Hvordan optikk fra fysikk hjelper mennesker. Optikk som en gren av fysikk. Kvante- og fysiologisk optikk

Gamle vitenskapsmenn som levde på 500-tallet f.Kr. antydet at alt i naturen og denne verden er betinget, og bare atomer og tomhet kan kalles virkelighet. Til dags dato er det bevart viktige historiske dokumenter som bekrefter konseptet om lysets struktur som en konstant strøm av partikler som har visse fysiske egenskaper. Selve begrepet "optikk" vil imidlertid dukke opp mye senere. Frøene til slike filosofer som Demokrit og Euklid, sådd mens de forstår strukturen til alle prosesser som skjer på jorden, har spiret. Først på begynnelsen av 1800-tallet var klassisk optikk i stand til å tilegne seg sine karakteristiske trekk, gjenkjennelig av moderne vitenskapsmenn, og fremstod som en fullverdig vitenskap.

Definisjon 1

Optikk er en enorm gren av fysikk som studerer og vurderer fenomener som er direkte relatert til forplantningen av kraftige elektromagnetiske bølger i det synlige spekteret, så vel som områder nær det.

Hovedklassifiseringen av denne delen tilsvarer den historiske utviklingen av læren om lysets spesifikke struktur:

geometrisk – 3. århundre f.Kr. (Euklid);
fysisk – 1600-tallet (Huygens);
kvante – 1900-tallet (Planck).

Optikk karakteriserer fullstendig egenskapene til lysbrytning og forklarer fenomener som er direkte relatert til dette problemet. Metodene og prinsippene for optiske systemer brukes i mange anvendte disipliner, inkludert fysikk, elektroteknikk og medisin (spesielt oftalmologi). I disse, så vel som i tverrfaglige felt, er prestasjonene til anvendt optikk ekstremt populære, som sammen med presisjonsmekanikk danner et solid fundament for den optisk-mekaniske industrien.

Lysets natur

Optikk regnes som en av de første og viktigste grenene av fysikk, der begrensningene til eldgamle ideer om naturen ble presentert.

Som et resultat var forskere i stand til å etablere dualiteten av naturfenomener og lys:

den korpuskulære hypotesen om lys, som stammer fra Newton, studerer denne prosessen som en strøm av elementære partikler - fotoner, der absolutt all stråling utføres diskret, og minimumsdelen av kraften til en gitt energi har en frekvens og størrelse som tilsvarer intensiteten til det utsendte lyset;
Bølgeteorien om lys, som stammer fra Huygens, innebærer begrepet lys som et sett med parallelle monokromatiske elektromagnetiske bølger observert i optiske fenomener og representert som et resultat av handlingene til disse bølgene.

Med slike lysegenskaper betraktes fraværet av overgang av kraften og energien til stråling til andre typer energi som en helt normal prosess, siden elektromagnetiske bølger ikke samhandler med hverandre i det romlige miljøet av interferensfenomener, fordi lyseffektene fortsetter. å forplante seg uten å endre deres spesifisitet.

Bølge- og korpuskulære hypoteser om elektrisk og magnetisk stråling fant sin anvendelse i Maxwells vitenskapelige arbeider i form av ligninger.

Dette nye konseptet med lys som en konstant bevegelig bølge gjør det mulig å forklare prosesser knyttet til diffraksjon og interferens, inkludert strukturen til lysfeltet.

Lysets egenskaper

Lengden på lysbølgen $\lambda$ avhenger direkte av den totale forplantningshastigheten til dette fenomenet i det romlige mediet $v$ og er relatert til frekvensen $\nu$ ved følgende relasjon:

$\lambda = \frac(v)(\nu)=\frac (c)(n\nu)$

hvor $n$ er brytningsparameteren til mediet. Generelt er denne indikatoren en grunnleggende funksjon av den elektromagnetiske bølgelengden: $n=n(\lambda)$.

Brytningsindeksens avhengighet av bølgelengde manifesterer seg i form av fenomenet systematisk spredning av lys. Et universelt og fortsatt lite studert konsept i fysikk er lysets hastighet $c$. Dens spesielle betydning i absolutt tomhet representerer ikke bare den maksimale hastigheten for spredning av kraftige elektromagnetiske frekvenser, men også den maksimale intensiteten av spredning av informasjon eller annen fysisk påvirkning på materielle gjenstander. Når bevegelsen av lysstrømmen øker i forskjellige områder, reduseres ofte lysets begynnelseshastighet $v$: $v = \frac (c)(n)$.

Hovedtrekkene til lyset er:

spektral og kompleks sammensetning bestemt av skalaen til lysbølgelengder;
polarisering, som bestemmes av den generelle endringen i det romlige miljøet til den elektriske vektoren gjennom bølgeutbredelse;
spredningsretningen til en lysstråle, som må falle sammen med bølgefronten i fravær av dobbeltbrytning.

Kvante- og fysiologisk optikk

Ideen om en detaljert beskrivelse av det elektromagnetiske feltet ved bruk av kvanter dukket opp på begynnelsen av 1900-tallet, og ble uttrykt av Max Planck. Forskere har antydet at den konstante emisjonen av lys utføres gjennom visse partikler - kvanter. Etter 30 år ble det bevist at lys ikke bare sendes ut delvis og parallelt, men også absorberes.

Dette ga Albert Einstein muligheten til å bestemme lysets diskrete struktur. I dag kaller forskere lys for kvantefotoner, og selve strømmen betraktes som en integrert gruppe av elementer. I kvanteoptikk betraktes lys således både som en strøm av partikler og som bølger på samme tid, siden prosesser som interferens og diffraksjon ikke kan forklares med en enkelt strøm av fotoner.

På midten av 1900-tallet gjorde forskningsaktivitetene til Brown–Twiss det mulig å mer nøyaktig bestemme bruksområdet for kvanteoptikk. Forskerens arbeid har bevist at et visst antall lyskilder som sender ut fotoner til to fotodetektorer og gir et konstant lydsignal om registrering av elementer kan få enhetene til å fungere samtidig.

Innføringen av praktisk bruk av ikke-klassisk lys har ført forskere til utrolige resultater. I denne forbindelse er kvanteoptikk et unikt moderne felt med enorme muligheter for forskning og anvendelse.

Merknad 1

Moderne optikk har lenge inkludert mange områder av den vitenskapelige verden og utvikling som er etterspurt og populær.

Disse områdene innen optisk vitenskap er direkte relatert til lysets elektromagnetiske eller kvanteegenskaper, inkludert andre områder.

Definisjon 2

Fysiologisk optikk er en ny tverrfaglig vitenskap som studerer den visuelle persepsjonen av lys og kombinerer informasjon fra biokjemi, biofysikk og psykologi.

Med hensyn til alle optikkens lover, er denne delen av vitenskapen basert på disse vitenskapene og har en spesiell praktisk retning. Elementene i det visuelle apparatet studeres, og spesiell oppmerksomhet rettes mot unike fenomener, som optisk illusjon og hallusinasjoner. Resultatene av arbeidet på dette området brukes i fysiologi, medisin, optisk teknikk og filmindustrien.

I dag brukes ordet optikk oftere som navn på en butikk. Naturligvis er det på slike spesialiserte punkter mulig å kjøpe en rekke tekniske optikkenheter - linser, briller, synsbeskyttende mekanismer. På dette stadiet har butikker moderne utstyr som lar dem nøyaktig bestemme synsskarphet på stedet, samt identifisere eksisterende problemer og måter å eliminere dem på.

ABSOLUT SVART KROPP– en mental modell av en kropp som, ved enhver temperatur, fullstendig absorberer all elektromagnetisk stråling som faller inn på den, uavhengig av den spektrale sammensetningen. Stråling A.h.t. bestemmes kun av dens absolutte temperatur og er ikke avhengig av stoffets natur.

HVITT LYS- kompleks elektromagnetisk stråling , forårsaker en fargenøytral følelse i en persons øyne.

SYNLIG STRÅLING- optisk stråling med bølgelengder på 380 - 770 nm, i stand til å forårsake en visuell følelse i menneskelige øyne.

Stimulert UTSLIPP, indusert stråling - utslipp av elektromagnetiske bølger fra partikler av materie (atomer, molekyler, etc.) lokalisert i en eksitert tilstand, dvs. ikke-likevektstilstand under påvirkning av ekstern drivstråling. I og. sammenhengende (se sammenheng) med påtvingende stråling og under visse forhold kan føre til forsterkning og generering av elektromagnetiske bølger. se også kvantegenerator.

HOLOGRAM- et interferensmønster registrert på en fotografisk plate, dannet av to koherente bølger (se. sammenheng): en referansebølge og en bølge reflektert fra et objekt opplyst av samme lyskilde. Når vi rekonstruerer G., oppfatter vi et tredimensjonalt bilde av et objekt.

HOLOGRAFI- en metode for å oppnå tredimensjonale bilder av objekter, basert på registrering og påfølgende rekonstruksjon av bølgefronten som reflekteres av disse objektene. Innhenting av hologram er basert på.

