Як оптика із фізики допомагає людям. Оптика як розділ фізики. Квантова та фізіологічна оптика

Вчені давнини, які жили в 5 столітті до нашої ери, висловлювали припущення, що все в природі та цьому світі умовно, а реальністю можна назвати лише атоми та порожнеча. На сьогоднішній день збереглися важливі історичні документи, що підтверджують поняття будови світла як постійного потоку частинок, які мають певні фізичні властивості. Однак сам термін оптика з'явиться набагато пізніше. Зерна таких філософів, як Демокріт і Евкліда, посіяні при осягненні структури всіх процесів, що відбуваються на землі, дали свої паростки. Тільки на початку 19 століття класична оптика змогла набути своїх характерних рис, відомі сучасними вченими, і постала як повноцінна наука.

Визначення 1

Оптика - величезний розділ фізики, який вивчає і розглядає явища, що безпосередньо пов'язані з поширенням потужних електромагнітних хвиль видимого спектру, а також близьких до нього діапазонів.

Основна класифікація зазначеного розділу відповідає історичному розвитку вчення про специфіку будови світла:

геометрична - 3 століття до нашої ери (Евклід);
фізична - 17 століття (Гюйгенс);
квантова - 20 століття (Планк).

Оптика повністю характеризує властивості заломлення світла і пояснює явища, які безпосередньо стосуються цього питання. Способи та принципи оптичних систем і використовуються в багатьох прикладних дисциплінах, включаючи фізику, електротехніку, медицину (особливо офтальмологію). У цих, а також у міждисциплінарних областях величезною популярністю користуються досягнення прикладної оптики, які поряд з точною механікою створюють міцну основу оптико-механічної промисловості.

Природа світла

Оптика вважається одним із перших та головних розділів фізики, де була представлена обмеженість стародавніх уявлень про природу.

В результаті вченим вдалося встановити подвійність природних явищ та світла:

корпускулярна гіпотеза світла, що бере початок від Ньютона, вивчає цей процес як потік елементарних частинок-фотонів, де абсолютно будь-яке випромінювання здійснюється дискретно, а мінімальна порція потужності даної енергії має частоту і величину, що відповідають інтенсивності світла, що випромінюється;
хвильова теорія світла, що бере початок від Гюйгенса, має на увазі концепцію світла як сукупність паралельних монохроматичних електромагнітних хвиль, що спостерігаються в оптичних явищах і представлених в результаті дій цих хвиль.

За таких властивостей світла відсутність переходу сили та енергії випромінювання в інші види енергії вважається цілком нормальним процесом, оскільки електромагнітні хвилі не взаємодіють один з одним у просторовому середовищі інтерференційних явищ, адже світлові ефекти продовжують поширюватися без зміни своєї специфіки.

Хвильова та корпускулярна гіпотези електричного та магнітного випромінювання знайшла своє застосування у наукових працях Максвелла у формі рівнянь.

Таке нове уявлення про світло, як про хвилю, що постійно рухається, дає можливість пояснити процеси, пов'язані з дифракцією та інтерференцією, серед яких є і структура світлового поля.

Характеристики світла

Протяжність світлової хвилі $\lambda$ безпосередньо залежить від загальної швидкості поширення цього явища в просторовому середовищі $v$ і пов'язана з частотою $\nu$ таким співвідношенням:

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

де $n$ - параметр заломлення середовища. Загалом цей показник є основною функцією довжини електромагнітної хвилі: $n=n(\lambda)$.

Залежність коефіцієнта заломлення хвильової довжини проявляється як явища систематичної дисперсії світла. Універсальним і досі маловивченим поняттям у фізиці вважається швидкість світла $c$. Її особливе значення в абсолютній порожнечі є не тільки максимальною швидкістю дисемінації потужних електромагнітних частот, а також граничною інтенсивністю поширення інформації або іншого фізичного впливу на матеріальні об'єкти. При збільшенні руху потоку світла у різних областях початкова швидкість світла $v$ найчастіше зменшується: $v = \frac(c)(n)$.

Головними особливостями світла є:

спектральний та комплексний склад, що визначається масштабом довжин хвиль світла;
поляризація, що визначається загальною зміною просторового середовища електричного вектора шляхом поширення хвилі;
напрямок дисемінації променя світла, що має збігатися з хвильовим фронтом за відсутності процесу подвійного променезаломлення.

