Cum ajută oamenii optica din fizică. Optica ca ramură a fizicii. Optica cuantică și fiziologică

Oamenii de știință din antichitate, care au trăit în secolul al V-lea î.Hr., au sugerat că totul în natură și în această lume este condiționat și că numai atomii și goliciunea pot fi numiți realitate. Până în prezent, s-au păstrat documente istorice importante care confirmă conceptul de structură a luminii ca un flux constant de particule care au anumite proprietăți fizice. Cu toate acestea, chiar termenul „optică” va apărea mult mai târziu. Semințele unor filosofi precum Democrit și Euclid, semănate în timpul înțelegerii structurii tuturor proceselor care au loc pe pământ, și-au dat lăstarii. Abia la începutul secolului al XIX-lea, optica clasică a reușit să-și dobândească trăsăturile caracteristice, recunoscute de oamenii de știință moderni, și a apărut ca o știință cu drepturi depline.

Definiția 1

Optica este o ramură imensă a fizicii care studiază și ia în considerare fenomenele legate direct de propagarea undelor electromagnetice puternice în spectrul vizibil, precum și în intervalele apropiate acestuia.

Clasificarea principală a acestei secțiuni corespunde dezvoltării istorice a teoriei specificului structurii luminii:

geometric - secolul III î.Hr. (Euclid);
fizic - secolul al XVII-lea (Huygens);
cuantic - secolul XX (Planck).

Optica caracterizează pe deplin proprietățile de refracție ale luminii și explică fenomenele legate direct de această problemă. Metodele și principiile sistemelor optice și sunt utilizate în multe discipline aplicate, inclusiv fizică, inginerie electrică, medicină (în special oftalmologie). În acestea, precum și în domeniile interdisciplinare, realizările opticii aplicate sunt foarte populare, care, împreună cu mecanica de precizie, creează o bază solidă pentru industria optico-mecanică.

Natura luminii

Optica este considerată una dintre primele și principalele ramuri ale fizicii, unde au fost prezentate limitările ideilor antice despre natură.

Ca rezultat, oamenii de știință au reușit să stabilească dualitatea fenomenelor naturale și a luminii:

ipoteza corpusculară a luminii, originară din Newton, studiază acest proces ca un flux de particule elementare - fotoni, unde absolut orice radiație este efectuată discret, iar porțiunea minimă a puterii unei energii date are o frecvență și o valoare corespunzătoare intensitatea luminii emise;
teoria undelor luminii, originară din Huygens, implică conceptul de lumină ca un set de unde electromagnetice monocromatice paralele observate în fenomenele optice și prezentate ca urmare a acțiunilor acestor unde.

Cu astfel de proprietăți ale luminii, absența tranziției puterii și energiei radiației în alte tipuri de energie este considerată un proces complet normal, deoarece undele electromagnetice nu interacționează între ele în mediul spațial al fenomenelor de interferență, deoarece efectele luminii continuă să se propagă fără a le schimba specificitatea.

Ipotezele valurilor și corpusculare ale radiațiilor electrice și magnetice și-au găsit aplicarea în lucrările științifice ale lui Maxwell sub formă de ecuații.

Acest nou concept al luminii ca undă în mișcare constantă face posibilă explicarea proceselor asociate cu difracția și interferența, inclusiv structura câmpului luminos.

Caracteristicile luminii

Lungimea undei de lumină $ \ lambda $ depinde direct de viteza generală de propagare a acestui fenomen în mediul spațial $ v $ și este legată de frecvența $ \ nu $ după cum urmează:

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

unde $ n $ este parametrul de refracție al mediului. În general, acest exponent este funcția principală a lungimii de undă electromagnetice: $ n = n (\ lambda) $.

Dependența indicelui de refracție de lungimea de undă se manifestă sub forma fenomenului de dispersie sistematică a luminii. Conceptul universal și încă slab înțeles în fizică este viteza luminii $ c $. Semnificația sa specială în goliciunea absolută este nu numai rata maximă de diseminare a frecvențelor electromagnetice puternice, ci și intensitatea maximă a diseminării informațiilor sau a altor impacturi fizice asupra obiectelor materiale. Cu o creștere a mișcării fluxului de lumină în diferite zone, viteza inițială a luminii $ v $ scade adesea: $ v = \ frac (c) (n) $.

Principalele caracteristici ale luminii sunt:

compoziția spectrală și complexă, determinată de scara lungimilor de undă ale luminii;
polarizarea, care este determinată de schimbarea generală a mediului spațial al vectorului electric prin propagarea undelor;
direcția de diseminare a fasciculului de lumină, care ar trebui să coincidă cu frontul de undă în absența birefringenței.

Optica cuantică și fiziologică

Ideea unei descrieri detaliate a câmpului electromagnetic care utilizează cuantele a apărut la începutul secolului al XX-lea și a fost exprimată de Max Planck. Oamenii de știință au sugerat că emisia constantă de lumină se realizează prin intermediul anumitor particule - cuantă. Treizeci de ani mai târziu, s-a dovedit că lumina nu este emisă doar parțial și în paralel, ci și absorbită.

Acest lucru a făcut posibil ca Albert Einstein să definească structura discretă a luminii. În zilele noastre, oamenii de știință numesc cuantele luminoase fotoni, iar fluxul în sine este considerat ca un grup integral de elemente. Astfel, în optica cuantică, lumina este considerată atât ca un flux de particule, cât și ca unde în același timp, deoarece procesele precum interferența și difracția nu pot fi explicate printr-un singur flux de fotoni.

La mijlocul secolului al XX-lea, activitățile de cercetare ale lui Brown-Twiss au făcut posibilă determinarea mai precisă a teritoriului utilizării opticii cuantice. Munca savantului a demonstrat că un anumit număr de surse de lumină care emit fotoni către doi fotodetectori și trimit un semnal sonor constant despre înregistrarea elementelor pot face ca dispozitivele să funcționeze simultan.

Introducerea utilizării practice a luminii neclasice a condus cercetătorii la rezultate incredibile. În acest sens, optica cuantică reprezintă o direcție modernă unică, cu oportunități enorme de cercetare și aplicare.

Observația 1

Optica modernă a inclus mult timp multe domenii ale lumii științifice și evoluții care sunt în căutare și popularitate.

Aceste zone ale științei optice sunt direct legate de proprietățile electromagnetice sau cuantice ale luminii, inclusiv alte zone.

Definiția 2

Optica fiziologică este o nouă știință interdisciplinară care studiază percepția vizuală a luminii și combină informații despre biochimie, biofizică și psihologie.

Ținând cont de toate legile opticii, această ramură a științei se bazează pe științele indicate și are o direcție practică specială. Elementele aparatului vizual sunt studiate și se acordă o atenție specială fenomenelor unice precum iluzia optică și halucinațiile. Rezultatele muncii în acest domeniu sunt utilizate în fiziologie, medicină, tehnologie optică și industria filmului.

Astăzi, cuvântul optică este folosit mai des ca nume al unui magazin. Bineînțeles, în astfel de puncte specializate este posibil să achiziționați o varietate de dispozitive optice tehnice - lentile, ochelari, mecanisme de protecție a vederii. În această etapă, magazinele dispun de echipamente moderne care le permit să determine cu exactitate acuitatea vizuală pe loc, precum și să stabilească problemele existente și modalitățile de eliminare a acestora.

CORP ABSOLUT NEGRU- un model mental al unui corp, care la orice temperatură absoarbe complet toate radiațiile electromagnetice incidente asupra acestuia, indiferent de compoziția spectrală. Radiația A.ch.t. este determinat doar de temperatura sa absolută și nu depinde de natura substanței.

LUMINĂ ALBĂ- complex electromagnetic radiații , o senzație de culoare neutră în ochii unei persoane.

RADIARE VISIBILĂ- radiații optice cu lungimi de undă de 380 - 770 nm, capabile să provoace senzații vizuale în ochii omului.

RADIAȚIA FORȚATĂ, radiații induse - emisia de unde electromagnetice de către particulele de materie (atomi, molecule etc.), care sunt excitate, adică stare de neechilibru sub acțiunea radiațiilor stimulatoare externe. In si. coerent (cf. coerenţă) cu radiații forțate și în anumite condiții poate duce la amplificarea și generarea undelor electromagnetice. Vezi si generator cuantic.

HOLOGRAM- un model de interferență înregistrat pe o placă fotografică, format din două unde coerente (a se vedea. coerenţă): o undă de referință și o undă reflectată de un obiect iluminat de aceeași sursă de lumină. Când reconstruim G., percepem o imagine tridimensională a unui obiect.

HOLOGRAFIE- o metodă de obținere a imaginilor volumetrice ale obiectelor, bazată pe înregistrarea și restaurarea ulterioară a frontului undei reflectate de aceste obiecte. Obținerea unei holograme se bazează pe.