HUYGENS PRINSIPP- en metode som lar deg bestemme posisjonen til bølgefronten når som helst. I følge g.p. alle punkter som bølgefronten passerer gjennom på tidspunktet t er kilder til sekundære sfæriske bølger, og den ønskede posisjonen til bølgefronten på tidspunktet t+Dt faller sammen med overflaten som omslutter alle sekundære bølger. Lar deg forklare lovene for refleksjon og brytning av lys.

HUYGENS - FRESNEL - PRINSIPP- en omtrentlig metode for å løse problemer med bølgeutbredelse. G.-F. p. sier: på et hvilket som helst punkt plassert utenfor en vilkårlig lukket overflate som dekker en punktlyskilde, kan lysbølgen som eksiteres av denne kilden representeres som et resultat av interferens av sekundære bølger som sendes ut av alle punkter på den spesifiserte lukkede overflaten. Lar deg løse enkle problemer.

LETT TRYKK - press, produsert av lys på en opplyst overflate. Spiller en viktig rolle i kosmiske prosesser (dannelse av komethaler, likevekt av store stjerner, etc.).

FAKTISK BILDE- cm. .

MIAPHRAGM- en enhet for å begrense eller endre lysstrålen i et optisk system (for eksempel øyepupillen, linserammen, kameralinsen).

SPREDNING AV LYS- avhengighet av absolutt brytningsindeks stoffer fra lysets frekvens. Det er et skille mellom normal stråling, der lysbølgens hastighet avtar med økende frekvens, og unormal stråling, der bølgens hastighet øker. På grunn av D.s. En smal stråle av hvitt lys, som passerer gjennom et prisme laget av glass eller et annet gjennomsiktig stoff, brytes ned i et spredt spektrum og danner en regnbuestripe på skjermen.

DIFRAKSJONSRIST- en fysisk enhet som er en samling av et stort antall parallelle slag av samme bredde, påført på en gjennomsiktig eller reflekterende overflate i samme avstand fra hverandre. Som et resultat, på D.r. Det dannes et diffraksjonsspektrum - alternerende maksima og minimum for lysintensitet.

DIFRAKSJON AV LYS- et sett med fenomener som er forårsaket av lysets bølgenatur og observeres når det forplanter seg i et medium med uttalte inhomogeniteter (for eksempel når de passerer gjennom hull, nær grensene til ugjennomsiktige kropper, etc.). I snever forstand, under D.s. forstå bøyningen av lys rundt små hindringer, dvs. avvik fra lovene for geometrisk optikk. Spiller en viktig rolle i driften av optiske instrumenter, og begrenser dem Vedtak.

DOPPLER EFFEKTEN– endre fenomen vibrasjonsfrekvenser lyd eller elektromagnetiske bølger oppfattet av en observatør på grunn av den gjensidige bevegelsen til observatøren og kilden til bølgene. Når du nærmer deg, oppdages en økning i frekvensen, og når du beveger deg bort, oppdages en nedgang.

NATURLIG LYS- et sett med usammenhengende lysbølger med alle mulige vibrasjonsplaner og med samme vibrasjonsintensitet i hvert av disse planene. E.s. nesten alle naturlige lyskilder avgir, fordi de består av et stort antall forskjellig orienterte strålingssentre (atomer, molekyler) som sender ut lysbølger, hvis fase og vibrasjonsplan kan anta alle mulige verdier. se også polarisering av lys, koherens.

OPTISK SPEIL– en kropp med en polert eller belagt med et reflekterende lag (sølv, gull, aluminium, etc.) overflate som nærme speilrefleksjon oppstår (se. speilbilde).

BILDEOPTISK– et bilde av et objekt oppnådd som et resultat av virkningen av et optisk system (linser, speil) på lysstråler som sendes ut eller reflekteres av objektet. Det er et skille mellom ekte (oppnådd på skjermen eller netthinnen i øyet når stråler som passerer gjennom det optiske systemet krysser hverandre) og imaginær informasjon. . (oppnådd i skjæringspunktet mellom fortsettelsene av strålene).

FORSTYRRELSE AV LYS- fenomenet superposisjon av to eller flere sammenhengende lysbølger lineært polarisert i ett plan, hvor energien til den resulterende lysbølgen blir omfordelt i rommet avhengig av forholdet mellom fasene til disse bølgene. Resultatet av I.S., observert på en skjerm eller fotografisk plate, kalles et interferensmønster. I. hvitt lys fører til dannelsen av et regnbuemønster (farger på tynne filmer, etc.). Finner anvendelse i holografi, for å tømme optikk, etc.

INFRARØD STRÅLING - elektromagnetisk stråling med bølgelengder fra 0,74 mikron til 1-2 mm. Sendes ut av alle legemer med en temperatur over absolutt null (termisk stråling).

KVANTUM AV LYS- det samme som foton.

KOLIMATOR- et optisk system designet for å produsere en stråle av parallelle stråler.

COMPTON EFFEKT– fenomenet spredning av elektromagnetisk stråling med korte bølgelengder (røntgen- og gammastråling) på frie elektroner, ledsaget av en økning bølgelengde.

LASER, optisk kvantegenerator - kvantegenerator elektromagnetisk stråling i det optiske området. Genererer monokromatisk koherent elektromagnetisk stråling, som har en smal retning og betydelig effekttetthet. Den brukes i optisk avstandsmåling, for behandling av faste og ildfaste materialer, i kirurgi, spektroskopi og holografi, for oppvarming av plasma. ons. Maser.

LINE SPECTRA- spektra som består av individuelle smale spektrallinjer. Sendes ut av stoffer i atomtilstand.

LINSE optisk - en gjennomsiktig kropp avgrenset av to buede (vanligvis sfæriske) eller buede og flate overflater. En linse kalles tynn hvis tykkelsen er liten sammenlignet med krumningsradiene til overflatene. Det skilles mellom konvergerende (konvertere en parallell stråle av stråler til en konvergerende) og divergerende (konvertere en parallell stråle av stråler til en divergerende) linser. De brukes i optiske, optisk-mekaniske og fotografiske instrumenter.

Forstørrelsesglass- samler linse eller et linsesystem med kort brennvidde (10 - 100 mm), gir 2 - 50x forstørrelse.

STRÅLE– en tenkt linje som strålingsenergien forplanter seg langs i tilnærmingen geometrisk optikk, dvs. hvis ingen diffraksjonsfenomener observeres.

MASER - kvantegenerator elektromagnetisk stråling i centimeterområdet. Den er preget av høy monokromatiskitet, koherens og smal strålingsdirektivitet. Den brukes i radiokommunikasjon, radioastronomi, radar, og også som en generator for stabile frekvensoscillasjoner. ons. .

MICHAELSON ERFARING- et eksperiment designet for å måle påvirkningen av jordens bevegelse på verdien lysets hastighet. Negativt resultat M.o. ble en av forsøksgrunnene relativitetsteori.

MIKROSKOP- en optisk enhet for å observere små gjenstander som er usynlige for det blotte øye. Mikroskopets forstørrelse er begrenset og overstiger ikke 1500. Jf. elektronmikroskop.

VIMARY BILDE- cm. .

MONOKROMATISK STRÅLING– mental modell elektromagnetisk stråling en bestemt frekvens. Strogogo M.I. eksisterer ikke, fordi enhver reell stråling er begrenset i tid og dekker et visst frekvensområde. Kilder til stråling nær m. - kvantegeneratorer.

OPTIKK- en gren av fysikk som studerer mønstrene til lys (optiske) fenomener, lysets natur og dets interaksjon med materie.

OPTISK AKSE- 1) HOVED - rett linje som sentrene til brytnings- eller reflekterende overflater som danner det optiske systemet er plassert; 2) SIDE - enhver rett linje som går gjennom det optiske senteret til en tynn linse.

OPTISK KRAFT linser - en mengde som brukes til å beskrive brytningseffekten til en linse og det omvendte brennvidde. D=1/F. Det måles i dioptrier (doptre).

OPTISK STRÅLING- elektromagnetisk stråling, hvis bølgelengder er i området fra 10 nm til 1 mm. K o.i. forholde seg infrarød stråling, , .

REFLEKTION AV LYS– prosessen med retur av en lysbølge når den faller på grensesnittet mellom to medier som har forskjellige brytningsindekser. tilbake til det opprinnelige miljøet. Takk o.s. vi ser kropper som ikke sender ut lys. Det skilles mellom speilrefleksjon (en parallell stråle av stråler forblir parallell etter refleksjon) og diffus refleksjon (en parallell stråle omdannes til en divergerende).

– et fenomen observert under overgangen av lys fra et optisk tettere medium til et optisk mindre tett medium, hvis innfallsvinkelen er større enn den begrensende innfallsvinkelen, der n – brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første. I dette tilfellet reflekteres lyset fullstendig fra grensesnittet mellom media.