Квантова та фізіологічна оптика

Ідея детального опису електромагнітного поля за допомогою квантів з'явилася ще на початку 20 століття і була озвучена Максом Планком. Вчені припустив, що постійне випромінювання світла здійснюється у вигляді певних частинок – квантів. Через 30 років було доведено, що світло не тільки випромінюється парціально та паралельно, а й поглинається.

Це дозволило Альберту Ейнштейну визначити дискретну структуру світла. У наші дні вчені називають кванти світла фотонами, а сам потік розглядається як цілісна група елементів. Таким чином, у квантовій оптиці світло розглядається як потік частинок, і як хвиль одночасно, так як такі процеси, як інтерференція та дифракція неможливо пояснити шляхом тільки одного потоку фотонів.

У 20 століття дослідницька діяльність Брауна–Твисса, дозволила точніше визначити територію використання квантової оптики. Роботи вченого довели, що певна кількість джерел світла, які випромінюють фотони на два фотоприймачі та подають постійний звуковий сигнал про реєстрацію елементів, можуть змусити апарати функціонувати одночасно.

Використання практичного використання некласичного світла призвело дослідників до неймовірних результатів. У зв'язку з цим, квантова оптика є унікальним сучасним напрямом з величезними можливостями в дослідженні та застосуванні.

Зауваження 1

Сучасна оптика вже давно включає багато сфер наукового світу і розробки, які користуються попитом і популярністю.

Ці області оптичної науки мають безпосереднє відношення до електромагнітних або квантових властивостей світла, включаючи й інші області.

Визначення 2

Фізіологічна оптика - нова міждисциплінарна наука, що вивчає зорове сприйняття світла та поєднує інформацію з біохімії, біофізики та психології.

Враховуючи всі закони оптики, даний розділ науки базується на зазначених науках та має особливий практичний напрямок. Дослідженню піддаються елементи зорового апарату, а також приділяється особлива увага унікальним явищам, таким як оптична ілюзія та галюцинації. Результати робіт у цій галузі використовуються у фізіології, медицині, оптичній техніці та кіноіндустрії.

На сьогоднішній день слово оптика найчастіше вживається як назва магазину. Звичайно, в таких спеціалізованих точках можна придбати різноманітні прилади технічної оптики - лінзи, окуляри, що захищають зір механізми. На даному етапі магазини має сучасне обладнання, яке дозволяє на місці точно визначити гостроту зору, а також встановити існуючі проблеми та способи їх усунення.

АБСОЛЮТНО ЧОРНЕ ТІЛО- Уявна модель тіла, яке при будь-якій температурі повністю поглинає все електромагнітне випромінювання, що падає на нього, незалежно від спектрального складу. Випромінювання А.ч.т. визначається лише його абсолютною температурою і залежить від природи речовини.

БІЛИЙ СВІТ- Складне електромагнітневипромінювання , відчуття, що викликає в очах людини, нейтральне в колірному відношенні.

ВИДИМЕ ВИМИКАННЯ- оптичне випромінювання з довжинами хвиль 380 - 770 нм, здатне викликати зорове відчуття у власних очах людини.

ЗМІШЕНЕ ВИМИКАННЯ, індуковане випромінювання - випромінювання електромагнітних хвиль частинками речовини (атомами, молекулами та інших.), що у збудженому, тобто. нерівноважному стані під дією зовнішнього вимушального випромінювання. В.І. когерентно (Див. когерентність) з вимушальним випромінюванням і за певних умов може призвести до посилення та генерації електромагнітних хвиль. Див. також квантовий генератор.

ГОЛОГРАМА- зареєстрована на фотопластинці інтерференційна картина, утворена двома когерентними хвилями (див. когерентність): опорною хвилею і хвилею, відбитої від об'єкта, освітленого тим самим джерелом світла. Під час відновлення Р. ми сприймаємо об'ємне зображення об'єкта.

ГОЛОГРАФІЯ- метод отримання об'ємних зображень предметів, заснований на реєстрації та подальшому відновленні фронту хвилі, відображеної цими предметами. Отримання голограми ґрунтується на .

ГЮЙГЕНСА ПРИНЦИП- метод, що дозволяє визначити положення фронту хвилі будь-якої миті часу. Відповідно до г.п. всі точки, якими проходить фронт хвилі в останній момент часу t, є джерелами вторинних сферичних хвиль, а шукане становище фронту хвилі у час t+Dt збігається з поверхнею, огибающей всі вторинні хвилі. Дозволяє пояснити закони відображення та заломлення світла.