PRINCIPIUL HUYGENS- o metodă care vă permite să determinați oricând poziția frontului de undă. Potrivit lui G. p. toate punctele prin care trece frontul de undă la momentul t sunt surse de unde sferice secundare, iar poziția dorită a frontului de undă la timpul t + Dt coincide cu suprafața care înconjoară toate undele secundare. Vă permite să explicați legile reflectării și refracției luminii.

HUYGENS - FRENEL - PRINCIPIU- o metodă aproximativă pentru rezolvarea problemelor de propagare a undelor. G.-F. Elementul arată: în orice punct din afara unei suprafețe închise arbitrare care cuprinde o sursă de lumină punctuală, unda de lumină excitată de această sursă poate fi reprezentată ca urmare a interferenței undelor secundare emise de toate punctele suprafeței închise specificate. Vă permite să rezolvați cele mai simple sarcini.

PRESIUNEA LUMINI - presiune, produsă de lumină pe suprafața iluminată. Joacă un rol important în procesele cosmice (formarea cozilor de comete, echilibrul stelelor mari etc.).

IMAGINE REALĂ- cm. .

DIAFRAGMĂ- un dispozitiv pentru limitarea sau schimbarea fasciculului de lumină din sistemul optic (de exemplu, pupila ochiului, cadrul obiectivului, obiectivul camerei).

DISPERSIA LUMINII- dependența de absolut indicele de refracție substanțe pe frecvența luminii. Distingeți între D. normal, în care viteza undei luminoase scade odată cu creșterea frecvenței, și D. anormal, în care viteza undei crește. Ca urmare a D.S. un fascicul îngust de lumină albă, care trece printr-o prismă din sticlă sau altă substanță transparentă, se descompune într-un spectru de dispersie, formând o bandă curcubeu pe ecran.

GRATUIRE DE DIFFRACȚIE- un dispozitiv fizic, care este o colecție de un număr mare de curse paralele de aceeași lățime, aplicate pe o suprafață transparentă sau reflectorizantă la aceeași distanță una de cealaltă. Drept urmare, D. se formează un spectru de difracție - o alternanță de maxime și minime de intensitate a luminii.

DIFFRACȚIA LUMINII- un ansamblu de fenomene care sunt cauzate de natura undelor luminii și sunt observate în timpul propagării sale într-un mediu cu neomogenități pronunțate (de exemplu, atunci când trec prin găuri, în apropierea limitelor corpurilor opace etc.). În sens restrâns, sub D.s. înțelegeți îndoirea ușoară în jurul obstacolelor mici, adică abaterea de la legile opticii geometrice. Joacă un rol important în funcționarea dispozitivelor optice, limitându-le rezoluţie.

EFECT DOPLER- schimbarea fenomenului frecvențe de vibrații unde sonore sau electromagnetice percepute de observator datorită mișcării reciproce a observatorului și a sursei de undă. La apropiere, se detectează o creștere a frecvenței, la îndepărtarea se detectează o scădere.

LUMINA NATURALA- un set de unde de lumină incoerente cu toate planurile de vibrație posibile și cu aceeași intensitate a vibrațiilor în fiecare dintre aceste planuri. E.S. aproape toate sursele de lumină naturală emit, deoarece acestea constau dintr-un număr mare de centre de radiații orientate diferit (atomi, molecule) care emit unde luminoase, a căror fază și plan de vibrație pot lua toate valorile posibile. Vezi si polarizarea luminii, coerență.

OGLINZĂ OPTICĂ- un corp cu o suprafață lustruită sau acoperită cu un strat reflectorizant (argintiu, auriu, aluminiu etc.), pe care are loc o reflecție apropiată de o oglindă (a se vedea. reflecţie).

IMAGINE OPTICĂ- o imagine a unui obiect obținută ca urmare a acțiunii unui sistem optic (lentile, oglinzi) asupra razelor de lumină emise sau reflectate de un obiect. Distingeți între real (obținut pe ecran sau retina ochiului când sunt traversate razele care au trecut prin sistemul optic) și imaginar. . (obținut la intersecția extensiilor de raze).

INTERFERENȚA LUMINII- fenomenul suprapunerii a două sau mai multe coerent unde luminoase, polarizate liniar într-un singur plan, în care energia undei luminoase rezultate este redistribuită în spațiu, în funcție de relația dintre fazele acestor unde. Rezultatul IS observat pe un ecran sau pe o placă fotografică se numește model de interferență. I. lumina albă duce la formarea unui model irizat (culoarea filmelor subțiri etc.). Se folosește în holografie, în antireflexie optică etc.

RADIATII INFRAROSII - radiatie electromagnetica cu lungimi de undă de la 0,74 microni la 1-2 mm. Este emis de toate corpurile cu temperaturi peste zero absolut (radiații termice).

CANTUL DE LUMINĂ- la fel ca foton.

COLLIMATOR- un sistem optic conceput pentru a obține un fascicul de fascicule paralele.

EFECTUL COMPTON- fenomenul de împrăștiere a radiației electromagnetice de lungimi de undă scurte (radiații X și radiații gamma) de către electroni liberi, însoțit de o creștere lungime de undă.

LASER, generator cuantic optic - generator cuantic radiații electromagnetice în domeniul optic. Generează radiații electromagnetice coerente monocromatice, care au o directivitate îngustă și o densitate de putere semnificativă. Este utilizat în locația optică, pentru prelucrarea materialelor solide și refractare, în chirurgie, spectroscopie și holografie, pentru încălzirea cu plasmă. Miercuri Maser.

SPECTRA LINEARĂ- spectre, constând din linii spectrale înguste separate. Emis de substanțe în stare atomică.

OBIECTIV optic - un corp transparent delimitat de două suprafețe curbate (de obicei sferice) sau curbate și plane. O lentilă se numește subțire dacă grosimea sa este mică în comparație cu razele de curbură ale suprafețelor sale. Distingeți între lentile colectoare (transformarea unui fascicul paralel de raze în convergente) și împrăștierea (conversia unui fascicul paralel de raze în divergente). Sunt utilizate în dispozitive optice, optico-mecanice, fotografice.

Lupă- colectare obiectiv sau un sistem de lentile cu o distanță focală scurtă (10 - 100 mm), oferă o mărire de 2 - 50x.

RAY- o linie imaginară de-a lungul căreia energia radiației se propagă în aproximare optică geometrică, adică dacă nu se observă fenomene de difracție.

MASER - generator cuantic radiații electromagnetice în intervalul de centimetri. Se caracterizează prin monocromaticitate ridicată, coerență și directivitate îngustă a radiației. Este utilizat în comunicații radio, radioastronomie, radar și, de asemenea, ca generator de oscilații cu o frecvență stabilă. Miercuri .

EXPERIENȚA MICHAELSON- un experiment conceput pentru a măsura influența mișcării Pământului asupra valorii viteza luminii... Rezultatul negativ al M.o. a devenit unul dintre motivele experimentale teoria relativității.

MICROSCOP- un dispozitiv optic pentru observarea obiectelor mici invizibile cu ochiul liber. Mărirea microscopului este limitată și nu depășește 1500. Cf. microscop electronic.

IMAGINE IMAGINE- cm. .

RADIAȚIA MONOCROMATICĂ- model mental radiatie electromagnetica o frecvență specifică. Strict M.I. nu există, pentru că orice radiație reală este limitată în timp și acoperă un anumit interval de frecvență. Surse de radiații apropiate de m. - generatoare cuantice.

OPTICĂ- o ramură a fizicii care studiază legile fenomenelor luminoase (optice), natura luminii și interacțiunea acesteia cu materia.

AXA OPTICĂ- 1) MAIN - linia dreaptă pe care se află centrele suprafețelor de refracție sau reflectante care formează sistemul optic; 2) SIDE - orice linie dreaptă care trece prin centrul optic al unui obiectiv subțire.

PUTERE OPTICĂ lentile - o cantitate utilizată pentru a descrie efectul de refracție al lentilelor și inversul distanta focala. D = 1 / F... Măsurată în dioptrii (dioptrii).

RADIAȚIA OPTICĂ- radiații electromagnetice, ale căror lungimi de undă sunt cuprinse între 10 nm și 1 mm. Pentru a o.i. raporta Radiatii infrarosii, , .

REFLECȚIA LUMINII- procesul de returnare a unei unde luminoase atunci când aceasta cade pe interfața a două medii având diferite indicii de refracție.înapoi la mediul original. Multumesc o.s. vedem corpuri care nu emit lumină. Se face distincția între reflexia speculară (un fascicul paralel de raze rămâne paralel după reflectare) și reflexia difuză (un fascicul paralel este transformat într-unul divergent).

- fenomenul observat atunci când lumina trece de la un mediu optic mai dens la un mediu optic mai puțin dens dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul limitat de incidență, unde n Este indicele de refracție al celui de-al doilea mediu față de primul. În acest caz, lumina este reflectată complet din interfața dintre medii.

LEGEA VALURILOR DE REFLECȚIE- raza incidentă, raza reflectată și perpendiculara pe punctul de incidență a razei se află în același plan, iar unghiul de incidență este egal cu unghiul de refracție. Legea este adevărată pentru reflectarea oglinzii.