LOV FOR BØLGEREFLEKTIONER- innfallsstrålen, den reflekterte strålen og perpendikulæren hevet til strålens innfallspunkt ligger i samme plan, og innfallsvinkelen er lik brytningsvinkelen. Loven gjelder for speilrefleksjon.

LYSABSORPSJON- en reduksjon i energien til en lysbølge under dens forplantning i materie, som oppstår som et resultat av omdannelsen av bølgeenergi til indre energi stoffer eller energi fra sekundær stråling som har en annen spektral sammensetning og en annen forplantningsretning.

1) ABSOLUTT - en verdi lik forholdet mellom lyshastigheten i vakuum og lysets fasehastighet i et gitt medium: . Avhenger av den kjemiske sammensetningen av mediet, dets tilstand (temperatur, trykk, etc.) og frekvensen av lys (se. lysspredning).2) RELATIVE - (p.p. av det andre mediet i forhold til det første) en verdi lik forholdet mellom fasehastigheten i det første mediet og fasehastigheten i det andre: . O.p.p. lik forholdet mellom den absolutte brytningsindeksen til det andre mediet og den absolutte p.p. fjærmiljø.

POLARISERING AV LYS– et fenomen som fører til rekkefølge av vektorene for elektrisk feltstyrke og magnetisk induksjon av en lysbølge i et plan vinkelrett på lysstrålen. Oftest oppstår det under refleksjon og brytning av lys, så vel som under forplantning av lys i et anisotropisk medium.

LETT REFRAKTION– et fenomen som består i en endring i forplantningsretningen til lys (elektromagnetisk bølge) ved bevegelse fra ett medium til et annet, forskjellig fra det første brytningsindeks. For refraksjon er loven oppfylt: den innfallende strålen, den refrakterte strålen og perpendikulæren hevet til innfallspunktet for strålen ligger i samme plan, og for disse to mediene er forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinus av brytningsvinkelen kalles en konstant verdi relativ brytningsindeks det andre miljøet i forhold til det første. Årsaken til brytning er forskjellen i fasehastigheter i forskjellige medier.

OPTISK PRISME- et legeme laget av et gjennomsiktig stoff, avgrenset av to ikke-parallelle plan hvor lyset brytes. Brukes i optiske og spektrale instrumenter.

SLAG FORSKJELL– en fysisk mengde lik forskjellen i de optiske veilengdene til to lysstråler.

LYSSPRØDNING- et fenomen som består i avbøyning av en lysstråle som forplanter seg i et medium i alle mulige retninger. Det er forårsaket av mediets heterogenitet og samspillet mellom lys og partikler av materie, hvor forplantningsretningen, frekvensen og svingningsplanet til lysbølgen endres.

LYS, lysstråling - som kan forårsake en visuell følelse.

LYSBØLGE - elektromagnetisk bølge i bølgelengdeområdet til synlig stråling. Frekvens (sett med frekvenser) r.v. bestemmer farge, energi r.v. er proporsjonal med kvadratet av dens amplitude.

LYSGUIDE- en kanal for overføring av lys, som har dimensjoner mange ganger større enn lysets bølgelengde. Lys i bygda forplanter seg på grunn av total intern refleksjon.

LYSETS HASTIGHET i vakuum (c) - en av de grunnleggende fysiske konstantene, lik forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i vakuum. s=(299 792 458 ± 1,2) m/s. S.s. - maksimal forplantningshastighet for fysiske interaksjoner.

OPTISK SPEKTRUM- fordeling etter frekvens (eller bølgelengde) av intensiteten av optisk stråling fra et bestemt legeme (emisjonsspektrum) eller intensiteten av absorpsjon av lys når det passerer gjennom et stoff (absorpsjonsspektrum). Det er S.O.: lined, bestående av individuelle spektrallinjer; stripete, bestående av grupper (striper) av nært beslektede spektrallinjer; solid, tilsvarende stråling (emisjon) eller absorpsjon av lys i et bredt frekvensområde.

SPEKTRALINJER- smale seksjoner i optiske spektre tilsvarende nesten samme frekvens (bølgelengde). Hver S.l. møter en viss kvanteovergang.

SPEKTRAL ANALYSE- en fysisk metode for kvalitativ og kvantitativ analyse av den kjemiske sammensetningen av stoffer, basert på studiet av deres optiske spektre. Den er høysensitiv og brukes i kjemi, astrofysikk, metallurgi, geologisk utforskning osv. Det teoretiske grunnlaget for S. a. er .

SPEKTROGRAF- en optisk enhet for innhenting og samtidig registrering av strålingsspekteret. Hoveddelen av S. - optisk prisme eller .

SPEKTROSKOP- en optisk enhet for visuell observasjon av strålingsspekteret. Hoveddelen av linsen er et optisk prisme.

SPEKTROSKOPI- gren av fysikk som studerer optiske spektre for å klargjøre strukturen til atomer, molekyler, samt materie i dens ulike aggregeringstilstander.

ØKE optisk system - forholdet mellom størrelsen på bildet produsert av det optiske systemet og den sanne størrelsen på objektet.

ULTRAFIOLETT STRÅLING- elektromagnetisk stråling med en bølgelengde i vakuum fra 10 nm til 400 nm. De forårsaker også luminescens i mange stoffer. Biologisk aktiv.

FOKALFLY- et plan vinkelrett på den optiske aksen til systemet og som går gjennom hovedfokuset.

FOKUS- punktet der en parallell stråle av lysstråler som passerer gjennom det optiske systemet samles. Hvis strålen er parallell med den optiske hovedaksen til systemet, så ligger strålen på denne aksen og kalles hovedaksen.

FOKALENGDE- avstanden mellom det optiske senteret til en tynn linse og fokus FOTOEFFEKT, fotoelektrisk effekt er fenomenet emisjon av elektroner fra et stoff under påvirkning av elektromagnetisk stråling (ekstern f.). Observert i gasser, væsker og faste stoffer. Oppdaget av G. Hertz og studert av A.G. Stoletov. Grunnmønstre f. forklart på grunnlag av kvantebegreper av A. Einstein.

FARGE- en visuell følelse forårsaket av lys i samsvar med dets spektrale sammensetning og intensiteten til den reflekterte eller utsendte strålingen.

Shemyakov N.F.

Fysikk. Del 3. Bølge- og kvanteoptikk, struktur av atom og kjerne, fysisk bilde av verden.

Det fysiske grunnlaget for bølge- og kvanteoptikk, strukturen til atomet og kjernen, og det fysiske bildet av verden er skissert i samsvar med det generelle fysikkkursprogrammet for tekniske universiteter.

Spesiell oppmerksomhet rettes mot avsløringen av den fysiske betydningen, innholdet i de grunnleggende prinsippene og konseptene for statistisk fysikk, samt den praktiske anvendelsen av fenomenene som vurderes, under hensyntagen til konklusjonene fra klassisk, relativistisk og kvantemekanikk.

Beregnet for 2. års fjernundervisningsstudenter, kan brukes av heltidsstudenter, hovedfagsstudenter og fysikklærere.

Kosmiske byger strømmet fra himmelen og fraktet strømmer av positroner på halen til kometer. Mesoner, til og med bomber dukket opp, alle slags resonanser der...

7. BØLGEOPTIKK

1. Lysets natur

I følge moderne ideer, lys har en partikkelbølgenatur. På den ene siden oppfører lys seg som en strøm av partikler - fotoner, som sendes ut, forplantes og absorberes i form av kvanter. Lysets korpuskulære natur manifesterer seg for eksempel i fenomenene

fotoelektrisk effekt, Compton-effekt. På den annen side har lys bølgeegenskaper. Lys er elektromagnetiske bølger. Lysets bølgenatur manifesterer seg for eksempel i fenomenene interferens, diffraksjon, polarisering, dispersjon, etc. Elektromagnetiske bølger er

tverrgående.

I elektromagnetisk bølge oscillerer vektorer

elektrisk felt E og magnetfelt H, og ikke saken, som for eksempel ved bølger på vann eller i en strukket ledning. Elektromagnetiske bølger forplanter seg i et vakuum med en hastighet på 3 108 m/s. Dermed er lys et reelt fysisk objekt som ikke kan reduseres til verken en bølge eller en partikkel i vanlig forstand. Bølger og partikler er bare to former for materie som viser den samme fysiske enheten.

7.1. Elementer av geometrisk optikk

7.1.1. Huygens prinsipp

	Når bølger forplanter seg i et medium, inkludert
	inkludert elektromagnetiske, for å finne nye
	bølgefront når som helst
	bruke Huygens prinsipp.
	Hvert punkt på bølgefronten er
	kilde til sekundære bølger.
	I et homogent isotropisk medium, bølge
	overflatene til sekundære bølger ser ut som kuler
	radius v t,	hvor v er forplantningshastigheten

	bølger i mediet.	Utfører bølgekonvolutten

av sekundære bølgefronter får vi en ny bølgefront på et gitt tidspunkt (fig. 7.1, a, b).