ГЮЙГЕНСА - ФРЕНЕЛЯ - ПРИНЦИП- наближений метод розв'язання задач про поширення хвиль. Г.-Ф. п. говорить: у будь-якій точці, що знаходиться поза довільною замкнутою поверхні, що охоплює точкове джерело світла, світлова хвиля, що збуджується цим джерелом, може бути представлена як результат інтерференції вторинних хвиль, що випромінюються всіма точками зазначеної замкнутої поверхні. Дозволяє вирішувати найпростіші завдання.

ТИСК СВІТУ - тиск,виробляється світлом на поверхню, що освітлюється. Відіграє велику роль у космічних процесах (утворення хвостів комет, рівновага великих зірок тощо).

ДІЙСНИЙ ЗОБРАЖЕННЯ- Див. .

ДІАФРАГМА- пристрій для обмеження або зміни світлового пучка в оптичній системі (напр. зіниця ока, оправа лінзи, Д. об'єктива фотоапарата).

ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА- Залежність абсолютного показника заломленняречовини від частоти світла Розрізняють нормальну Д., за якої зі збільшенням частоти швидкість світлової хвилі зменшується, і аномальну Д., за якої швидкість хвилі зростає. Внаслідок Д.С. вузький пучок білого світла, проходячи крізь призму зі скла чи іншої прозорої речовини, розкладається в дисперсійний спектр, утворюючи на екрані райдужну смужку.

Дифракційні грати- фізичний прилад, що представляє собою сукупність великої кількості паралельних штрихів однакової ширини, нанесених на прозору або поверхню, що відображає, на однаковій відстані один від одного. У результаті Д.р. утворюється дифракційний спектр - чергування максимумів та мінімумів інтенсивності світла.

ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА- сукупність явищ, які зумовлені хвильовою природою світла і спостерігаються при його поширенні серед з різко вираженими неоднорідностями (напр., при проходженні через отвори, поблизу меж непрозорих тіл і т.д.). У вузькому значенні під Д.С. розуміють огинання світлом малих перешкод, тобто. відхилення від законів геометричної оптики Відіграє важливу роль у роботі оптичних приладів, обмежуючи їх роздільна здатність.

ДОПЛЕРА ЕФЕКТ– явище зміна частоти коливаньзвукових або електромагнітних хвиль, що сприймається спостерігачем, внаслідок взаємного руху спостерігача та джерела хвиль. При зближенні виявляється збільшення частоти, при видаленні - зниження.

ПРИРОДНЕ СВІТЛО- сукупність некогерентних світлових хвиль з усіма можливими площинами коливань та з однаковою інтенсивністю коливань у кожній з таких площин. Є.С. випромінюють майже всі природні джерела світла, т.к. вони складаються з великої кількості по-різному орієнтованих центрів випромінювання (атомів, молекул), що випускають світлові хвилі, фаза і площина коливань яких можуть приймати всі можливі значення. Див. також поляризація світла, когерентність.

ДЗЕРКАЛО ОПТИЧНЕ- Тіло з полірованою або покритою шаром, що відбиває (срібло, золото, алюміній і т.д.) поверхнею, на якій відбувається відображення, близьке до дзеркального (див. відображення).

ЗОБРАЖЕННЯ ОПТИЧНЕ– зображення об'єкта, одержуване внаслідок дії оптичної системи (лінз, дзеркал) на світлові промені, що випускаються або відображаються об'єктом. Розрізняють дійсне (виходить на екрані або сітківці ока при перетині променів, що пройшли через оптичну систему) і уявне І.о . (виходить на перетині продовжень променів).

ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА- явище накладання двох чи кількох когерентнихсвітлових хвиль, лінійно поляризованих в одній площині, при якому в просторі відбувається перерозподіл енергії результуючої світлової хвилі в залежності від співвідношення між фазами цих хвиль. Результат І.С., що спостерігається на екрані або фотопластинці, називається інтерференційною картиною. І. білого світла призводить до утворення райдужної картини (колір тонких плівок і т.д.). Знаходить застосування у голографії, при просвітленні оптики тощо.

ІНФРАЧЕРВОНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ - електромагнітне випромінюванняз довжинами хвиль від 0,74 мкм до 1-2 мм. Випускається всіма тілами, що мають температуру вище за абсолютного нуля (теплове випромінювання).