ABSORBȚIA LUMINII- o scădere a energiei unei unde luminoase în timpul propagării acesteia într-o substanță, care are loc ca urmare a conversiei energiei undei în energie interna substanțe sau energia radiației secundare având o compoziție spectrală diferită și o direcție de propagare diferită.

1) ABSOLUT - o valoare egală cu raportul dintre viteza luminii în vid și viteza fazei luminii într-un mediu dat :. Depinde de compoziția chimică a mediului, de starea acestuia (temperatură, presiune etc.) și de frecvența luminii (vezi pct. dispersie ușoară).2) RELATIV - (pp al celui de-al doilea mediu raportat la primul) o valoare egală cu raportul dintre viteza de fază din primul mediu și viteza de fază din al doilea :. O.p. este egal cu raportul dintre indicele de refracție absolut al celui de-al doilea mediu și p.p. absolut. primul mediu.

POLARIZAREA LUMINII- un fenomen care conduce la ordonarea vectorilor puterii câmpului electric și a inducției magnetice a unei unde de lumină într-un plan perpendicular pe fasciculul de lumină. Cel mai adesea apare atunci când lumina este reflectată și refractată, precum și atunci când lumina se propagă într-un mediu anizotrop.

REFRACȚIA LUMINII- un fenomen care constă într-o schimbare a direcției de propagare a luminii (undă electromagnetică) în timpul tranziției de la un mediu la altul care diferă de primul indicele de refracție... Pentru refracție, legea este îndeplinită: raza incidentă, raza refractată și perpendiculară la punctul de incidență a razei se află în același plan, iar pentru aceste două medii, raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă numită indicele de refracție relativ al doilea mediu relativ la primul. Refracția este cauzată de diferența de viteză de fază în diferite medii.

PRISMĂ OPTICĂ- un corp format dintr-o substanță transparentă, limitat de două planuri neparalele, pe care se produce refracția luminii. Este utilizat în dispozitive optice și spectrale.

DIFERENȚA DE LUCRU- o mărime fizică egală cu diferența de lungime a căii optice a două fascicule de lumină.

DIFUZIA LUMINII- un fenomen care constă în devierea unui fascicul de lumină care se propagă într-un mediu în toate direcțiile posibile. Este cauzată de neomogenitatea mediului și de interacțiunea luminii cu particulele de materie, în care se schimbă direcția de propagare, frecvența și planul oscilațiilor undei de lumină.

UȘOARĂ, radiații luminoase - care pot provoca senzații vizuale.

UNDĂ DE LUMINĂ - undă electromagneticăîn domeniul lungimilor de undă ale radiațiilor vizibile. Frecvență (set de frecvențe) s.v. determină culoarea, energia r.v. proporțional cu pătratul amplitudinii sale.

GHID DE LUMINĂ- un canal pentru transmiterea luminii, având dimensiuni de multe ori lungimea de undă a luminii. Lumina în sat. se răspândește datorită reflecției interne totale.

VITEZA LUMINIIîn vid (c) - una dintre constantele fizice principale, egală cu viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid. s = (299 792 458 ± 1,2) m / s... S.S. - viteza limitativă de propagare a oricărei interacțiuni fizice.

SPECTRUL OPTIC- distribuția frecvenței (sau lungimii de undă) a intensității radiației optice a unui anumit corp (spectru de emisie) sau intensitatea absorbției luminii pe măsură ce trece printr-o substanță (spectru de absorbție). Distinge S.O.: reglat, format din linii spectrale separate; dungat, format din grupuri (dungi) aproape liniile spectrale; solid, corespunzător radiației (emisiei) sau absorbției de lumină într-o gamă largă de frecvențe.

LINII SPECTRALE- zone înguste din spectrele optice, care corespund practic aceleiași frecvențe (lungime de undă). Fiecare S. l. răspunde la un anumit tranziție cuantică.

ANALIZA SPECTRALĂ- o metodă fizică pentru analiza calitativă și cantitativă a compoziției chimice a substanțelor, bazată pe studiul acestora spectre optice. Diferă în sensibilitate ridicată și este utilizat în chimie, astrofizică, metalurgie, explorare geologică etc. Baza teoretică a S. și. este un .

SPECTROGRAF- un dispozitiv optic pentru obținerea și înregistrarea simultană a spectrului de radiații. Partea principală a C. - prisma optică sau.

SPECTROSCOP- un dispozitiv optic pentru observarea vizuală a spectrului de radiații. Partea principală a S. este o prismă optică.

SPECTROSCOPIE- o secțiune de fizică care studiază spectre optice pentru a clarifica structura atomilor, moleculelor, precum și a substanțelor în diferitele sale stări de agregare.

CREȘTE sistem optic - raportul dintre dimensiunea imaginii, dat de sistemul optic, la dimensiunea reală a obiectului.

RADIAȚIE ULTRAVIOLETĂ- radiații electromagnetice cu o lungime de undă în vid de la 10 nm la 400 nm. De asemenea, produc luminiscență în multe substanțe. Biologic activ.

PLAN FOCAL- un plan perpendicular pe axa optică a sistemului și care trece prin focalizarea sa principală.

FOCUS- punctul în care este colectat fasciculul paralel de raze de lumină care trece prin sistemul optic. Dacă fasciculul este paralel cu axa optică principală a sistemului, atunci faza se află pe această axă și se numește cea principală.

DISTANTA FOCALA- distanța dintre centrul optic al unui obiectiv subțire și focalizare.EFECT FOTO, efect fotoelectric - fenomenul emiterii de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice (f. extern). Observat în gaze, lichide și solide. Descoperit de G. Hertz și investigat de A.G. Stoletov. Legile de bază ale f. explicat pe baza conceptelor cuantice de A. Einstein.

CULOARE- senzația vizuală cauzată de lumină în conformitate cu compoziția sa spectrală și intensitatea radiației reflectate sau emise.

Shemyakov N.F.

Fizică. Partea 3. Optica undelor și cuantice, structura atomului și a nucleului, imaginea fizică a lumii.

Bazele fizice ale opticii undelor și cuantice, structura atomului și a nucleului, imaginea fizică a lumii sunt prezentate în conformitate cu programul cursului general de fizică pentru universitățile tehnice.

O atenție deosebită este acordată dezvăluirii sensului fizic, conținutului principalelor dispoziții și concepte ale fizicii statistice, precum și aplicării practice a fenomenelor luate în considerare, luând în considerare concluziile mecanicii clasice, relativiste și cuantice.

Conceput pentru studenții din anul 2 la distanță, poate fi utilizat de către studenții cu normă întreagă, studenții absolvenți și profesorii de fizică.

Din ceruri, curgeau dușuri cosmice, purtând cursuri de pozitroni pe cozile cometelor. Au apărut mesoni, chiar bombe, ce fel de rezonanțe nu există ...

7. OPTICA WAVE

1. Natura luminii

Conform ideilor moderne, lumina are o natură corpusculară. Pe de o parte, lumina se comportă ca un flux de particule - fotoni, care sunt emise, propagate și absorbite sub formă de cuante. Natura corpusculară a luminii se manifestă, de exemplu, în fenomene

efect foto, efect Compton. Pe de altă parte, lumina are proprietăți de undă. Lumina este unde electromagnetice. Natura undelor luminii se manifestă, de exemplu, în fenomene interferență, difracție, polarizare, dispersie etc. Undele electromagnetice sunt

transversal.

V oscilațiile vectorilor apar într-o undă electromagnetică

câmpul electric E și câmpul magnetic H și nu o substanță ca, de exemplu, în cazul undelor pe apă sau într-un cablu tensionat. Undele electromagnetice se deplasează în vid cu o viteză de 3 108 m / s. Astfel, lumina este un obiect fizic real, care nu este redus nici la o undă, nici la o particulă în sensul obișnuit. Valurile și particulele sunt doar două forme de materie în care se manifestă aceeași entitate fizică.

7.1. Elemente de optică geometrică

7.1.1. Principiul Huygens

	Când undele se propagă într-un mediu, inclusiv
	număr și electromagnetic, pentru a găsi un nou
	front de val în orice moment
	folosiți principiul Huygens.
	Fiecare punct al frontului de undă este
	o sursă de unde secundare.
	Într-un mediu izotrop omogen, undă
	suprafețele undelor secundare au forma unor sfere
	raza v t,	unde v este rata de propagare

	valuri în mediu.	Conducerea anvelopei formelor de undă

fronturile undelor secundare, obținem un nou front al undei la un moment dat (Fig. 7.1, a, b).

7.1.2. Legea reflexiei

Folosind principiul lui Huygens, se poate dovedi legea reflectării undelor electromagnetice la interfața dintre două dielectrice.

Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. Razele incidente și reflectate, împreună cu perpendiculara pe interfața dintre cele două dielectrice, se află

la SD se numește unghiul de incidență. Dacă la un moment dat, partea din față a undei incidente OB atinge m 0, atunci conform principiului Huygens acest punct

începe să emită o undă secundară. Pe parcursul		t = BO1 / v incident ray 2
	atinge punctul O1. În același timp, partea din față a secundarului
	unde, după reflectarea în t. O, propagându-se în
	același mediu, atinge punctele emisferei,
	raza ОА = v	t = BO1. Front nou val
	este descris de planul AO1 și direcția
	răspândirea	raza OA. Unghiul se numește
	unghi de reflexie. Din egalitatea triunghiurilor
	OAO1 și OVO1 respectă legea reflexiei: unghiul
	incidența este egală cu unghiul de reflexie.

	7.1.3. Legea refracției
	Mediul optic omogen 1 se caracterizează prin absolut
indicele de refracție
indicele de refracție

	viteza luminii în vid; v1		viteza luminii în primul mediu.




unde v2
	Atitudine	n2 / n1 = n21

numit indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu față de primul.

frecvențe. Dacă viteza de propagare a luminii în primul mediu este v1 și în al doilea v2,

mediu (în conformitate cu principiul Huygens), atinge punctele emisferei, a cărei rază este ОВ = v2 t. Noua față a undei care se propagă în cel de-al doilea mediu este reprezentată de planul BO1 (Fig. 7.3) și direcția sa

propagarea prin grinzile ОВ și О1 С (perpendicular pe fața de undă). Unghiul dintre fasciculul OF și normalul față de interfața dintre două dielectrice în

punctul O numit unghiul de refracție. Din triunghiuri OJSC1

OBO1

rezultă că AO1 = OO1 sin

OB = OO1 sin.

Atitudinea lor și exprimă legea

refracție (legea lui Snell):

n21.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului

refracții

relativ

indicele de refracție al celor două medii.

7.1.4. Reflecție internă totală

Conform legii refracției la interfața dintre două medii, se poate

observa reflecție internă totală dacă n1> n2, adică

7.4). Prin urmare, există un astfel de unghi limitat de incidență

cand

900. Apoi legea refracției

ia următoarea formă:

sin pr =

(păcat 900 = 1)

Mai departe

crescând

in totalitate

reflectată din interfața dintre cele două medii.

Acest fenomen se numește reflecție internă totalăși este utilizat pe scară largă în optică, de exemplu, pentru a schimba direcția razelor de lumină (Fig. 7. 5, a, b). Utilizat în telescoape, binocluri, fibre optice și alte instrumente optice. În procesele de undă clasice, cum ar fi fenomenul reflectării interne totale a undelor electromagnetice,

se observă fenomene similare efectului de tunelare în mecanica cuantică, care este asociat cu proprietățile undelor-particule ale particulelor. Într-adevăr, atunci când lumina trece de la un mediu la altul, se observă refracția luminii, asociată cu o schimbare a vitezei de propagare a acestuia în diferite medii. La interfața dintre două medii, fasciculul de lumină este împărțit în două: refractat și reflectat. Conform legii refracției, avem că dacă n1> n2, atunci pentru> pr, se observă reflexia internă totală.

De ce se întâmplă asta? Soluția ecuațiilor lui Maxwell arată că intensitatea luminii în al doilea mediu este diferită de zero, dar foarte repede, exponențial, se descompune cu distanța de

interfață.
	Experimental
observare		intern
reflectarea este prezentată în Fig. 7.6,
demonstrează		pătrundere
luminează în zona „interzisă”,
optică geometrică.
		dreptunghiular

dintr-o prismă de sticlă isoscelă, un fascicul de lumină cade perpendicular și, fără refracție, cade pe fața 2, se observă reflexia internă totală,

/ 2 de la fațeta 2 pentru a plasa aceeași prismă, apoi fasciculul de lumină va trece prin fațeta 2 * și va ieși din prisma prin fațeta 1 * paralel cu raza incidentă pe fațeta 1. Intensitatea J a fluxului de lumină transmis scade exponențial odată cu creșterea distanța h între prisme conform legii:

Prin urmare, pătrunderea luminii în regiunea „interzisă” este o analogie optică a efectului de tunelare cuantică.

Fenomenul reflectării interne totale este într-adevăr complet, întrucât în acest caz toată energia luminii incidente este reflectată la interfața dintre două medii decât atunci când este reflectată, de exemplu, de la suprafața oglinzilor metalice. Folosind acest fenomen, se poate urmări altul

o analogie între refracția și reflexia luminii, pe de o parte, și radiația Vavilov-Cherenkov, pe de altă parte.

7.2. INTERFERENȚA DE ONDE

7.2.1. Rolul vectorilor E și H

În practică, în medii reale, mai multe unde se pot propaga simultan. Ca urmare a adăugării undelor, se observă o serie de fenomene interesante: interferența, difracția, reflexia și refracția undelor etc.

Aceste fenomene de undă sunt caracteristice nu numai pentru undele mecanice, ci și pentru cele electrice, magnetice, luminoase, etc.

Unul dintre cele mai interesante fenomene de undă care se observă atunci când două sau mai multe unde se propagă într-un mediu se numește interferență. Mediul optic omogen 1 se caracterizează prin

indicele de refracție absolut
indicele de refracție absolut

	viteza luminii în vid; v1 este viteza luminii în primul mediu.
Mediul 2 se caracterizează printr-un indice de refracție absolut



unde v2	viteza luminii în al doilea mediu.
Atitudine
Atitudine

se numește indicele de refracție relativ al celui de-al doilea mediu


	folosind teoria lui Maxwell sau


	unde 1, 2 sunt constantele dielectrice ale primului și celui de-al doilea mediu.
	Pentru vid, n = 1. Datorită dispersiei (frecvența luminii				1014 Hz), de exemplu,

pentru apă n = 1,33 și nu n = 9 (= 81), după cum urmează din electrodinamică pentru frecvențe joase. Undele electromagnetice luminoase. Prin urmare, electromagneticul

câmpul este determinat de vectorii E și H, care caracterizează puterile câmpurilor electrice și, respectiv, magnetice. Cu toate acestea, în multe procese de interacțiune a luminii cu materia, de exemplu, cum ar fi efectul luminii asupra organelor vizuale, fotocelule și alte dispozitive,

rolul decisiv aparține vectorului E, care în optică se numește vectorul luminos.

Toate procesele care apar în dispozitivele aflate sub influența luminii sunt cauzate de acțiunea câmpului electromagnetic al unei unde de lumină asupra particulelor încărcate care fac parte din atomi și molecule. În aceste procese, rolul principal

electronii joacă datorită frecvenței ridicate

ezitare

ușoară

15 Hz).

actorie

pe electron din

câmp electromagnetic,

F qe (E

0 },

unde q e

încărcare electronică; v

viteza acestuia;

permeabilitatea magnetică

mediul;

constanta magnetica.

Valoarea maximă a modulului produsului vector al celui de-al doilea

termen la v

H, luând în considerare

0 H2 =

0 E2,

se pare

0 N ve =

ve E

viteza luminii în

substanță și, respectiv, în vid;

0 electric

constant;

constanta dielectrică a substanței.

Mai mult, v >> ve, deoarece viteza luminii în materie v

108 m / s, o viteză

electron în atom ve

106 m / s. Se știe că

frecvența ciclică; Ra

10 10

dimensiunea atomului, joacă un rol

amplitudini ale vibrațiilor forțate ale unui electron dintr-un atom.

Prin urmare,

F ~ qe E, iar rolul principal îl joacă vectorul

E și nu

vectorul H. Rezultatele obținute sunt în acord cu datele experimentale. De exemplu, în experimentele lui Wiener, regiunea de înnegrire a unei emulsii fotografice sub

acțiunea luminii coincide cu antinodii vectorului electric E.

7.3. Condiții pentru interferențe maxime și minime

Fenomenul de suprapunere a undelor luminoase coerente, în urma căruia există o alternanță a amplificării luminii în unele puncte din spațiu și a atenuării în altele, se numește interferență luminoasă.

O condiție prealabilă interferența ușoară este coerenţă

unde sinusoidale stivuite.

Undele sunt numite coerente dacă diferența de fază a undelor adăugate nu se modifică în timp, adică = const.

Această condiție este satisfăcută de unde monocromatice, adică valuri

E, câmpurile electromagnetice adăugate au fost comise de-a lungul aceloriași direcții sau similare. În acest caz, nu ar trebui să existe coincidență

numai vectori E, dar și H, care vor fi observați numai dacă undele se propagă de-a lungul aceleiași linii drepte, adică sunt la fel de polarizate.

Să găsim condițiile pentru interferența maximă și minimă.

Pentru a face acest lucru, luați în considerare adăugarea a două unde de lumină monocromatice, coerente, cu aceeași frecvență (1 = 2 =), având amplitudini egale (E01 = E02 = E0), oscilând în vid într-o direcție în funcție de sinus (sau cosinus) ) legea, adică

		E01 sin (		01),
		E02 sin (		02),
unde r1, r2	distanțele față de sursele S1 și S2		la punctul de observație de pe ecran;
01, 02	fazele inițiale; k =	numărul de undă.
01, 02	fazele inițiale; k =	numărul de undă.