7.1.2. Lov om refleksjon

Ved å bruke Huygens prinsipp er det mulig å bevise loven om refleksjon av elektromagnetiske bølger ved grensesnittet mellom to dielektrikum.

Innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Strålene, innfallende og reflekterte, sammen med en perpendikulær til grensesnittet mellom to dielektrikum, ligger i

til SD kalles innfallsvinkelen. Hvis fronten av den hendende OB-bølgen på et gitt tidspunkt når punktet O, så er dette punktet i henhold til Huygens prinsipp

begynner å sende ut en sekundær bølge. I løpet av		t = VO1 /v innfallende stråle 2
	når punkt O1. I løpet av samme tid, foran på sekundæren
	bølger, etter refleksjon i punkt O, sprer seg inn i
	det samme miljøet når punkter på halvkulen,
	radius OA = v	t = BO1 .Ny bølgefront
	avbildet av fly AO1, og retningen
	fordeling	OA bjelke. Vinkelen kalles
	refleksjonsvinkel. Fra likestilling av trekanter
	OAO1 og OBO1 følger refleksjonsloven: vinkel
	innfall er lik refleksjonsvinkelen.

	7.1.3. brytningsloven
	Et optisk homogent medium 1 er karakterisert ved absolutt
brytningsindeks
brytningsindeks

	lysets hastighet i vakuum; v1		lysets hastighet i det første mediet.




hvor v2
	Holdning	n2 / n1 = n21

kalles den relative brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første.

Frekvens Hvis lysets forplantningshastighet i det første mediet er v1, og i det andre mediet v2,

miljø (i samsvar med Huygens prinsipp), når punkter på halvkulen, hvis radius OB = v2 t. Den nye fronten av bølgen som forplanter seg i det andre mediet er representert av BO1-planet (fig. 7.3), og dets retning

forplantning av strålene OB og O1 C (vinkelrett på bølgefronten). Vinkelen mellom strålen OB og normalen til grensesnittet mellom to dielektriske i

punkt O kalt brytningsvinkelen. Fra trekanter OAO1

OVO1

det følger at AO1 = OO1 sin

OB = OO1 sin .

Deres holdning uttrykker loven

brytning (Snells lov):

n21.

Forholdet mellom sinus for innfallsvinkel og sinus for vinkel

brytning

slektning

brytningsindeks for to medier.

7.1.4. Total intern refleksjon

I henhold til brytningsloven i grensesnittet mellom to medier er det mulig

observere total indre refleksjon, hvis n1 > n2, dvs.

7.4). Derfor er det en slik begrensende innfallsvinkel

pr når

900. Deretter brytningsloven

har følgende form:

synd pr =

(synd 900 = 1)

Med videre

økende

fullt

reflektert fra grensesnittet mellom to medier.

Dette fenomenet kalles total indre refleksjon og er mye brukt i optikk, for eksempel for å endre retningen til lysstråler (fig. 7.5, a, b). Den brukes i teleskoper, kikkerter, fiberoptikk og andre optiske instrumenter. I klassiske bølgeprosesser, som fenomenet total intern refleksjon av elektromagnetiske bølger,

Det observeres fenomener som ligner tunneleffekten i kvantemekanikk, som er assosiert med partikkelbølgeegenskapene til partikler. Faktisk, når lys passerer fra ett medium til et annet, observeres lysbrytning, assosiert med en endring i hastigheten på dets forplantning i forskjellige medier. I grensesnittet mellom to medier er en lysstråle delt i to: brutt og reflektert. I henhold til brytningsloven har vi at hvis n1 > n2, så observeres ved > pr total intern refleksjon.

Hvorfor skjer dette? Løsningen av Maxwells ligninger viser at lysintensiteten i det andre mediet er forskjellig fra null, men avtar veldig raskt, eksponentielt, med avstand fra

grensesnittet.
	Eksperimentell
observasjon		innvendig
refleksjon er vist i fig. 7,6,
demonstrerer		penetrasjon
lys inn i det "forbudte" området
geometrisk optikk.
		rektangulær

et likebenet glassprisme, en lysstråle faller vinkelrett og uten brytning faller den på flate 2, total intern refleksjon observeres,

/2 fra flate 2 plasserer samme prisme, så vil en lysstråle passere gjennom flate 2* og gå ut av prismet gjennom flate 1* parallelt med strålen som faller inn på flate 1. Intensiteten J til den transmitterte lysfluksen avtar eksponentielt med økende gap h mellom prismene i henhold til loven:

Derfor er penetrering av lys inn i det "forbudte" området en optisk analog av kvantetunneleffekten.

Fenomenet med total intern refleksjon er virkelig komplett, siden i dette tilfellet reflekteres all energien til det innfallende lyset ved grensesnittet mellom to medier enn når det reflekteres, for eksempel fra overflaten til metallspeil. Ved å bruke dette fenomenet kan vi spore et annet

analogien mellom brytning og refleksjon av lys på den ene siden og Vavilov-Cherenkov-stråling på den andre siden.

7.2. BØLGE FORSTYRRELSER

7.2.1. Rollen til vektorene E og H

I praksis kan flere bølger forplante seg samtidig i virkelige medier. Som et resultat av tillegg av bølger observeres en rekke interessante fenomener: interferens, diffraksjon, refleksjon og refraksjon av bølger etc.

Disse bølgefenomenene er karakteristiske ikke bare for mekaniske bølger, men også elektriske, magnetiske, lys osv. Alle elementærpartikler viser også bølgeegenskaper, noe som er bevist av kvantemekanikk.

Et av de mest interessante bølgefenomenene, som observeres når to eller flere bølger forplanter seg i et medium, kalles interferens. Et optisk homogent medium 1 er karakterisert ved

absolutt brytningsindeks
absolutt brytningsindeks

	lysets hastighet i vakuum; v1 lyshastighet i det første mediet.
Medium 2 er karakterisert ved den absolutte brytningsindeksen



hvor v2	lysets hastighet i det andre mediet.
Holdning
Holdning

kalt den relative brytningsindeksen til det andre mediet


	ved å bruke Maxwells teori, eller


	hvor 1, 2 er de dielektriske konstantene til det første og andre mediet.
	For vakuum n = 1. På grunn av spredning (lysfrekvens				1014 Hz), for eksempel,

for vann n = 1,33, og ikke n = 9 (= 81), som følger av elektrodynamikk for lave frekvenser. Lys er elektromagnetiske bølger. Derfor elektromagnetisk

feltet bestemmes av vektorene E og H, som karakteriserer styrken til henholdsvis det elektriske og magnetiske feltet. Imidlertid, i mange prosesser for interaksjon av lys med materie, for eksempel, for eksempel effekten av lys på synsorganene, fotoceller og andre enheter,

den avgjørende rollen tilhører vektoren E, som i optikk kalles lysvektoren.

Alle prosesser som skjer i enheter under påvirkning av lys er forårsaket av virkningen av det elektromagnetiske feltet til en lysbølge på de ladede partiklene som utgjør atomer og molekyler. I disse prosessene er hovedrollen

elektroner spiller på grunn av høy frekvens

svingninger

lys

15 Hz).

nåværende

per elektron fra

elektromagnetisk felt,

Fqe(E

0 },

hvor q e

elektronladning; v

dens hastighet;

magnetisk permeabilitet

miljø;

magnetisk konstant.

Den maksimale verdien av modulen til vektorproduktet til den andre

termin ved v

H, tatt i betraktning

0 H2 =

0 E2,

det viser seg

0 Nve =

og E

lysets hastighet inn

henholdsvis materie og i vakuum;

0 elektrisk

konstant;

dielektrisk konstant for et stoff.

Dessuten, v >>ve, siden lysets hastighet i materien er v

108 m/s, en hastighet

elektron i atom ve

106 m/s. Det er kjent at

syklisk frekvens; Ra

10 10

atomstørrelse spiller en rolle

amplituder av tvungne vibrasjoner av et elektron i et atom.

Derfor,

F ~ qe E, og hovedrollen spilles av vektoren

E heller enn

vektor H. De oppnådde resultatene stemmer godt overens med de eksperimentelle dataene. For eksempel, i Wieners eksperimenter, området for svartning av fotografisk emulsjon under

ved påvirkning av lys faller sammen med antinodene til den elektriske vektoren E.

7.3. Forutsetninger for maksimal og minimum interferens

Fenomenet superposisjon av koherente lysbølger, som et resultat av at det observeres en veksling av lysforsterkning på noen punkter i rommet og svekkelse på andre, kalles lysinterferens.

En nødvendig betingelse lysinterferens er sammenheng

foldede sinusbølger.

Bølger kalles koherente hvis faseforskjellen til de adderte bølgene ikke endres over tid, dvs. = konstant.

Denne betingelsen tilfredsstilles av monokromatiske bølger, dvs. bølger

E, de foldede elektromagnetiske feltene skjedde langs samme eller lignende retninger. I dette tilfellet må det være en tilfeldighet

bare vektorene E, men også H, som vil bli observert bare hvis bølgene forplanter seg langs samme rette linje, dvs. er like polariserte.