КВАНТ СВІТЛА- те саме, що фотон.

КОЛІМАТОР- оптична система, призначена для одержання пучка паралельних променів.

КОМПТОНУ ЕФЕКТ– явище розсіювання електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського та гамма випромінювання) на вільних електронах, що супроводжується збільшенням довжини хвилі.

ЛАЗЕР, оптичний квантовий генератор - квантовий генераторелектромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні Генерує монохроматичне когерентне електромагнітне випромінювання, яке має вузьку спрямованість і значну питому потужність. Застосовується в оптичній локації, для обробки твердих та тугоплавких матеріалів, у хірургії, спектроскопії та голографії, для нагрівання плазми. Порівн. Мазер.

ЛІНІЙНІ СПЕКТРИ- Спектри, що складаються з окремих вузьких спектральних ліній. Випромінюються речовинами в атомарному стані.

Лінзаоптична - прозоре тіло, обмежене двома криволінійними (частіше сферичними) або криволінійною та плоскою поверхнями. Лінзу називають тонкою, якщо її товщина мала порівняно з радіусами кривизни її поверхонь. Розрізняють збираючі (перетворюючі паралельний пучок променів у сходящийся) і розсіюючі (перетворюючі паралельний пучок променів у лінзи, що розходиться). Використовуються в оптичних, оптико-механічних, фотографічних приладах.

ЛУПА- збираюча лінзаабо система лінз з невеликою фокусною відстанню (10 – 100 мм), дає 2 – 50-кратне збільшення.

ПРОМІНЬ- Уявна лінія, вздовж якої поширюється енергія випромінювання в наближенні геометричної оптики, тобто. якщо немає дифракційні явища.

МАЗЕР - квантовий генераторелектромагнітного випромінювання у сантиметровому діапазоні. Характеризується високою монохроматичністю, когерентністю та вузькою спрямованістю випромінювання. Застосовується у радіозв'язку, радіоастрономії, радіолокації, а також як генератор коливань стабільної частоти. Порівн. .

МАЙКЕЛЬСОНА ДОСВІД- досвід, поставлений з метою виміряти вплив руху Землі на значення швидкості світла. Негативний результат М.о. став однією з експериментальних підстав відносності теорії.

МІКРОСКОП- оптичний прилад спостереження малих об'єктів, невидимих неозброєним оком. Збільшення мікроскопа обмежується і вбирається у 1500. Порівн. електронний мікроскоп.

УВАГА ЗОБРАЖЕННЯ- Див. .

МОНОХРОМАТИЧНЕ ВИМИКАННЯ- Уявна модель електромагнітного випромінюванняоднієї певної частоти. Суворого м.і. немає, т.к. всяке реальне випромінювання обмежена у часі і охоплює певний інтервал частот. Джерела випромінювання близького до м. - квантові генератори

ОПТИКА- Розділ фізики, що вивчає закономірності світлових (оптичних) явищ, природу світла та його взаємодії з речовиною.

ОПТИЧНА ВОСЬ- 1) ГОЛОВНА - пряма, на якій розташовані центри заломлюючих або відбивають поверхонь, що утворюють оптичну систему; 2) Побічна - будь-яка пряма, що проходить через оптичний центр тонкої лінзи.

ОПТИЧНА СИЛАлінзи - величина, що застосовується для опису заломлюючої дії лінзи та зворотна фокусної відстані. D=1/F. Вимірюється у діоптріях (дптр).

ОПТИЧНЕ ВИМИКАННЯ- електромагнітне випромінювання, довжини хвиль якого перебувають у інтервалі від 10 нм до 1 мм. До о.і. відносяться інфрачервоне випромінювання, , .

Відображення СВІТУ– процес повернення світлової хвилі при її падінні на поверхню розділу двох середовищ, що мають різні показники заломлення.назад у початкову середу. Завдяки о.с. ми бачимо тіла, які не випромінюють світло. Розрізняють дзеркальне відбиття (паралельний пучок променів зберігає паралельність після відбиття) і дифузне відбиття (паралельний пучок перетворюється на розбіжний).

- явище, що спостерігається при переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне, якщо кут падіння більший за граничний кут падіння , де n – показник заломлення другого середовища щодо першого. У цьому світло повністю відбивається межі розділу середовищ.