Conform principiului suprapunerii (stabilit Leonardo da Vinci) vectorul de intensitate al oscilației rezultate este egal cu suma geometrică a vectorilor de intensitate a undelor adăugate, adică

E 2.

Pentru simplitate, presupunem că fazele inițiale ale undelor adăugate

sunt egale cu zero, adică 01 =

02 = 0. În valoare absolută, avem

E = E1 + E2 = 2E0 sin [

k (r1

k (r2

În (7.16) expresia

r1) n =

diferența de cale optică

valuri pliate; n

indicele de refracție absolut al mediului.

Pentru alte medii decât vidul, de exemplu, pentru apă (n1, 1),

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

k = k2 n2;

1 n1;

2 n 2;

numită amplitudinea undei rezultate.

Amplitudinea puterii undei este determinată (pentru o suprafață unitară a frontului de undă) Vector Poynting, adică modulo

0 Е 0 2 cos2 [

k (r2

unde П = с w,

0E 2

volumetric

densitate

câmp electromagnetic (pentru vid

1), adică P = c

0 E2.

Dacă J = P

intensitatea undei rezultate și

J0 = c

0 E 0 2

intensitatea sa maximă, luând apoi în calcul

(7.17) și (7.18) intensitate

valul rezultat se va schimba conform legii

J = 2J0 (1+ cos).

Diferența de fază a undelor adăugate

și nu depinde de timp, unde

2 = t kr2 +

1 = t kr1 +

Amplitudinea undei rezultate se găsește prin formulă

K (r2

r1) n =

Sunt posibile două cazuri:

1. Stare maximă.

Dacă diferența de fază a undelor adăugate este egală cu un număr par


	1, 2, ..., atunci amplitudinea rezultată va fi maximă,

	E 02 E 012 E 022 2E 01E 02
	E0 = E01 + E02.
Prin urmare, amplitudinile undelor se adună,		iar dacă sunt egali
(E01 = E02)	amplitudinea rezultată este dublată.
Intensitatea rezultată este, de asemenea, maximă:
	Jmax = 4J0.

Amangeldinov Mustafa Rakhatovici
Student
Școala intelectuală Nazarbayev mustafastu[e-mail protejat] gmail. com

Optică. Istoria opticii. Aplicațiile opticii.

Istoria dezvoltării opticii.

Optică - studiul naturii luminii, fenomenelor luminoase și interacțiunii luminii cu materia. Și aproape toată povestea ei este o poveste de găsire a răspunsului: ce este lumina?

Una dintre primele teorii ale luminii, teoria razelor vizuale, a fost prezentată de filosoful grec Platon în jurul anului 400 î.Hr. NS. Această teorie presupunea că razele emană din ochi, care, întâlnindu-se cu obiecte, le luminează și creează aspectul lumii înconjurătoare. Opiniile lui Platon au fost susținute de mulți oameni de știință din antichitate și, în special, Euclid (secolul al III-lea î.Hr.), bazat pe teoria razelor vizuale, a întemeiat doctrina rectitudinii propagării luminii, a stabilit legea reflexiei.

În aceiași ani, au fost descoperite următoarele fapte:

– rectitudinea propagării luminii;

– fenomenul reflectării luminii și legea reflecției;

– fenomenul refracției luminii;

– acțiunea de focalizare a unei oglinzi concavă.

Vechii greci au pus bazele ramurii opticii, care a primit ulterior numele de geometric.

Cea mai interesantă lucrare de optică care a ajuns la noi din Evul Mediu este opera savantului arab Algazen. El a studiat reflexia luminii din oglinzi, fenomenul de refracție și transmiterea luminii în lentile. Alhazen a fost primul care a exprimat ideea că lumina are o viteză finită de propagare. Această ipoteză a fost un pas major în înțelegerea naturii luminii.

În timpul Renașterii, s-au făcut multe descoperiri și invenții diferite; metoda experimentală a început să se stabilească ca bază pentru studiul și cunoașterea lumii înconjurătoare.

Pe baza numeroaselor fapte experimentale de la mijlocul secolului al XVII-lea, apar două ipoteze despre natura fenomenelor luminoase:

– corpuscular, care presupunea că lumina este un flux de particule expulzate cu viteză mare de corpurile luminoase;

– unde, care a afirmat că lumina este o mișcare vibrațională longitudinală a unui mediu luminifer special - eter - excitat de vibrațiile particulelor unui corp luminos.

Toată dezvoltarea ulterioară a teoriei luminii până în prezent este istoria dezvoltării și luptei acestor ipoteze, ale cărei autori au fost I. Newton și H. Huygens.

Principalele prevederi ale teoriei corpusculare a lui Newton:

1) Lumina constă din particule mici de materie, emise în toate direcțiile de-a lungul liniilor drepte, sau raze ale unui corp luminos, de exemplu, o lumânare aprinsă. Dacă aceste raze, formate din corpusculi, intră în ochiul nostru, atunci le vedem sursa.

2) Corpusculii ușori au dimensiuni diferite. Cele mai mari particule, care intră în ochi, dau impresia unei culori roșii, cea mai mică - violet.

3) Albul este un amestec de toate culorile: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru deschis, albastru, violet.

4) Reflecția luminii de la suprafață are loc datorită reflexiei corpusculilor din perete conform legii impactului elastic absolut.

5) Fenomenul refracției luminii se explică prin faptul că corpusculii sunt atrași de particulele mediului. Cu cât mediul este mai dens, cu atât unghiul de refracție este mai mic.

6) Fenomenul dispersiei luminii, descoperit de Newton în 1666, a explicat el după cum urmează. Fiecare culoare este deja prezentă în lumina albă. Toate culorile sunt transmise prin spațiul interplanetar și atmosfera împreună și produc un efect de lumină albă. Lumina albă - un amestec de corpusculi diferiți - experimentează refracția după ce trece printr-o prismă. Din punctul de vedere al teoriei mecanice, refracția se datorează forțelor din particulele de sticlă care acționează asupra corpusculilor ușori. Aceste forțe sunt diferite pentru corpusculi diferiți. Acestea sunt cele mai mari pentru violet și cele mai mici pentru roșu. Traseul corpusculilor din prismă va fi refractat diferit pentru fiecare culoare, astfel încât raza complexă albă se va împărți în raze componente colorate.

7) Newton a subliniat modalitățile de explicare a birrefringenței, ipotezând că razele de lumină au „laturi diferite” - o proprietate specială care determină refracția lor diferită atunci când trece printr-un corp birirefringent.

Teoria corpusculară a lui Newton a explicat satisfăcător multe fenomene optice cunoscute la acea vreme. Autorul său s-a bucurat de o autoritate extraordinară în lumea științifică și, în curând, teoria lui Newton a câștigat mulți adepți în toate țările.

Puncte de vedere asupra naturii luminii în secolele XIX-XX.

În 1801, T. Jung a efectuat un experiment care a uimit oamenii de știință din lume: S - sursă de lumină; E - ecran; B și C sunt fante foarte înguste distanțate la 1-2 mm.

Conform teoriei lui Newton, pe ecran ar trebui să apară două dungi de lumină, de fapt, au apărut mai multe dungi deschise și întunecate, iar o linie de lumină P a apărut direct opus decalajului dintre sloturile B și C. Experiența a arătat că lumina este un fenomen de undă . Jung a dezvoltat teoria lui Huygens cu idei despre vibrațiile particulelor, despre frecvența vibrațiilor. El a formulat principiul interferenței, pe baza căruia a explicat fenomenul difracției, interferenței și culoarea plăcilor subțiri.

Fizicianul francez Fresnel a combinat principiul mișcării undelor al lui Huygens și principiul interferenței lui Young. Pe această bază, el a dezvoltat o teorie matematică riguroasă a difracției. Fresnel a fost capabil să explice toate fenomenele optice cunoscute la acea vreme.

Principalele prevederi ale teoriei undelor Fresnel.

– Lumina este propagarea vibrațiilor în eter la o viteză, unde modulul de elasticitate al eterului, r este densitatea eterului;

– Undele de lumină sunt transversale;

– Eterul ușor posedă proprietățile unui corp elastic-solid, este absolut incompresibil.

La trecerea de la un mediu la altul, elasticitatea eterului nu se schimbă, dar densitatea acestuia se schimbă. Indicele de refracție relativ al substanței.

Vibrațiile laterale pot apărea simultan în toate direcțiile perpendiculare pe direcția de propagare a undei.

Opera lui Fresnel a câștigat recunoașterea oamenilor de știință. În curând, a apărut o serie întreagă de lucrări experimentale și teoretice, care confirmă natura undelor luminii.