La oss finne betingelsene for maksimal og minimum interferens.

For å gjøre dette, vurder tilsetningen av to monokromatiske, koherente lysbølger med samme frekvens (1 = 2 =), med like amplituder (E01 = E02 = E0), som oscillerer i et vakuum i én retning i henhold til sinusloven ( eller cosinus), dvs.

		E01 synd(		01),
		E02 synd(		02),
hvor r1, r2	avstander fra kildene S1 og S2		til observasjonspunktet på skjermen;
01, 02	innledende faser; k =	bølgenummer.
01, 02	innledende faser; k =	bølgenummer.

I henhold til prinsippet om superposisjon (etablert Leonardo da Vinci) intensitetsvektoren til den resulterende oscillasjonen er lik den geometriske summen av intensitetsvektorene til de adderte bølgene, dvs.

E2.

For enkelhets skyld antar vi at de innledende fasene av de brettede bølgene

er lik null, dvs. 01 =

02 = 0. I absolutt verdi har vi

E = E1 + E2 =2E0 sin[

k(r1

k(r2

I (7.16) uttrykket

r1) n =

optisk veiforskjell

sammenleggbare bølger; n

absolutt brytningsindeks for mediet.

For andre medier enn vakuum, for eksempel for vann (n1, 1),

glass (n2, 2), etc. k = k1 n1;

k = k2n2;

1 n1;

2n2;

kalles amplituden til den resulterende bølgen.

Bølgeeffektamplituden bestemmes (for en enhetsbølgefrontflate) Poynting vektor, dvs. modulo

0 E 0 2 cos2 [

k(r2

hvor П = с w,

0E 2

volumetrisk

tetthet

elektromagnetisk felt (for vakuum

1), dvs. P = c

0 E2.

Hvis J= P

intensiteten til den resulterende bølgen, og

J0 = s

0 E 0 2

dens maksimale intensitet, da tatt i betraktning

(7.17) og (7.18) intensitet

den resulterende bølgen vil endre seg i henhold til loven

J = 2J0 (1+ cos).

Faseforskjell av foldede bølger

og er ikke avhengig av tid, hvor

2 = t kr2 +

1 = t kr1 +

Vi finner amplituden til den resulterende bølgen ved å bruke formelen

K(r2

r1)n =

Det er to mulige tilfeller:

1. Maksimal tilstand.

Hvis faseforskjellen til de adderte bølgene er et partall


	1, 2, ..., så vil den resulterende amplituden være maksimal,

	E 02 E 012 E 022 2E 01E 02
	E0 = E01 + E02.
Følgelig øker bølgeamplitudene,		og hvis de er like
(E01 = E02)	den resulterende amplituden dobles.
Den resulterende intensiteten er også maksimal:
	Jmax = 4J0.

Amangeldinov Mustafa Rakhatovich
Student
Nazarbayev intellektuelle skole mustafastu123@ gmail. com

Optikk. Optikks historie Anvendelser av optikk.

Historien om utviklingen av optikk.

Optikk er studiet av lysets natur, lysfenomener og samspillet mellom lys og materie. Og nesten hele historien er historien om en søken etter svaret: hva er lys?

En av de første teoriene om lys, teorien om visuelle stråler, ble fremsatt av den greske filosofen Platon rundt 400 f.Kr. e. Denne teorien antok at stråler kommer fra øyet, som, når de møter gjenstander, belyser dem og skaper utseendet til omverdenen. Platons synspunkter ble støttet av mange eldgamle forskere, og spesielt Euklid (3. århundre f.Kr.), basert på teorien om visuelle stråler, grunnla læren om rettheten i lysets utbredelse og etablerte loven om refleksjon.

I løpet av de samme årene ble følgende fakta oppdaget:

– retthet av lysutbredelse;

– fenomenet lysrefleksjon og refleksjonsloven;

– fenomenet lysbrytning;

– fokuseringseffekt av et konkavt speil.

De gamle grekerne la grunnlaget for grenen av optikk, som senere ble kjent som geometrisk.

Det mest interessante arbeidet med optikk som har kommet ned til oss fra middelalderen, er arbeidet til den arabiske vitenskapsmannen Alhazen. Han studerte refleksjon av lys fra speil, fenomenet brytning og transmisjon av lys i linser. Algazen var den første som uttrykte ideen om at lys har en begrenset forplantningshastighet. Denne hypotesen var et viktig skritt i å forstå lysets natur.

Under renessansen ble det gjort mange forskjellige funn og oppfinnelser; Den eksperimentelle metoden begynte å bli etablert som grunnlag for å studere og forstå omverdenen.

Basert på en rekke eksperimentelle fakta, på midten av 1600-tallet, oppsto to hypoteser om naturen til lysfenomener:

– corpuscular, som antok at lys er en strøm av partikler som kastes ut i høy hastighet av lysende legemer;

– bølge, som hevdet at lys er de langsgående oscillerende bevegelsene til et spesielt lysende medium - eter - opphisset av vibrasjoner av partikler i en lysende kropp.

Hele den videre utviklingen av læren om lys frem til i dag er historien om utviklingen og kampen for disse hypotesene, forfatterne av disse var I. Newton og H. Huygens.

De viktigste bestemmelsene i Newtons korpuskulære teori:

1) Lys består av små partikler av materie som sendes ut i alle retninger i rette linjer, eller stråler, av en lysende kropp, for eksempel et brennende stearinlys. Hvis disse strålene, bestående av blodlegemer, faller inn i øyet vårt, ser vi kilden deres.

2) Lyse blodlegemer har forskjellige størrelser. De største partiklene, når de kommer inn i øyet, gir en følelse av rød farge, de minste - fiolett.

3) Hvit farge er en blanding av alle farger: rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo, fiolett.

4) Refleksjon av lys fra overflaten oppstår på grunn av refleksjon av blodlegemer fra veggen i henhold til loven om absolutt elastisk påvirkning.

5) Fenomenet lysbrytning forklares ved at blodlegemer tiltrekkes av partikler av mediet. Jo tettere mediet er, desto mindre brytningsvinkel er innfallsvinkelen.

6) Fenomenet lysspredning, oppdaget av Newton i 1666, forklarte han som følger. Hver farge er allerede til stede i hvitt lys. Alle farger overføres gjennom det interplanetære rommet og atmosfæren sammen og produserer effekten av hvitt lys. Hvitt lys - en blanding av forskjellige blodlegemer - gjennomgår brytning etter å ha passert gjennom et prisme. Fra et synspunkt av mekanisk teori skyldes brytning krefter fra glasspartikler som virker på lyslegemer. Disse kreftene er forskjellige for forskjellige blodlegemer. De er størst for fiolett og minst for rødt. Banen til blodlegemene i prismet vil bli brutt forskjellig for hver farge, så den hvite komplekse strålen vil splittes i fargede komponentstråler.

7) Newton skisserte måter å forklare dobbel brytning, og antok at lysstråler har "forskjellige sider" - en spesiell egenskap som bestemmer deres forskjellige brytning når de passerer gjennom et dobbeltbrytende legeme.

Newtons korpuskulære teori forklarte tilfredsstillende mange optiske fenomener kjent på den tiden. Forfatteren nøt enorm prestisje i den vitenskapelige verden, og Newtons teori fikk snart mange tilhengere i alle land.

Synspunkter på lysets natur på 1800- og 1900-tallet.

I 1801 utførte T. Jung et eksperiment som forbløffet forskere over hele verden: S - lyskilde; E – skjerm; B og C er svært smale spalter med en avstand på 1-2 mm fra hverandre.

I følge Newtons teori skulle det vises to lyse striper på skjermen, faktisk dukket det opp flere lyse og mørke striper, og en lys linje P dukket opp rett overfor gapet mellom spaltene B og C. Erfaring har vist at lys er et bølgefenomen. Jung utviklet Huygens sin teori med ideer om partikkelvibrasjoner og frekvensen av vibrasjoner. Han formulerte interferensprinsippet, basert på hvilket han forklarte fenomenet diffraksjon, interferens og farge på tynne plater.

Den franske fysikeren Fresnel kombinerte Huygens prinsipp om bølgebevegelser og Youngs prinsipp om interferens. På dette grunnlaget utviklet han en streng matematisk teori om diffraksjon. Fresnel var i stand til å forklare alle optiske fenomener kjent på den tiden.

Grunnleggende prinsipper for Fresnel-bølgeteori.

– Lys er forplantningen av vibrasjoner i eteren med en hastighet der eterens elastisitetsmodul er, r er tettheten til eteren;

– Lysbølger er tverrgående;

– Den lette eteren har egenskapene til en elastisk-fast kropp og er absolutt ukomprimerbar.

Når du beveger deg fra et medium til et annet, endres ikke eterens elastisitet, men dens tetthet endres. Relativ brytningsindeks for et stoff.

Tverrgående vibrasjoner kan forekomme samtidig i alle retninger vinkelrett på bølgeutbredelsesretningen.