ВІДЗНАЧЕННЯ ХВИЛЬ ЗАКОН- промінь, що падає, промінь відбитий і перпендикуляр, відновлений в точку падіння променя, лежать в одній площині, причому кут падіння дорівнює куту заломлення. Закон справедливий для дзеркального відображення.

ПОГЛАЩЕННЯ СВІТУ- зменшення енергії світлової хвилі при її поширенні в речовині, що відбувається внаслідок перетворення енергії хвилі в внутрішню енергіюречовини або енергію вторинного випромінювання, що має інший спектральний склад та інший напрямок поширення.

1) АБСОЛЮТНИЙ - величина, що дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до фазової швидкості світла в даному середовищі: . Залежить від хімічного складу середовища, його стану (температури, тиску тощо) та частоти світла (див. дисперсія світла).2) ВІДНОСНИЙ - (п.п. другої середовища щодо першої) величина дорівнює відношенню фазової швидкості у першому середовищі до фазової швидкості у другій: . О.П.П. дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення другого середовища до абсолютного п.п. перового середовища.

ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА– явище, що призводить до упорядкування векторів напруженості електричного поля та магнітної індукції світлової хвилі у площині, перпендикулярній світловому променю. Найчастіше виникає при відображенні та заломленні світла, а також при поширенні світла в анізотропному середовищі.

ПРОЛАМЛЕННЯ СВІТЛА- явище, що полягає у зміні напряму поширення світла (електромагнітної хвилі) при переході з одного середовища в інше, що відрізняється від першої показником заломлення. Для заломлення виконується закон: падаючий промінь, промінь заломлений і перпендикуляр, відновлений в точку падіння променя, лежать в одній площині, причому для даних двох середовищ відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна, звана відносним показником заломленнядругого середовища щодо першого. Причиною заломлення є відмінність фазових швидкостей у різних середовищах.

ПРИЗМА ОПТИЧНА- Тіло з прозорої речовини, обмежене двома непаралельними площинами, на яких відбувається заломлення світла. Застосовується в оптичних та спектральних приладах.

РІЗНІСТЬ ХОДУ– фізична величина, що дорівнює різниці оптичних довжин шляхів двох світлових променів.

РОЗСІЯ СВІТЛА- явище, що полягає у відхиленні світового пучка, що розповсюджується в середовищі, у всіляких напрямках. Зумовлено неоднорідністю середовища проживання і взаємодією світла з частинками речовини, у якому змінюється напрям поширення, частота і площину коливань світлової хвилі.

СВІТЛО, світлове випромінювання - , що може викликати зорове відчуття

СВІТЛОВА ХВИЛЬ - електромагнітна хвиляу діапазоні довжин хвиль видимого випромінювання. Частота (набір частот) С.В. визначає колір, енергія с.в. пропорційна квадрату її амплітуди.

СВІТЛОВОД- канал передачі світла, має розміри в багато разів перевищують довжину хвилі світла. Світло у с. поширюється завдяки повному внутрішньому відбитку.

ШВИДКІСТЬ СВІТЛАу вакуумі (c) - одна з основних фізичних постійних, рівна швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. с = (299792458 ± 1,2) м / с. С.С. - гранична швидкість поширення будь-яких фізичних взаємодій.

СПЕКТР ОПТИЧНИЙ- розподіл за частотами (або довжинами хвиль) інтенсивності оптичного випромінювання деякого тіла (спектр випромінювання) або інтенсивності поглинання світла при його проходженні через речовину (спектр поглинання). Розрізняють С.о.: лінійчасті, що складаються з окремих спектральних ліній; смугасті, що складаються з груп (смуг) близьких спектральних ліній; суцільні, відповідні випромінювання (випускання) чи поглинання світла широкому інтервалі частот.

СПЕКТРАЛЬНІ ЛІНІЇ- Вузькі ділянки у спектрах оптичних, що відповідають практично одній частоті (довжині хвилі). Кожна С. л. відповідає певному квантового переходу.

СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ- фізичний метод якісного та кількісного аналізу хімічного складу речовин, заснований на вивченні їх спектрів оптичних.Відрізняється високою чутливістю та застосовується в хімії, астрофізиці, металургії, геологічній розвідці і т. д. Теоретичною основою С. а. є .

СПЕКТРОГРАФ- оптичний прилад для отримання та одночасної реєстрації спектра випромінювання. Основна частина С. – оптична призмаабо .

СПЕКТРОСКОП- Оптичний прилад візуального спостереження спектра випромінювання. Основна частина С. - оптична призма.

