный свет , если взять прозрачный пластиковый пакет, полный кубиков сахара, в очень темную комнату. Раздавите кубики сахара скалкой, и вы должны увидеть очень маленькие вспышки синего света.

    Свет — самое быстрое известное вещество во Вселенной. Он движется со скоростью около 186 000 миль в секунду, что означает, что ему требуется всего восемь минут, чтобы добраться до Земли от Солнца, находящегося на расстоянии 93 миллионов миль! Этот ускоряющийся свет всегда движется по прямой линии , пока не встретится с другим веществом.Обратите внимание на это, накрыв конец фонарика алюминиевой фольгой. Проткните карандашом отверстие в фольге так, чтобы через него проходил только небольшой луч света. В темной комнате можете ли вы «направить» этот свет и осветить им все, что захотите? Да, потому что свет движется прямолинейно. Попробуйте положить фонарик на стол и держать перед ним зеркало. Что происходит с лучом света? Он отскакивает от зеркала и летит в другом направлении. Это называется отражением . Каждый раз, когда свет попадает на новое вещество, часть его отражается.В некоторых веществах степень отражения мала, потому что вещество 90 315 прозрачно, 90 318, что означает, что вы можете видеть сквозь него. Большая часть света проходит прямо через вещество и лишь немного отражается. Другие вещества пропускают свет, но вы не можете видеть сквозь них. Эти объекты полупрозрачны. Непрозрачные вещества — это вещества, которые не пропускают свет через себя, поэтому свет отражается от поверхности.

    Отражение — это только один из методов, которые мы используем для управления светом.Другой называется преломлением . Когда свет, проходящий через одно вещество, например воздух, сталкивается с другим веществом, например оконным стеклом, такое соединение называется интерфейсом . Преломление происходит, когда свет преломляется на такой поверхности раздела. Это происходит потому, что скорость света и длина волны изменяются, когда свет входит во второе вещество. Например, когда свет переходит из воздуха в стекло, его скорость уменьшается на 25%. Все это может показаться техническим, но вы много раз видели преломление в действии.Вы когда-нибудь замечали, что ваши ноги выглядят странно согнутыми, когда вы болтаете ими в бассейне? Это происходит потому, что свет преломляется, когда попадает в воду. Понаблюдайте за этим дома , наполнив стакан водой и поместив в него карандаш. Посмотрите на карандаш над стеклом. Были ли изменения в его внешности? Попробуйте посмотреть на него со стороны стекла, а потом посмотрите снизу вверх на поверхность воды. Карандаш выглядит иначе в воде из-за преломления.

    Урок естествознания: цвет света

    Как вы думаете, какого цвета «белый свет»? Это кажется очевидным, не правда ли — белым, конечно! Хотя он и называется «белым», потому что кажется бесцветным, белый свет на самом деле представляет собой смесь красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, индиго и фиолетового света. Каждый из разных цветов имеет свою длину волны, которая отражает и преломляет под своим углом, отличным от всех других цветов. Когда он проходит через призму (треугольный кусок стекла), свет отражается и преломляется в непрерывную полосу цветов , называемую спектром . Луч света входит в призму под одним углом, но поскольку каждый цвет изгибается под другим углом, они выходят из призмы в разных местах, что позволяет вам их видеть.

    Вы можете видеть свет, разбитый на цветовой спектр , используя фонарик и компакт-диск. Сделайте отверстие диаметром около 1/2 дюйма в куске алюминиевой фольги, а затем оберните фольгой конец фонарика. Положите компакт-диск на стол блестящей стороной вверх. Держите фонарик так, чтобы свет отражался от компакт-диска и попадал вам в глаза.(Держите компакт-диск между собой и фонариком и направляйте свет по диагонали.) Небольшие вмятины и канавки на компакт-диске заставляют цвета света отражаться под разными углами. Вот почему вы можете видеть все цвета в прекрасном спектре.