Fresnels arbeid har vunnet anerkjennelse fra forskere. Snart dukket det opp en rekke eksperimentelle og teoretiske arbeider som bekreftet lysets bølgenatur.

På midten av 1800-tallet begynte man å oppdage fakta som indikerer en sammenheng mellom optiske og elektriske fenomener. I 1846 observerte M. Faraday rotasjoner av polariseringsplanene til lys i legemer plassert i et magnetfelt. Faraday introduserte begrepet elektriske og magnetiske felt som særegne overlagringer i eteren. En ny "elektromagnetisk eter" har dukket opp. Den engelske fysikeren Maxwell var den første som gjorde oppmerksom på disse synspunktene. Han utviklet disse ideene og bygde en teori om det elektromagnetiske feltet.

Den elektromagnetiske teorien om lys strøk ikke over den mekaniske teorien til Huygens-Young-Fresnel, men satte den på et nytt nivå. I 1900 la den tyske fysikeren Planck frem en hypotese om strålingens kvantenatur. Dens essens var som følger:

– lysutslipp er diskret i naturen;

– absorpsjon skjer også i diskrete porsjoner, quanta.

Energien til hvert kvante er representert av formelenE=hn , Hvorh er Plancks konstant, og n er lysets frekvens.

Fem år etter Planck ble arbeidet til den tyske fysikeren Einstein om den fotoelektriske effekten publisert. Einstein mente:

– lys som ennå ikke har interagert med materie har en granulær struktur;

– Det strukturelle elementet i diskret lysstråling er fotonet.

I 1913 publiserte den danske fysikeren N. Bohr teorien om atomet, der han kombinerte Planck-Einsteins kvanteteori med et bilde av atomets kjernefysiske struktur.

Dermed dukket det opp en ny kvanteteori om lys, født på grunnlag av Newtons korpuskulære teori. Et kvante fungerer som et blodlegeme.

Grunnleggende bestemmelser.

– Lys sendes ut, forplantes og absorberes i diskrete porsjoner - quanta.

– Et lyskvantum - et foton bærer energi proporsjonal med frekvensen til bølgen som det er beskrevet med elektromagnetisk teoriE=hn .

– Et foton har masse (), momentum og vinkelmomentum ().

– Et foton, som en partikkel, eksisterer bare i bevegelse hvis hastighet er hastigheten på lysets forplantning i et gitt medium.

– For alle interaksjoner som et foton deltar i, er de generelle lovene for bevaring av energi og momentum gyldige.

– Et elektron i et atom kan bare være i noen diskrete stabile stasjonære tilstander. Å være i stasjonære tilstander, utstråler ikke et atom energi.

– Ved overgang fra en stasjonær tilstand til en annen sender (absorberer) et atom et foton med en frekvens (hvorE 1 OgE 2 – energier til start- og slutttilstanden).

Med fremveksten av kvanteteori ble det klart at korpuskulære og bølgeegenskaper bare er to sider, to innbyrdes beslektede manifestasjoner av lysets essens. De gjenspeiler ikke den dialektiske enheten av diskrethet og kontinuitet i materien, uttrykt i den samtidige manifestasjonen av bølge- og korpuskulære egenskaper. Den samme strålingsprosessen kan beskrives både ved bruk av et matematisk apparat for bølger som forplanter seg i rom og tid, og ved bruk av statistiske metoder for å forutsi opptreden av partikler på et gitt sted og til et gitt tidspunkt. Begge disse modellene kan brukes samtidig, og avhengig av forholdene foretrekkes en av dem.

Prestasjoner de siste årene innen optikk ble gjort mulig takket være utviklingen av både kvantefysikk og bølgeoptikk. I dag fortsetter teorien om lys å utvikle seg.

Bølgeegenskaper til lys og geometrisk optikk.

Optikk er en gren av fysikk som studerer lysets egenskaper og fysiske natur, så vel som dets interaksjon med materie.

De enkleste optiske fenomenene, som tilstedeværelsen av skygger og produksjon av bilder i optiske instrumenter, kan forstås innenfor rammen av geometrisk optikk, som opererer med begrepet individuelle lysstråler som adlyder de kjente lovene om brytning og refleksjon og er uavhengig av hverandre. For å forstå mer komplekse fenomener trengs fysisk optikk, som vurderer disse fenomenene i sammenheng med lysets fysiske natur. Fysisk optikk gjør det mulig å utlede alle lovene for geometrisk optikk og etablere grensene for deres anvendelighet. Uten kunnskap om disse grensene kan den formelle anvendelsen av lovene for geometrisk optikk i spesifikke tilfeller føre til resultater som motsier de observerte fenomenene. Derfor kan man ikke begrense seg til den formelle konstruksjonen av geometrisk optikk, men må se på den som en gren av fysisk optikk.

Konseptet med en lysstråle kan oppnås ved å betrakte en ekte lysstråle i et homogent medium, hvorfra en smal parallell stråle er isolert ved hjelp av en membran. Jo mindre diameteren på disse hullene er, desto smalere er den isolerte strålen, og i grensen, å gå til så små hull som ønsket, ser det ut til at en lysstråle kan oppnås som en rett linje. Men en slik prosess med å isolere en vilkårlig smal stråle (stråle) er umulig på grunn av fenomenet diffraksjon. Den uunngåelige vinkelutvidelsen til en ekte lysstråle som går gjennom en diafragma med diameter D, bestemmes av diffraksjonsvinkelen j~l/D . Bare i det begrensende tilfellet, når l = 0, ville en slik utvidelse ikke finne sted, og man kan snakke om strålen som en geometrisk linje, hvis retning bestemmer lysenergiens utbredelsesretning.

En lysstråle er således et abstrakt matematisk konsept, og geometrisk optikk er et omtrentlig grensetilfelle som bølgeoptikk går inn i når bølgelengden til lys har en tendens til null.

Øyet som et optisk system.

Det menneskelige synsorganet er øynene, som i mange henseender representerer et svært avansert optisk system.

Generelt er det menneskelige øyet en sfærisk kropp med en diameter på ca. 2,5 cm, som kalles øyeeplet (fig. 5). Det ugjennomsiktige og slitesterke ytre laget av øyet kalles sclera, og dets gjennomsiktige og mer konvekse fremre del kalles hornhinnen. På innsiden er scleraen dekket med en årehinne, bestående av blodårer som forsyner øyet. På motsatt side av hornhinnen går årehinnen inn i iris, forskjellig farget hos forskjellige mennesker, som er atskilt fra hornhinnen med et kammer som inneholder en gjennomsiktig vannaktig masse.

Iris har et rundt hull kalt pupillen, hvis diameter kan variere. Dermed spiller iris rollen som en diafragma, og regulerer tilgangen til lys til øyet. I sterkt lys blir pupillen mindre, og i dårlig lys forstørres den. Inne i øyeeplet bak iris er linsen, som er en bikonveks linse laget av et gjennomsiktig stoff med en brytningsindeks på omtrent 1,4. Linsen er omgitt av en ringmuskel, som kan endre krumningen av overflatene, og derfor dens optiske kraft.

Årehinnen på innsiden av øyet er dekket med grener av den lysfølsomme nerven, spesielt tett foran pupillen. Disse grenene danner netthinnen, hvor det faktiske bildet av objekter skapt av øyets optiske system oppnås. Rommet mellom netthinnen og linsen er fylt med et gjennomsiktig glasslegeme, som har en gelatinøs struktur. Bildet av gjenstander på netthinnen er omvendt. Men aktiviteten til hjernen, som mottar signaler fra den lysfølsomme nerven, gjør at vi kan se alle objekter i naturlige posisjoner.

Når ringmuskelen i øyet er avslappet, oppnås bildet av fjerne objekter på netthinnen. Generelt er øyets struktur slik at en person kan se objekter som befinner seg ikke nærmere enn 6 meter fra øyet uten belastning. I dette tilfellet oppnås bildet av nærmere gjenstander bak netthinnen. For å få et klart bilde av et slikt objekt, komprimerer den ringformede muskelen linsen mer og mer inntil bildet av objektet vises på netthinnen, og holder deretter linsen i en komprimert tilstand.

Således utføres "fokusering" av det menneskelige øyet ved å endre den optiske kraften til linsen ved hjelp av den ringformede muskelen. Evnen til øyets optiske system til å lage klare bilder av objekter som befinner seg i forskjellige avstander fra det er kalt innkvartering (fra latin "overnatting" - tilpasning). Når du ser på objekter som er veldig fjerne, kommer parallelle stråler inn i øyet. I dette tilfellet sies øyet å være imøtekommet til det uendelige.

Innkvarteringen av øyet er ikke uendelig. Ved hjelp av den ringformede muskelen kan øyets optiske kraft øke med ikke mer enn 12 dioptrier. Når man ser på nærliggende gjenstander i lang tid, blir øyet slitent, og den ringformede muskelen begynner å slappe av og bildet av gjenstanden uskarpt.