СПЕКТРОСКОПІЯ- розділ фізики, що вивчає спектри оптичніз метою з'ясування будови атомів, молекул, а також речовини у його різних агрегатних станах.

ЗБІЛЬШЕННЯоптичної системи - відношення розмірів зображення, що дається оптичною системою, до справжніх розмірів предмета.

УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ- електромагнітне випромінювання із довжиною хвиль у вакуумі від 10 нм до 400 нм. Викликають у багатьох речовин та люмінесценцію. Біологічно активно.

Фокальна плоскість- Площина, перпендикулярна до оптичної осі системи і проходить через її головний фокус.

ФОКУС- точка, в якій збирається паралельний пучок світлових променів, що пройшов через оптичну систему. Якщо пучок паралельний головній оптичній осі системи, то Ф. лежить на цій осі і називається головним.

ФОКУСНА ВІДСТАНЬ- відстань між оптичним центром тонкої лінзи та фокусом. ФОТОЕФЕКТ, фотоелектричний ефект – явище випромінювання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання (зовнішній ф.). Спостерігається у газах, рідинах та твердих тілах. Відкритий Г.Герцем та досліджений А.Г.Столетовим. Основні закономірності ф. пояснено на основі квантових уявлень А. Ейнштейном.

КОЛІР- зорове відчуття, що викликається світлом відповідно до його спектрального складу і інтенсивності випромінювання, що відбивається або випускається.

Шемяков Н. Ф.

фізика. ч. 3. Хвильова та квантова оптика, будова атома та ядра, фізична картина світу.

Викладаються фізичні основи хвильової та квантової оптик, будова атома та ядра, фізична картина світу відповідно до програми загального курсу фізики для технічних вузів.

Особлива увага приділяється розкриттю фізичного змісту, змісту основних положень та понять статистичної фізики, а також практичному застосуванню розглянутих явищ з урахуванням висновків класичної, релятивістської та квантової механіки.

Призначено студентам 2-го курсу дистанційного навчання, може використовуватися студентами очної форми навчання, аспірантами та викладачами фізики.

З небес космічні зливи заструмили, Несучи потоки позитронів на хвостах комет. Мезони, навіть бомби з'явилися Яких там резонансів тільки немає...

7. ХВИЛЬНА ОПТИКА

1. Природа світла

Згідно з сучасними уявленнями світло має корпускулярнихвильову природу.З одного боку, світло веде себе подібно до потоку частинок - фотонів, які випромінюються, поширюються і поглинаються у вигляді квантів. Корпускулярна природа світла проявляється, наприклад, у явищах

фотоефекту, ефекту Комптону.З іншого боку, світла властиві хвильові властивості. Світло – електромагнітні хвилі.Хвильова природа світла проявляється, наприклад, у явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії та ін.Електромагнітні хвилі є

поперечними.

У електромагнітної хвилі відбуваються коливання векторів

електричного поля E і магнітного поля H , а не речовини як, наприклад, у разі хвиль на воді або натягнутому шнурі. Електромагнітні хвилі поширюються у вакуумі зі швидкістю з 3108 м/с. Таким чином, світло є реальним фізичним об'єктом, який не зводиться ні до хвилі, ні до частки у звичайному сенсі. Хвилі і частки є лише дві форми матерії, в яких проявляється та сама фізична сутність.

7.1. Елементи геометричної оптики

7.1.1. Принцип Гюйгенса

	При поширенні хвиль у середовищі, у тому
	числа та електромагнітних, для знаходження нового
	фронту хвилі у будь-який момент часу
	використовують принцип Ґюйгенса.
	Кожна точка фронту хвилі є
	джерелом вторинних хвиль.
	В однорідному ізотропному середовищі хвильові
	поверхні вторинних хвиль мають вигляд сфер
	радіусу v t,	де v швидкість поширення

	хвилі в середовищі.	Проводячи огинаючу хвильових

фронтів вторинних хвиль, отримуємо новий фронт хвилі в даний час (рис. 7.1, а, б).

7.1.2. Закон відображення

Використовуючи принцип Гюйгенса, можна довести закон відображення електромагнітних хвиль на межі розділу двох діелектриків.