    Возможно, вы часто задавались вопросом, что делает радугу в небе после грозы. На самом деле все просто — радуга — это просто белый свет, рассеивающийся на свои цвета. Каждая отдельная капля дождя действует как маленькая призма. Когда свет попадает в каплю дождя, он сначала преломляется в свои цвета, которые затем отражаются под разными углами.Хотя каждая капля дождя дает полный спектр, вы можете видеть только один из цветов. Это потому, что некоторые цвета отражаются под углом, не направленным к вам. Все капли дождя в одной части неба отражают красный свет обратно к вам, образуя красную полосу, в то время как другие цвета рассеиваются под разными углами, поэтому вы их не видите. Следующая секция дождевых капель отражает к вам оранжевый цвет, следующая — желтый и т. д. Конечным результатом является то, что вы видите полосы каждого цвета в красивом спектре, простирающемся по небу.Когда вы ищете радугу, всегда помните, что стоите спиной к солнцу — вы видите цвета только тогда, когда свет отражается на 90 315 назад к вам на 90 318.

    Спектроскоп — это устройство, которое используется учеными для изучения спектров различных источников света. Обычно он имеет дифракционную решетку , кусок пластика с канавками, чтобы разбить свет на его цветовые компоненты. Различные виды света имеют разные спектры, поэтому ученые могут использовать точные спектроскопы для определения свойств звезд и обнаружения элементов, содержащихся в других веществах.Это наука о спектроскопии .

    Вы можете использовать спектроскоп для исследования различных источников света в вашем доме. Лампы накаливания и солнечный свет будут давать непрерывный спектр , , где все цвета плавно переходят друг в друга. (Звезды, как и солнце, на самом деле излучают спектр темных линий , в котором цвета разбиты темными линиями. Однако только очень точные спектроскопы могут видеть темные линии, поэтому солнце выглядит как непрерывный спектр.) Флуоресцентный свет будет давать спектр 90 315 ярких линий, 90 318 с яркими линиями, разделенными темными промежутками.

    Когда отдельные элементы нагреваются, они создают особый спектр ярких линий, который можно использовать для идентификации. Если вы хотите провести эксперименты по поиску спектров различных элементов, наш набор для спектроскопического анализа — хорошее место для начала. Он включает в себя ученический спектроскоп, инструкции, деревянные шины и четыре различных хлоридных соли: хлорид кальция, хлорид калия, хлорид стронция и хлорид лития.Используя эти химические вещества, а также поваренную соль, вы сможете увидеть, как каждое химическое вещество излучает свой уникальный спектр.

    Урок естествознания: зеркала и калейдоскопы

    Калейдоскопы, перископы, микроскопы, телескопы – кроме окончания слова, что у них общего? Все они используют оптику, чтобы каким-то образом улучшить наше зрение. Зрение зависит от света, и оптика используется для управления светом, отражая или преломляя его, чтобы мы могли видеть по-разному. Калейдоскопы используют зеркала для отражения света в красивые формы и узоры.Вы можете сделать свой собственный калейдоскоп с тремя маленькими зеркалами примерно одинакового размера. Склейте длинные края зеркал вместе, чтобы образовалась пирамида, причем все отражающие стороны зеркал обращены внутрь. Затем вырежьте треугольник из тонкого картона, чтобы он соответствовал одному концу калейдоскопа, и приклейте его скотчем. Используйте острый карандаш, чтобы проткнуть отверстие в центре картона, чтобы оно служило глазком. Вырежьте два треугольника из прозрачного материала, например пластиковой пленки для накладных расходов, чтобы они подошли к другому концу; закрепите два края скотчем, чтобы получился трехсторонний конверт, и положите внутрь конфетную крошку и/или кусочки цветной бумаги.Заклейте третью сторону лентой, затем прикрепите конверт к концу калейдоскопа лентой. Теперь посмотрите в конец с глазком и наведите калейдоскоп на источник света. Цветные объекты на другом конце будут отражаться от зеркал в виде звезд.