La mijlocul secolului al XIX-lea, au început să apară fapte care indică o legătură între fenomenele optice și electrice. În 1846 M. Faraday a observat rotația planurilor de polarizare a luminii în corpurile plasate într-un câmp magnetic. Faraday a introdus conceptul câmpurilor electrice și magnetice ca un fel de suprapunere în eter. A apărut un nou „eter electromagnetic”. Primul care a atras atenția asupra acestor puncte de vedere a fost fizicianul englez Maxwell. El a dezvoltat aceste concepte și a construit o teorie a câmpului electromagnetic.

Teoria electromagnetică a luminii nu a eliminat teoria mecanică a lui Huygens-Jung-Fresnel, ci a ridicat-o la un nou nivel. În 1900, fizicianul german Planck a prezentat o ipoteză despre natura cuantică a radiațiilor. Esența sa a fost următoarea:

– emisia de lumină este discretă;

– absorbția are loc și în porțiuni discrete, în cuante.

Energia fiecărei cuantice este reprezentată de formulăE = hn , Undeh Este constanta lui Planck, iar n este frecvența luminii.

La cinci ani după Planck, a ieșit lucrarea fizicianului german Einstein asupra efectului fotoelectric. Einstein credea:

– lumina care nu a intrat încă în interacțiune cu materia are o structură granulară;

– elementul structural al radiației discrete de lumină este un foton.

În 1913, fizicianul danez N. Bohr a publicat teoria atomului, în care a combinat teoria cuantelor Planck-Einstein cu imaginea structurii nucleare a atomului.

Astfel, a apărut o nouă teorie cuantică a luminii, născută pe baza teoriei corpusculare a lui Newton. Cuanticul acționează ca un corpuscul.

Prevederi de bază.

– Lumina este emisă, distribuită și absorbită în porțiuni discrete - cântece.

– Cuantica luminii - un foton transporta energie proportionala cu frecventa undei cu care este descris de teoria electromagneticaE = hn .

– Foton, are masă (), impuls și impuls unghiular ().

– Un foton, ca particulă, există doar în mișcare, a cărui viteză este viteza de propagare a luminii într-un mediu dat.

– Pentru toate interacțiunile la care participă un foton, legile generale ale conservării energiei și impulsului sunt valabile.

– Un electron dintr-un atom poate fi doar în anumite stări staționare discrete și stabile. În timp ce se află în stări staționare, atomul nu radiază energie.

– Când trece de la o stare staționară la alta, un atom emite (absoarbe) un foton cu o frecvență, (undeE 1 șiE 2 Sunt energiile stărilor inițiale și finale).

Odată cu apariția teoriei cuantice, a devenit clar că proprietățile corpusculare și ale undelor sunt doar două părți, două manifestări corelate ale esenței luminii. Ele nu reflectă unitatea dialectică a discreției și continuității materiei, exprimată în manifestarea simultană a undelor și a proprietăților corpusculare. Unul și același proces de radiație poate fi descris atât cu ajutorul unui aparat matematic pentru propagarea undelor în spațiu și timp, cât și cu ajutorul metodelor statistice pentru prezicerea apariției particulelor într-un loc dat și la un moment dat. Ambele modele pot fi utilizate în același timp și, în funcție de condiții, este preferată una dintre ele.

Realizările din ultimii ani în domeniul opticii au devenit posibile datorită dezvoltării atât a fizicii cuantice, cât și a opticii undelor. Teoria luminii continuă să evolueze în aceste zile.

Proprietățile de undă ale luminii și optica geometrică.

Optica este o ramură a fizicii care studiază proprietățile și natura fizică a luminii, precum și interacțiunea acesteia cu materia.

Cele mai simple fenomene optice, precum apariția umbrelor și achiziționarea de imagini în dispozitive optice, pot fi înțelese în cadrul opticii geometrice, care funcționează cu conceptul de raze de lumină separate care respectă legile cunoscute ale refracției și reflexiei și independent de fiecare. Pentru a înțelege fenomene mai complexe, este necesară optica fizică, care ia în considerare aceste fenomene în legătură cu natura fizică a luminii. Optica fizică face posibilă derivarea tuturor legilor opticii geometrice și stabilirea limitelor aplicabilității lor. Fără cunoașterea acestor limite, aplicarea formală a legilor opticii geometrice poate duce, în cazuri specifice, la rezultate care contravin fenomenelor observate. Prin urmare, nu se poate limita la construcția formală a opticii geometrice, dar este necesar să o privim ca o secțiune a opticii fizice.

Conceptul de fascicul de lumină poate fi obținut din considerarea unui fascicul de lumină real într-un mediu omogen, din care se extrage un fascicul paralel îngust cu ajutorul unei diafragme. Cu cât diametrul acestor găuri este mai mic, cu atât fasciculul emis este mai îngust, iar în limită, trecând în găuri în mod arbitrar mic, s-ar părea că un fascicul de lumină poate fi obținut ca o linie dreaptă. Dar un astfel de proces de extragere a unui fascicul (rază) arbitrar îngustă este imposibil din cauza fenomenului de difracție. Expansiunea unghiulară inevitabilă a unui fascicul de lumină real transmis printr-o diafragmă cu diametrul D este determinată de unghiul de difracție j~ l / D ... Numai în cazul limitativ, când l = 0, o astfel de expansiune nu ar avea loc și s-ar putea vorbi despre o rază ca o linie geometrică, a cărei direcție determină direcția de propagare a energiei luminoase.

Astfel, o rază de lumină este un concept matematic abstract, iar optica geometrică este un caz limitativ aproximativ în care optica undelor merge atunci când lungimea de undă a unei unde luminoase tinde la zero.

Ochiul ca sistem optic.

Organul uman de viziune este ochii, care în multe privințe reprezintă un sistem optic foarte perfect.

În general, ochiul uman este un corp sferic de aproximativ 2,5 cm în diametru, care se numește glob ocular (Fig. 5). Coaja exterioară opacă și durabilă a ochiului se numește sclera, iar partea sa transparentă și mai convexă se numește cornee. La interior, sclera este acoperită cu o coroidă, care constă din vase de sânge care alimentează ochiul. Împotriva corneei, coroida trece în iris, care este inegal colorat la diferite persoane, care este separat de cornee printr-o cameră cu o masă apoasă transparentă.

Irisul are o deschidere circulară numită pupilă, care poate varia în diametru. Astfel, irisul acționează ca o diafragmă care reglează accesul luminii la ochi. La lumină puternică, pupila scade, iar la lumină slabă, aceasta crește. În interiorul globului ocular, în spatele irisului, se află lentila, care este o lentilă biconvexă realizată din material transparent cu un indice de refracție de aproximativ 1,4. Lentila este înconjurată de un mușchi inelar, care poate schimba curbura suprafețelor sale și, prin urmare, puterea sa optică.

Coroida din partea interioară a ochiului este acoperită cu ramuri ale nervului fotosensibil, mai ales dens opus pupilei. Aceste ramificații formează o coajă reticulară, pe care se obține imaginea reală a obiectelor, creată de sistemul optic al ochiului. Spațiul dintre retină și lentilă este umplut cu un corp vitros transparent cu o structură gelatinoasă. Imaginea obiectelor de pe retină este inversată. Cu toate acestea, activitatea creierului, care primește semnale de la nervul sensibil la lumină, ne permite să vedem toate obiectele în poziții naturale.

Când mușchiul inelar al ochiului este relaxat, imaginea obiectelor îndepărtate este obținută pe retină. În general, structura ochiului este de așa natură încât o persoană poate vedea fără tensiune obiecte situate la cel puțin 6 metri de ochi. În acest caz, imaginea obiectelor mai apropiate este obținută în spatele retinei ochiului. Pentru a obține o imagine clară a unui astfel de obiect, mușchiul inelar comprimă lentila din ce în ce mai mult până când imaginea obiectului se află pe retină și apoi ține obiectivul într-o stare comprimată.

Astfel, „vizând focalizarea” ochiului uman se realizează prin schimbarea puterii optice a lentilei cu ajutorul mușchiului inelar.Capacitatea sistemului optic al ochiului de a crea imagini clare ale obiectelor la diferite distanțe de se numește cazare (din latinescul „cazare” - dispozitiv). Când privim obiecte foarte îndepărtate, raze paralele cad în ochi. În acest caz, se spune că ochiul este acomodat la infinit.

Cazarea ochiului nu este infinită. Cu ajutorul mușchiului inelar, puterea optică a ochiului poate fi mărită cu cel mult 12 dioptrii. Cu o lungă examinare a obiectelor apropiate, ochii obosesc, iar mușchiul inelar începe să se relaxeze și imaginea obiectului devine neclară.

Ochii umani vă permit să vedeți bine obiectele, nu numai în lumina zilei. Capacitatea ochiului de a se adapta la diferite grade de iritație a terminațiilor nervului fotosensibil de pe retină, adică la diferite grade de luminozitate a obiectelor observate se numește adaptare.