Кут падіння дорівнює куту відбиття. Промені, що падає і відбитий, разом з перпендикуляром до межі розділу двох діелектриків, лежать у

до ЦД називають кутом падіння. Якщо в даний момент часу фронт падаючої хвилі ОВ досягає т. О, то згідно з принципом Гюйгенса ця точка

починає випромінювати вторинну хвилю. За час		t = ВО1 /v промінь, що падає 2
	досягає т. О1. За цей же час фронт вторинний
	хвилі, після відображення в т. О, поширюючись на
	тому ж середовищі, досягає точок півсфери,
	радіусом ОА = v	t = BO1. Новий фронт хвилі
	зображено площиною АО1 , а напрямок
	поширення	променем ОА. Кут називають
	кутом відбиття. З рівності трикутників
	ВАТ1 і ОВО1 слідує закону відображення: кут
	падіння дорівнює куту відбиття.

	7.1.3. Закон заломлення
	Оптично однорідне середовище 1 характеризується абсолютним
показником заломлення
показником заломлення

	швидкість світла у вакуумі; v1		швидкість світла в першому середовищі.




де v2
	Ставлення	n2/n1 = n21

називають відносним показником заломлення другого середовища щодо першого.

частот. Якщо швидкість розповсюдження світла в першому середовищі v1, а в другій v2,

середовищі (відповідно до принципу Гюйгенса), досягає точок півсфери, радіус якої ОВ = v2 t. Новий фронт хвилі, що розповсюджується в другому середовищі, зображується площиною ВО1 (рис. 7.3), а напрямок її

поширення променями ОВ та О1 С (перпендикулярними до фронту хвилі). Кут між променем ОВ і нормаллю до межі розділу двох діелектриків

точці О називають кутом заломлення.З трикутників ВАТ1

ОВО1

слід, що АО1 =ОО1 sin

OB = OO1 sin.

Їхнє ставлення і виражає закон

заломлення (закон Снелліуса):

n21.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута

заломлення

відносному

показником заломлення двох середовищ.

7.1.4. Повне внутрішнє відображення

Відповідно до закону заломлення на межі поділу двох середовищ можна

спостерігати повне внутрішнє відображенняякщо n1 > n2 , тобто.

7.4). Отже, існує такий граничний кут падіння

пр , коли

900 . Тоді закон заломлення

набуває наступного вигляду:

sin пр =

(Sin 900 = 1)

При подальшому

збільшенні

повністю

відбивається від межі поділу двох середовищ.

Таке явище називають повним внутрішнім відображеннямі широко використовують в оптиці, наприклад, зміни напряму світлових променів (рис. 7. 5, а, б). Застосовується у телескопах, біноклях, волоконній оптиці та інших оптичних приладах. У класичних хвильових процесах, таких як явище повного внутрішнього відображення електромагнітних хвиль,

спостерігаються явища, аналогічні до тунельного ефекту в квантовій механіці, що пов'язано з корпускулярно-хвильовими властивостями частинок. Дійсно, при переході світла з одного середовища до іншого спостерігається заломлення світла, пов'язане зі зміною швидкості його поширення в різних середовищах. На межі розділу двох середовищ промінь світла поділяється на два: заломлений і відбитий. Відповідно до закону заломлення маємо, що й n1 > n2 , то при > пр спостерігається повне внутрішнє відбиток.

Чому це відбувається? Рішення рівнянь Максвелла показує, що інтенсивність світла в другому середовищі відмінна від нуля, але дуже швидко, за експонентом, загасає при віддаленні від

межі поділу.
	Експериментальна
спостереженню		внутрішнього
відображення наведено на рис. 7.6,
демонструє		проникнення
світла в область, «заборонену»,
геометрична оптика.
		прямокутної

рівнобедреної скляної призми перпендикулярно падає промінь світла і, не заломлюючись, падає на грань 2, спостерігається повне внутрішнє відображення,

/2 від грані 2 помістити таку ж призму, то промінь світла пройде через грань 2* і вийде з призми через грань 1* паралельно променю, що падав на грань 1. Інтенсивність J світлового потоку, що пройшов, експоненційно зменшується зі збільшенням проміжку h між призмами за законом:

Отже, проникнення світла в «заборонену» область є оптичною аналогією квантового тунельного ефекту.

Явище повного внутрішнього відбиття дійсно є повним, тому що при цьому відбивається вся енергія падаючого світла на межу розділу двох середовищ, ніж при відображенні, наприклад, поверхні металевих дзеркал. Використовуючи це явище, можна простежити ще одну

аналогію між заломленням і відображенням світла, з одного боку, та випромінюванням Вавилова-Черенкова, з іншого боку.