Menneskelige øyne lar oss se objekter tydelig, ikke bare i dagslys. Øyets evne til å tilpasse seg varierende grad av irritasjon av endene til den lysfølsomme nerven på netthinnen, d.v.s. til ulik grad av lysstyrke av observerte objekter kalles tilpasning.

Konvergensen av øynenes visuelle akser på et bestemt punkt kalles konvergens. Når gjenstander er plassert i betydelig avstand fra en person, så når du flytter øynene fra ett objekt til et annet, endres øyeaksene praktisk talt ikke, og personen mister evnen til å bestemme objektets posisjon korrekt. Når objekter er veldig langt unna, er øyeaksene parallelle, og en person kan ikke engang bestemme om objektet han ser på beveger seg eller ikke. Kraften til den ringformede muskelen, som komprimerer linsen når du ser på objekter som befinner seg nær en person, spiller også en viss rolle for å bestemme kroppens posisjon.

Spektroskop.

Et spektroskop brukes til å observere spektre.

Det vanligste prismatiske spektroskopet består av to rør, mellom hvilke et trekantet prisme er plassert.

I rør A, kalt kollimator, er det en smal spalte, hvis bredde kan justeres ved å skru på en skrue. En lyskilde er plassert foran spalten, hvis spektrum må undersøkes. Spalten er plassert i kollimatorens plan, og derfor går lysstrålene fra kollimatoren ut i form av en parallell stråle. Etter å ha passert gjennom prismet, blir lysstrålene rettet inn i rør B, hvorigjennom spekteret observeres. Hvis et spektroskop er beregnet for målinger, legges et bilde av en skala med inndelinger på bildet av spekteret ved hjelp av en spesiell enhet, som lar deg nøyaktig bestemme posisjonen til fargelinjene i spekteret.

Optisk måleenhet.

En optisk måleenhet er et måleinstrument der sikting (innretting av grensene til et kontrollert objekt med en hårfeste, trådkors osv.) eller størrelsesbestemmelse utføres ved hjelp av en enhet med et optisk driftsprinsipp. Det er tre grupper av optiske måleinstrumenter: enheter med et optisk sikteprinsipp og en mekanisk metode for å rapportere bevegelse; enheter med optisk sikt og bevegelsesrapportering; enheter som har mekanisk kontakt med måleenheten, med en optisk metode for å bestemme bevegelsen til kontaktpunktene.

De første enhetene som ble utbredt var projektorer for måling og overvåking av deler med komplekse konturer og små størrelser.

Den vanligste andre enheten er et universelt målemikroskop, der delen som måles beveger seg på en langsgående vogn, og hodemikroskopet beveger seg på en tverrgående vogn.

Enheter fra den tredje gruppen brukes til å sammenligne målte lineære størrelser med mål eller skalaer. De er vanligvis kombinert under det generelle navnet komparatorer. Denne gruppen av enheter inkluderer en optimeter (optiker, målemaskin, kontaktinterferometer, optisk avstandsmåler, etc.).

Optiske måleinstrumenter er også utbredt innen geodesi (nivå, teodolitt osv.).

Teodolitt er et geodetisk instrument for å bestemme retninger og måle horisontale og vertikale vinkler under geodetisk arbeid, topografi og oppmåling, i konstruksjon mv.

Nivå - et geodetisk instrument for å måle høyder av punkter på jordens overflate - nivellering, samt for å sette horisontale retninger under installasjon, etc. virker.

I navigasjon er en sekstant mye brukt - et goniometrisk speilreflekterende instrument for å måle høyden til himmellegemer over horisonten eller vinklene mellom synlige objekter for å bestemme koordinatene til observatørens plass. Den viktigste egenskapen til sekstanten er evnen til samtidig å kombinere to objekter i observatørens synsfelt, mellom hvilke vinkelen måles, noe som gjør at sekstanten kan brukes på et fly eller på et skip uten merkbar reduksjon i nøyaktighet, selv under pitching.

En lovende retning i utviklingen av nye typer optiske måleinstrumenter er å utstyre dem med elektroniske leseapparater som gjør det mulig å forenkle avlesing og sikting mv.

Konklusjon.

Optikkens praktiske betydning og dens innflytelse på andre kunnskapsgrener er ekstremt stor. Oppfinnelsen av teleskopet og spektroskopet åpnet for mennesket en utrolig og rik verden av fenomener som forekommer i det enorme universet. Oppfinnelsen av mikroskopet revolusjonerte biologien. Fotografering har hjulpet og fortsetter å hjelpe nesten alle grener av vitenskapen. En av de viktigste elementene i vitenskapelig utstyr er linsen. Uten det ville det ikke vært noe mikroskop, teleskop, spektroskop, kamera, kino, TV, etc. det ville ikke være briller, og mange mennesker over 50 ville ikke kunne lese og gjøre mange jobber som krever syn.

Utvalget av fenomener studert av fysisk optikk er svært omfattende. Optiske fenomener er nært beslektet med fenomener studert i andre grener av fysikk, og optiske forskningsmetoder er blant de mest subtile og nøyaktige. Derfor er det ikke overraskende at optikk i lang tid spilte en ledende rolle i mange grunnleggende studier og utviklingen av grunnleggende fysiske synspunkter. Det er nok å si at begge hovedfysiske teorier fra forrige århundre - relativitetsteorien og kvanteteorien - oppsto og utviklet seg i stor grad på grunnlag av optisk forskning. Oppfinnelsen av lasere har åpnet for store nye muligheter, ikke bare innen optikk, men også i dens anvendelser i ulike grener av vitenskap og teknologi.

Bibliografi. Artsybyshev S.A. Fysikk - M.: Medgiz, 1950.

Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fysikk for videregående utdanningsinstitusjoner - M.: Nauka, 1981.

Landsberg G.S. Optikk - M.: Nauka, 1976.

Landsberg G.S. Lærebok i elementær fysikk. - M.: Nauka, 1986.

Prokhorov A.M. Stor sovjetisk leksikon. - M.: Soviet Encyclopedia, 1974.

Sivukhin D.V. Generelt kurs i fysikk: Optikk - M.: Nauka, 1980.

- Historien om utviklingen av optikk.

- Grunnleggende bestemmelser i Newtons korpuskulære teori.

- Grunnleggende bestemmelser i Huygens' bølgeteori.

- Synspunkter på lysets natur i XIX – XX århundrer.

- Grunnleggende prinsipper for optikk.

- Bølgeegenskaper til lys og geometrisk optikk.

- Øyet som et optisk system.

- Spektroskop.

- Optisk måleenhet.

- Konklusjon.

- Liste over brukt litteratur.

Historien om utviklingen av optikk.

Optikk er studiet av lysets natur, lysfenomener og samspillet mellom lys og materie. Og nesten hele historien er historien om en søken etter svaret: hva er lys?

I løpet av de samme årene ble følgende fakta oppdaget:

- rett utbredelse av lys;

– fenomenet lysrefleksjon og loven om refleksjon;

– fenomenet lysbrytning;

– fokuseringseffekt av et konkavt speil.

De gamle grekerne la grunnlaget for grenen av optikk, som senere ble kjent som geometrisk.

trinn i å forstå lysets natur.

Under renessansen ble det gjort mange forskjellige funn og oppfinnelser; Den eksperimentelle metoden begynte å bli etablert som grunnlag for å studere og forstå omverdenen.

Basert på en rekke eksperimentelle fakta, på midten av 1600-tallet, oppsto to hypoteser om naturen til lysfenomener:

– corpuscular, som antok at lys er en strøm av partikler som kastes ut i høy hastighet av lysende legemer;

- bølge, som hevdet at lys er de langsgående oscillerende bevegelsene til et spesielt lysende medium - eter - opphisset av vibrasjoner av partikler i en lysende kropp.

Hele den videre utviklingen av læren om lys frem til i dag er historien om utviklingen og kampen for disse hypotesene, forfatterne av disse var I. Newton og H. Huygens.

De viktigste bestemmelsene i Newtons korpuskulære teori:

2) Lyse blodlegemer har forskjellige størrelser. De største partiklene, når de kommer inn i øyet, gir en følelse av rød farge, de minste - fiolett.

3) Hvit farge er en blanding av alle farger: rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo, fiolett.

4) Refleksjon av lys fra overflaten oppstår på grunn av refleksjon av blodlegemer fra veggen i henhold til loven om absolutt elastisk påvirkning (fig. 2).

5) Fenomenet lysbrytning forklares ved at blodlegemer tiltrekkes av partikler av mediet. Jo tettere mediet er, desto mindre brytningsvinkel er innfallsvinkelen.

7) Newton skisserte måter å forklare dobbel brytning, og antok at lysstråler har "forskjellige sider" - en spesiell egenskap som gjør at de er forskjellige i brytning når de passerer gjennom et dobbeltbrytende legeme.

Grunnleggende prinsipper for Huygens' bølgeteori om lys.

1) Lys er forplantningen av elastiske periodiske impulser i eteren. Disse impulsene er langsgående og ligner på lydimpulser i luft.