Convergența axelor vizuale ale ochilor la un anumit punct se numește convergență. Când obiectele sunt situate la o distanță considerabilă de o persoană, atunci când mișcă ochii de la un obiect la altul între axele ochilor, practic nu se schimbă și persoana își pierde capacitatea de a determina corect poziția obiectului. Când obiectele sunt foarte îndepărtate, axele ochilor sunt paralele, iar persoana nici măcar nu poate determina dacă obiectul se mișcă sau nu, la care se uită. Forța mușchiului inelar, care comprimă lentila atunci când examinează obiecte situate lângă o persoană, joacă, de asemenea, un rol în determinarea poziției corpurilor.

Spectroscop.

Un spectroscop este folosit pentru a observa spectrele.

Cel mai comun spectroscop prismatic este format din două tuburi, între care este plasată o prismă triunghiulară.

În tubul A, numit colimator, există o fantă îngustă, a cărei lățime poate fi reglată prin rotirea șurubului. În fața fantei este plasată o sursă de lumină, al cărei spectru trebuie investigat. Fanta este situată în planul colimatorului și, prin urmare, razele de lumină din colimator ies sub forma unui fascicul paralel. După trecerea prin prismă, razele de lumină sunt direcționate în tubul B, prin care se observă spectrul. Dacă spectroscopul este destinat măsurătorilor, atunci imaginea unei scări cu diviziuni este suprapusă imaginii spectrului utilizând un dispozitiv special, care vă permite să stabiliți cu exactitate poziția liniilor de culoare din spectru.

Dispozitiv optic de măsurare.

Dispozitiv de măsurare optic - un instrument de măsurare în care vizualizarea (alinierea limitelor obiectului controlat cu o linie țintă, cruce etc.) sau determinarea dimensiunii se efectuează utilizând un dispozitiv cu un principiu optic de funcționare. Există trei grupuri de instrumente optice de măsurare: instrumente cu un principiu optic de vedere și un mod mecanic de raportare a mișcării; instrumente cu observare optică și raportare a mișcării; dispozitive care au contact mecanic cu un dispozitiv de măsurare, cu o metodă optică pentru determinarea mișcării punctelor de contact.

Dintre dispozitive, proiectoarele pentru măsurarea și controlul pieselor cu un contur complex și dimensiuni reduse au fost primele care s-au răspândit.

Al doilea dispozitiv cel mai obișnuit este un microscop universal de măsurare, în care piesa de măsurat se mișcă pe un cărucior longitudinal, iar microscopul cap - pe unul transversal.

Dispozitivele celui de-al treilea grup sunt utilizate pentru a compara mărimile liniare măsurate cu măsurători sau scale. Acestea sunt de obicei grupate împreună sub comparatorii de nume generale. Acest grup de dispozitive include un optimometru (opticator, mașină de măsurat, interferometru de contact, telemetru optic etc.).

Instrumentele optice de măsurare sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în geodezie (nivel, teodolit etc.).

Teodolitul este un instrument geodezic pentru determinarea direcțiilor și măsurarea unghiurilor orizontale și verticale în lucrări geodezice, topografie și topografie minieră, în construcții etc.

Nivel - un instrument geodezic pentru măsurarea cotelor punctelor de pe suprafața pământului - nivelare, precum și pentru setarea direcțiilor orizontale în timpul asamblării etc. lucrări.

În navigație, un sextant este răspândit - un instrument reflectant oglindă goniometrică pentru măsurarea înălțimilor corpurilor cerești deasupra orizontului sau a unghiurilor dintre obiectele vizibile pentru a determina coordonatele locului observatorului. Cea mai importantă caracteristică a sextantului este capacitatea de a combina în același timp două obiecte din câmpul vizual al observatorului, între care se măsoară unghiul, ceea ce face posibilă utilizarea sextantului pe un avion și pe o navă fără o sesizare vizibilă. scăderea preciziei chiar și în timpul pitchingului.

O direcție promițătoare în dezvoltarea de noi tipuri de dispozitive de măsurare optică este dotarea lor cu dispozitive de citire electronice, care fac posibilă simplificarea citirii și a vizionării etc.

Concluzie.

Semnificația practică a opticii și influența acesteia asupra altor ramuri ale cunoașterii sunt excepțional de mari. Invenția telescopului și a spectroscopului a deschis în fața omului cea mai uimitoare și mai bogată lume a fenomenelor care au loc în vastul univers. Invenția microscopului a revoluționat biologia. Fotografia a ajutat și continuă să ajute aproape toate ramurile științei. Unul dintre cele mai importante elemente ale echipamentelor științifice este obiectivul. Fără ea nu ar exista microscop, telescop, spectroscop, cameră, cinema, televiziune etc. nu ar exista ochelari și mulți oameni peste 50 de ani ar fi lipsiți de ocazia de a citi și de a face multe dintre lucrările legate de viziune.

Domeniul fenomenelor studiate de optica fizică este foarte extins. Fenomenele optice sunt strâns legate de fenomenele studiate în alte ramuri ale fizicii, iar metodele de cercetare optică sunt printre cele mai subtile și corecte. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că, pentru o lungă perioadă de timp, optica a jucat un rol de lider în foarte multe cercetări fundamentale și în dezvoltarea vederilor fizice de bază. Este suficient să spunem că atât principalele teorii fizice ale secolului trecut - teoria relativității și teoria cuantelor - au apărut și s-au dezvoltat în mare parte pe baza cercetării optice. Invenția laserelor a deschis noi posibilități vaste nu numai în optică, ci și în aplicațiile sale în diferite ramuri ale științei și tehnologiei.

Bibliografie. Artsybyshev S.A. Fizică - M.: Medgiz, 1950.

Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fizica pentru instituțiile de învățământ secundar - Moscova: Nauka, 1981.

Landsberg G.S. Optică - Moscova: Nauka, 1976.

Landsberg G.S. Manual de fizică elementară. - M.: Nauka, 1986.

A.M. Prokhorov Marea Enciclopedie Sovietică. - M.: Enciclopedia sovietică, 1974.

Sivukhin D.V. Curs general de fizică: Optică - Moscova: Nauka, 1980.

- Istoria dezvoltării opticii.

- Principalele prevederi ale teoriei corpusculare a lui Newton.

- Principalele prevederi ale teoriei valurilor lui Huygens.

- Puncte de vedere asupra naturii luminii din XIX – XX secole.

- Principalele prevederi ale opticii.

- Proprietățile de undă ale luminii și optica geometrică.

- Ochiul ca sistem optic.

- Spectroscop.

- Dispozitiv optic de măsurare.

- Concluzie.

- Lista literaturii folosite.

Istoria dezvoltării opticii.

Optică - studiul naturii luminii, fenomenelor luminoase și interacțiunii luminii cu materia. Și aproape toată povestea ei este o poveste de găsire a răspunsului: ce este lumina?

În aceiași ani, au fost descoperite următoarele fapte:

- rectitudinea propagării luminii;

- fenomenul reflectării luminii și legea reflecției;

- fenomenul refracției luminii;

- acțiunea de focalizare a unei oglinzi concavă.

Vechii greci au pus bazele ramurii opticii, care a primit ulterior numele de geometric.

un pas în înțelegerea naturii luminii.

În timpul Renașterii, s-au făcut multe descoperiri și invenții diferite; metoda experimentală a început să se stabilească ca bază pentru studiul și cunoașterea lumii înconjurătoare.

Pe baza numeroaselor fapte experimentale de la mijlocul secolului al XVII-lea, apar două ipoteze despre natura fenomenelor luminoase:

- corpuscular, care presupunea că lumina este un flux de particule expulzate cu viteză mare de corpurile luminoase;

- undă, care afirma că lumina este o mișcare vibrațională longitudinală a unui mediu luminifer special - eter - excitat de vibrațiile particulelor unui corp luminos.

Toată dezvoltarea ulterioară a teoriei luminii până în prezent este istoria dezvoltării și luptei acestor ipoteze, ale cărei autori au fost I. Newton și H. Huygens.

Principalele prevederi ale teoriei corpusculare a lui Newton:

2) Corpusculii ușori au dimensiuni diferite. Cele mai mari particule, care intră în ochi, dau impresia unei culori roșii, cea mai mică - violet.

3) Albul este un amestec de toate culorile: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru deschis, albastru, violet.

4) Reflecția luminii de la suprafață are loc datorită reflectării corpusculilor din perete conform legii impactului elastic absolut (Fig. 2).

5) Fenomenul refracției luminii se explică prin faptul că corpusculii sunt atrași de particulele mediului. Cu cât mediul este mai dens, cu atât unghiul de refracție este mai mic.

Principalele dispoziții ale teoriei undelor a luminii a lui Huygens.

1) Lumina este propagarea impulsurilor periodice elastice în eter. Aceste impulsuri sunt longitudinale și similare cu impulsurile de sunet din aer.

2) Eterul este un mediu ipotetic care umple spațiul ceresc și golurile dintre particulele corpurilor. Este fără greutate, nu respectă legea gravitației universale și are o elasticitate mare.

3) Principiul propagării vibrațiilor eterului este astfel încât fiecare punct, la care ajunge excitația, este centrul undelor secundare. Aceste unde sunt slabe, iar efectul este observat numai acolo unde trece anvelopa lor.

suprafață - front de undă (principiul Huygens) (Fig. 3).