    Вы также можете исследовать отражение , используя два маленьких квадратных стеклянных зеркала, скрепленных скотчем с одной стороны. Поставьте их вертикально и раздвиньте, как раскрытую книгу, так, чтобы между ними можно было поместить небольшой предмет, не касаясь ни одной из сторон.Сколько отражений вы видите? Теперь положите карандаш перед зеркалами так, чтобы он соприкасался с каждой стороны. Сколько карандашей отражено? Поэкспериментируйте с перемещением зеркал ближе и дальше друг от друга; как изменяется число отраженных предметов в зависимости от угла наклона зеркал?

    Урок естествознания: линзы и зеркала

    Базовые линзы и зеркала бывают двух видов: вогнутые и выпуклые. Эти типы различаются тем, как и где они фокусируют свет. Вогнутая линза рассеивает свет — рассеивает его и не может сфокусировать — и «изображение», которое она формирует, появляется на той же стороне , что и свет, который она отражает.Это связано с тем, что точка фокусировки , которая представляет собой точку, в которой лучи света собираются или встречаются, находится на той же стороне линзы, что и источник света. Расстояние между объективом и фокусом считается равным отрицательному фокусному расстоянию . Вы можете продемонстрировать этот с небольшой вогнутой линзой: подержите линзу над листом бумаги на столе или прилавке рядом с источником естественного света, например, солнечным светом, проникающим через окно. Небольшой пучок окрашенного света ( виртуальное изображение ) должен появиться на бумаге с той же стороны линзы, откуда исходит свет.Вы можете думать об этом как о свете, отражающемся от поверхности линзы, вместо того, чтобы проходить сквозь нее.

    Фокус и изображение (называемое реальным изображением ) выпуклой линзы появляются на противоположной стороне отражаемого ею света. Расстояние между линзой и фокальной точкой равно положительному фокусному расстоянию . Вы можете продемонстрировать эти свойства, используя выпуклую линзу в той же конфигурации, что и вогнутую. На этот раз изображение от источника света должно появиться на противоположной стороне от источника света.

    Зеркала работают аналогичным образом. Если у вас есть небольшое вогнутое зеркало, держите его так, чтобы свет отражался от него на экран (хорошо подойдет папка или блокнот светлого цвета). Теперь держите палец перед зеркалом, не закрывая всю поверхность. Поскольку свет расходится от вогнутых зеркал, изображение вашего пальца не появится на экране.

    Повторите эксперимент с выпуклым зеркалом. Изображение вашего пальца (выглядящего как тень) должно появиться на экране.В отличие от вогнутых зеркал, выпуклые зеркала проецируют четкое изображение. Это позволяет нам видеть точное (хотя и перевернутое) изображение самих себя, когда мы смотрим в выпуклое зеркало в ванной.

    Изобретения: линза Френеля

    В середине 18-го века маяки состояли из лампы, горящей китовым жиром, помещенной на вершине башни. Эти источники света были очень неэффективными, так как с моря было видно только 3% света. К началу 19 века за фонарями устанавливали металлические отражатели, чтобы отражать больше света в море.Хотя это было улучшением, свет по-прежнему светил недостаточно далеко, чтобы своевременно предупреждать корабли. В 1819 году французский физик Огюстен Френель разработал новую систему концентрации света, в результате чего появилась линза Френеля. Он окружил источник света массивом бочкообразных линз, расположенных по образцу, который отражал или преломлял свет в один сильный горизонтальный луч. С 1000-ваттной лампочкой линза Френеля могла посылать луч мощностью 680 000 свечей, который можно было увидеть на расстоянии до 21 мили в море.Помимо мощности, конструкция линзы была такова, что позволяла каждому маяку вспыхивать своим узором, иногда даже цветом. Это позволяло морякам определять свое точное положение, определяя, какой маяк они могли видеть.

    Самая большая линза Френеля, линза «первого порядка», достигала 10-12 футов в высоту, около шести футов в окружности и могла весить до трех тонн.

  • alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.