2) Eter er et hypotetisk medium som fyller himmelrommet og hullene mellom partikler av kropper. Den er vektløs, adlyder ikke loven om universell gravitasjon og har stor elastisitet.

3) Prinsippet for forplantning av etervibrasjoner er slik at hvert av dets punkter, som eksitasjonen når, er sentrum for sekundære bølger. Disse bølgene er svake, og effekten observeres bare der konvolutten deres passerer

overflate – bølgefront (Huygens-prinsippet) (fig. 3).

Lysbølger som kommer direkte fra kilden forårsaker følelsen av syn.

Et veldig viktig poeng i Huygens' teori var antakelsen om at lysets forplantningshastighet er begrenset. Ved å bruke prinsippet hans var forskeren i stand til å forklare mange fenomener innen geometrisk optikk:

– fenomenet lysrefleksjon og dets lover;

– fenomenet lysbrytning og dets lover;

– fenomenet total intern refleksjon;

– fenomenet dobbel refraksjon;

– prinsippet om uavhengighet av lysstråler.

Huygens 'teori ga følgende uttrykk for brytningsindeksen til et medium:

Fra formelen er det klart at lyshastigheten skal avhenge omvendt av den absolutte verdien til mediet. Denne konklusjonen var det motsatte av konklusjonen som kom fra Newtons teori. Det lave nivået av eksperimentell teknologi på 1600-tallet gjorde det umulig å fastslå hvilken teori som var riktig.

Mange tvilte på Huygens' bølgeteori, men blant de få tilhengerne av bølgesyn på lysets natur var M. Lomonosov og L. Euler. Med forskningen til disse forskerne begynte Huygens teori å ta form som en teori om bølger, og ikke bare aperiodiske svingninger som forplanter seg i eteren.

Synspunkter på lysets natur i XIX - XX århundrer.

I 1801 utførte T. Jung et eksperiment som forbløffet forskere over hele verden (fig. 4)

S - lyskilde;

E – skjerm;

B og C er svært smale spalter med en avstand på 1-2 mm fra hverandre.

Grunnleggende prinsipper for Fresnel-bølgeteori.

– Lys – forplantning av vibrasjoner i eteren med en hastighet der eterens elastisitetsmodul er, r– etertetthet;

– Lysbølger er tverrgående;

– Den lette eteren har egenskapene til en elastisk-fast kropp og er absolutt ukomprimerbar.

Når du beveger deg fra et medium til et annet, endres ikke eterens elastisitet, men dens tetthet endres. Relativ brytningsindeks for et stoff.

Tverrgående vibrasjoner kan forekomme samtidig i alle retninger vinkelrett på bølgeutbredelsesretningen.

Fresnels arbeid har vunnet anerkjennelse fra forskere. Snart dukket det opp en rekke eksperimentelle og teoretiske arbeider som bekreftet lysets bølgenatur.

– lysutslipp er diskret i naturen;

– absorpsjon skjer også i diskrete porsjoner, quanta.

Energien til hvert kvante er representert av formelen E = h n, Hvor h er Plancks konstant, og n er lysets frekvens.

Fem år etter Planck ble arbeidet til den tyske fysikeren Einstein om den fotoelektriske effekten publisert. Einstein mente:

– lys som ennå ikke har interagert med materie har en granulær struktur;

– det strukturelle elementet i diskret lysstråling er et foton.

Dermed dukket det opp en ny kvanteteori om lys, født på grunnlag av Newtons korpuskulære teori. Et kvante fungerer som et blodlegeme.

Grunnleggende bestemmelser.

– Lys sendes ut, forplantes og absorberes i diskrete porsjoner - quanta.

– Kvantum av lys – et foton bærer energi proporsjonal med frekvensen til bølgen som det er beskrevet med elektromagnetisk teori E = h n .

– Et foton har masse (), momentum og vinkelmomentum ().

– Et foton, som en partikkel, eksisterer bare i bevegelse hvis hastighet er hastigheten på lysets forplantning i et gitt medium.

– For alle interaksjoner som et foton deltar i, er de generelle lovene for bevaring av energi og momentum gyldige.

– Et elektron i et atom kan bare være i enkelte diskrete stabile stasjonære tilstander. Å være i stasjonære tilstander, utstråler ikke et atom energi.

– Ved overgang fra en stasjonær tilstand til en annen sender (absorberer) et atom et foton med en frekvens (hvor E1 Og E2– energier til start- og slutttilstanden).

Prestasjoner de siste årene innen optikk ble gjort mulig takket være utviklingen av både kvantefysikk og bølgeoptikk. I dag fortsetter teorien om lys å utvikle seg.

Optikk er en gren av fysikk som studerer lysets egenskaper og fysiske natur, så vel som dets interaksjon med materie.

Konseptet med en lysstråle kan oppnås ved å betrakte en ekte lysstråle i et homogent medium, hvorfra en smal parallell stråle er isolert ved hjelp av en membran. Jo mindre diameteren på disse hullene er, desto smalere er den isolerte strålen, og i grensen, å gå til så små hull som ønsket, ser det ut til at en lysstråle kan oppnås som en rett linje. Men en slik prosess med å isolere en vilkårlig smal stråle (stråle) er umulig på grunn av fenomenet diffraksjon. Den uunngåelige vinkelutvidelsen av en ekte lysstråle som går gjennom en diafragma med diameter D bestemmes av diffraksjonsvinkelen j ~ l / D. Bare i det ekstreme tilfellet når l=0, en slik utvidelse ville ikke finne sted, og man kan snakke om strålen som en geometrisk linje, hvis retning bestemmer forplantningsretningen til lysenergi.

En lysstråle er således et abstrakt matematisk konsept, og geometrisk optikk er et omtrentlig grensetilfelle som bølgeoptikk går inn i når bølgelengden til lys har en tendens til null.

Øyet som et optisk system.

Det menneskelige synsorganet er øynene, som i mange henseender representerer et svært avansert optisk system.

Dermed utføres "fokusering" av det menneskelige øyet ved å endre den optiske kraften til linsen ved å bruke den ringformede muskelen. Evnen til øyets optiske system til å lage distinkte bilder av objekter som befinner seg i forskjellige avstander fra det kalles innkvartering (fra det latinske "overnatting" - tilpasning). Når du ser på objekter som er veldig fjerne, kommer parallelle stråler inn i øyet. I dette tilfellet sies øyet å være imøtekommet til det uendelige.

Konvergensen av øynenes visuelle akser på et bestemt punkt kalles konvergens. Når gjenstander er plassert i betydelig avstand fra en person, så når du flytter øynene fra ett objekt til et annet, endres øyeaksene praktisk talt ikke, og personen mister evnen til å bestemme objektets posisjon korrekt. Når objekter er veldig langt unna, er øyeaksene parallelle, og en person kan ikke engang bestemme om objektet han ser på beveger seg eller ikke. Kraften til den ringformede muskelen, som komprimerer linsen når du ser på objekter som befinner seg nær personen, spiller også en viss rolle i å bestemme kroppens posisjon. sau

Område oscop.

Et spektroskop brukes til å observere spektre.

Det vanligste prismatiske spektroskopet består av to rør, mellom hvilke et trekantet prisme er plassert (fig. 7).

De første enhetene som ble utbredt var projektorer for måling og overvåking av deler med komplekse konturer og små størrelser.

Den vanligste andre enheten er et universelt målemikroskop, der delen som måles beveger seg på en langsgående vogn, og hodemikroskopet beveger seg på en tverrgående vogn.

Optiske måleinstrumenter er også utbredt innen geodesi (nivå, teodolitt osv.).

Teodolitt er et geodetisk instrument for å bestemme retninger og måle horisontale og vertikale vinkler under geodetisk arbeid, topografi og oppmåling, i konstruksjon mv.

Nivå - et geodetisk instrument for å måle høyder av punkter på jordens overflate - nivellering, samt for å sette horisontale retninger under installasjon, etc. virker.

En lovende retning i utviklingen av nye typer optiske måleinstrumenter er å utstyre dem med elektroniske leseapparater som gjør det mulig å forenkle avlesing og sikting mv.

Konklusjon.

Moskva utdanningskomité

Verden O R T

Moskva teknologiske høyskole

Institutt for naturvitenskap

Avsluttende arbeid i fysikk

Om temaet :

Utført av elev av gruppe 14: Ryazantseva Oksana

Lærer: Gruzdeva L.N.

- Artsybyshev S.A. Fysikk - M.: Medgiz, 1950.

- Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fysikk for videregående utdanningsinstitusjoner - M.: Nauka, 1981.

- Landsberg G.S. Optikk - M.: Nauka, 1976.

- Landsberg G.S. Lærebok i elementær fysikk. - M.: Nauka, 1986.

- Prokhorov A.M. Stor sovjetisk leksikon. - M.: Soviet Encyclopedia, 1974.

- Sivukhin D.V. Generelt kurs i fysikk: Optikk - M.: Nauka, 1980.