Undele de lumină care vin direct de la sursă provoacă senzația de a vedea.

Un punct foarte important în teoria lui Huygens a fost presupunerea că viteza de propagare a luminii era finită. Folosind principiul său, omul de știință a reușit să explice multe dintre fenomenele opticii geometrice:

- fenomenul reflectării luminii și legile sale;

- fenomenul refracției luminii și legile sale;

- fenomenul reflexiei interne totale;

- fenomenul birefringenței;

- principiul independenței razelor de lumină.

Teoria lui Huygens a dat următoarea expresie pentru indicele de refracție al unui mediu:

Formula arată că viteza luminii ar trebui să depindă invers de indicele absolut al mediului. Această concluzie a fost opusă concluziei care rezultă din teoria lui Newton. Nivelul scăzut al tehnologiei experimentale din secolul al XVII-lea a făcut imposibilă stabilirea teoriei corecte.

Mulți s-au îndoit de teoria valurilor lui Huygens, dar printre puținii susținători ai viziunilor valurilor asupra naturii luminii s-au numărat M. Lomonosov și L. Euler. Odată cu cercetarea acestor oameni de știință, teoria lui Huygens a început să prindă contur ca o teorie a undelor și nu doar oscilații aperiodice care se propagă în eter.

Puncte de vedere asupra naturii luminii din XIX - XX secole.

În 1801, T. Jung a efectuat un experiment care a uimit oamenii de știință din lume (Fig. 4)

S - sursă de lumină;

E - ecran;

B și C sunt fante foarte înguste distanțate la 1-2 mm.

Principalele prevederi ale teoriei undelor Fresnel.

- Lumina - propagarea vibrațiilor în eter la o viteză, unde modulul de elasticitate al eterului, r- densitatea eterului;

- Undele luminoase sunt transversale;

- Eterul ușor are proprietățile unui corp elastic-solid, este absolut incompresibil.

La trecerea de la un mediu la altul, elasticitatea eterului nu se schimbă, dar densitatea acestuia se schimbă. Indicele de refracție relativ al substanței.

Vibrațiile laterale pot apărea simultan în toate direcțiile perpendiculare pe direcția de propagare a undei.

Opera lui Fresnel a câștigat recunoașterea oamenilor de știință. În curând, a apărut o serie întreagă de lucrări experimentale și teoretice, care confirmă natura undelor luminii.

- emisia de lumină este discretă;

- absorbția are loc și în porțiuni discrete, în cuante.

Energia fiecărei cuantice este reprezentată de formulă E = h n, Unde h Este constanta lui Planck și n Este frecvența luminii.

La cinci ani după Planck, a ieșit lucrarea fizicianului german Einstein asupra efectului fotoelectric. Einstein credea:

- lumina care nu a intrat încă în interacțiune cu materia are o structură granulară;

- elementul structural al radiației discrete de lumină este un foton.

Astfel, a apărut o nouă teorie cuantică a luminii, născută pe baza teoriei corpusculare a lui Newton. Cuanticul acționează ca un corpuscul.

Prevederi de bază.

- Lumina este emisă, distribuită și absorbită în porțiuni discrete - quanta.

- Cuantum de lumină - un foton transportă energie proporțională cu frecvența undei cu care este descris de teoria electromagnetică E = h n .

- Foton, are masă (), impuls și impuls unghiular ().

- Un foton, ca particulă, există doar în mișcare, a cărui viteză este viteza de propagare a luminii într-un mediu dat.

- Pentru toate interacțiunile la care participă un foton, legile generale ale conservării energiei și impulsului sunt valabile.

- Un electron dintr-un atom poate fi doar în anumite stări staționare discrete și stabile. În timp ce se află în stări staționare, atomul nu radiază energie.

- Când trece de la o stare staționară la alta, un atom emite (absoarbe) un foton cu o frecvență, (unde E1și E2 Sunt energiile stărilor inițiale și finale).

Optica este o ramură a fizicii care studiază proprietățile și natura fizică a luminii, precum și interacțiunea acesteia cu materia.

Conceptul de fascicul de lumină poate fi obținut din considerarea unui fascicul de lumină real într-un mediu omogen, din care se extrage un fascicul paralel îngust cu ajutorul unei diafragme. Cu cât diametrul acestor găuri este mai mic, cu atât fasciculul emis este mai îngust, iar în limită, trecând în găuri în mod arbitrar mic, s-ar părea că un fascicul de lumină poate fi obținut ca o linie dreaptă. Dar un astfel de proces de extragere a unui fascicul (rază) arbitrar îngustă este imposibil din cauza fenomenului de difracție. Expansiunea unghiulară inevitabilă a unui fascicul de lumină real transmis printr-o diafragmă cu diametrul D este determinată de unghiul de difracție j ~ l / D... Numai în cazul limitativ când l= 0, o astfel de expansiune nu ar avea loc și s-ar putea vorbi despre o rază ca o linie geometrică, a cărei direcție determină direcția de propagare a energiei luminoase.

Ochiul ca sistem optic.

Organul uman de viziune este ochii, care în multe privințe reprezintă un sistem optic foarte perfect.

În general, ochiul uman este un corp sferic de aproximativ 2,5 cm în diametru, care se numește glob ocular (Fig. 5). Coaja exterioară opacă și durabilă a ochiului se numește sclera, iar partea sa transparentă și mai convexă se numește cornee. La interior, sclera este acoperită cu o coroidă, care constă din vase de sânge care alimentează ochiul. Împotriva corneei, coroida trece în iris, care este colorat inegal în diferite persoane, care este separat de cornee printr-o cameră cu o masă apoasă transparentă.

Coroida din partea interioară a ochiului este acoperită cu ramuri ale nervului fotosensibil, mai ales dens opus pupilei. Aceste ramificații formează o membrană reticulară pe care se obține imaginea reală a obiectelor, creată de sistemul optic al ochiului. Spațiul dintre retină și lentilă este umplut cu un corp vitros transparent cu o structură gelatinoasă. Imaginea obiectelor de pe retină este inversată. Cu toate acestea, activitatea creierului, care primește semnale de la nervul sensibil la lumină, ne permite să vedem toate obiectele în poziții naturale.

Astfel, „focalizarea” ochiului uman se realizează prin schimbarea puterii optice a lentilei cu ajutorul mușchiului inelar. Capacitatea sistemului optic al ochiului de a crea imagini clare ale obiectelor situate la diferite distanțe de acesta se numește acomodare (din latinescul „acomodare” - adaptare). Când privim obiecte foarte îndepărtate, raze paralele cad în ochi. În acest caz, se spune că ochiul este acomodat la infinit.

Convergența axelor vizuale ale ochilor la un anumit punct se numește convergență. Când obiectele sunt situate la o distanță considerabilă de o persoană, atunci când mișcă ochii de la un obiect la altul între axele ochilor, practic nu se schimbă și persoana își pierde capacitatea de a determina corect poziția obiectului. Când obiectele sunt foarte îndepărtate, axele ochilor sunt paralele, iar persoana nici măcar nu poate determina dacă obiectul se mișcă sau nu, la care se uită. Forța mușchiului inelar, care comprimă lentila atunci când examinează obiecte situate în apropierea persoanei, joacă, de asemenea, un rol în determinarea poziției corpurilor. oaie.

Spectru oskop.

Un spectroscop este folosit pentru a observa spectrele.

Cel mai comun spectroscop prismatic este format din două tuburi, între care este plasată o prismă triunghiulară (Fig. 7).

Dintre dispozitive, proiectoarele pentru măsurarea și controlul pieselor cu un contur complex și dimensiuni reduse au fost primele care s-au răspândit.

Al doilea dispozitiv cel mai obișnuit este un microscop universal de măsurare, în care piesa de măsurat se mișcă pe un cărucior longitudinal, iar microscopul cap - pe unul transversal.

Instrumentele optice de măsurare sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în geodezie (nivel, teodolit etc.).

Nivel - un instrument geodezic pentru măsurarea cotelor punctelor de pe suprafața pământului - nivelare, precum și pentru setarea direcțiilor orizontale în timpul asamblării etc. lucrări.

Concluzie.

Comitetul pentru Educație din Moscova

Despre lume R T

Colegiul tehnologic din Moscova

Departamentul de Științe ale Naturii

Lucrare finală în fizică

Pe subiect :

Interpretat de un student din grupa 14: Ryazantseva Oksana

Profesor: Gruzdeva L.N.

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

- Zhdanov L.S. Zhdanov G.L. Fizica pentru instituțiile de învățământ secundar - Moscova: Nauka, 1981.

- Landsberg G.S. Optică - Moscova: Nauka, 1976.

- Landsberg G.S. Manual de fizică elementară. - M.: Nauka, 1986.

- A.M. Prokhorov Marea Enciclopedie Sovietică. - M.: Enciclopedia sovietică, 1974.

- Sivukhin D.V. Curs general de fizică: Optică - Moscova: Nauka, 1980.