7.2. ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ ХВИЛЬ

7.2.1. Роль векторів E та H

Насправді у реальних середовищах можуть поширюватися одночасно кілька хвиль. В результаті складання хвиль спостерігається низка цікавих явищ: інтерференція, дифракція, відображення та заломлення хвильі т.д.

Ці хвильові явища характерні як механічних хвиль, а й електричних, магнітних, світлових тощо. буд. Хвильові властивості виявляють і всі елементарні частинки, що було доведено квантової механікою.

Одне з найцікавіших хвильових явищ, яке спостерігається при поширенні в середовищі двох і більше хвиль, отримало назву інтерференції. Оптично однорідне середовище 1 характеризується

абсолютним показником заломлення
абсолютним показником заломлення

	швидкість світла у вакуумі; v1 швидкість світла в першому середовищі.
Середовище 2 характеризується абсолютним показником заломлення



де v2	швидкість світла у другому середовищі.
Ставлення
Ставлення

називають відносним показником заломлення другого середовища


	використовуючи теорію Максвелла, або


	де 1 2 діелектричні проникності першої і другої середовищ.
	Для вакууму n = 1. Через дисперсію (частоти світла				1014 Гц), наприклад,

для води n = 1,33, а не n = 9 (= 81), як це випливає з електродинаміки для малих частот. Світло електромагнітні хвилі. Тому електромагнітне

поле визначається векторами E і H, що характеризують напруженості електричного та магнітного полів відповідно. Однак у багатьох процесах взаємодії світла з речовиною, наприклад, таких, як вплив світла на органи зору, фотоелементи та інші прилади,

визначальна роль належить вектору E, який оптиці називають світловим вектором.

Усі процеси, які у приладах під впливом світла, викликані дією електромагнітного поля світлової хвилі на заряджені частинки, що входять до складу атомів і молекул. У цих процесах основну роль

грають електрони через велику частоту

вагань

світлового

15 Гц).

чинна

на електрон зі

електромагнітного поля,

F qe (E

0 },

де q e

заряд електрона; v

його швидкість;

магнітна проникність

довкілля;

магнітна стала.

Максимальне значення модуля векторного твору другого

доданку при v

H , з урахуванням

0 Н2 =

0 Е2 ,

виходить

0 Н vе =

vе Е

швидкості світла в

речовині та у вакуумі відповідно;

0 електрична

постійна;

діелектрична проникність речовини.

Причому v >> vе, тому що швидкість світла в речовині v

108 м/c, а швидкість

електрона в атомі vе

106 м/с. Відомо що

циклічна частота; Ra

10 10

розмір атома, відіграє роль

амплітуди вимушених коливань електрона в атомі

Отже,

F ~ qe E , і основну роль відіграє вектор

E , а не

вектор H. Отримані результати добре узгоджуються з даними дослідів. Наприклад, у дослідах Вінера області почорніння фотоемульсії під

дією світла збігаються з пучностями електричного вектора E.

7.3. Умови максимуму та мінімуму інтерференції

Явище накладання когерентних світлових хвиль, у результаті якого спостерігається чергування посилення світла у одних точках простору та ослаблення інших, називають інтерференцією світла.

Необхідною умовою інтерференції світла єкогерентність

складаються синусоїдальних хвиль.

Хвилі називають когерентними, якщо не змінюється з часом різниця фаз хвиль, що складаються, тобто = const .

Цій умові задовольняють монохроматичні хвилі, тобто. хвилі

E , електромагнітних полів, що складаються, відбувалися вздовж одного і того ж або близьких напрямків. При цьому має відбуватися збіг не

лише векторів E , а й H , що спостерігатиметься лише у разі, якщо хвилі поширюються вздовж однієї й тієї ж прямий, тобто. є однаково поляризованими.

Знайдемо умови максимуму та мінімуму інтерференції.

Для цього розглянемо додавання двох монохроматичних, когерентних світлових хвиль однакової частоти (1 = 2 =), що мають рівні амплітуди (Е01 = Е02 = Е0), що здійснюють коливання у вакуумі в одному напрямку за законом синуса (або косинуса), тобто.

		Е01 sin(		01),
		Е02 sin(		02),
де r1 , r2	відстані від джерел S1 та S2		до точки спостереження на екрані;
01, 02	початкові фази; k =	хвильове число.
01, 02	початкові фази; k =	хвильове число.

Відповідно до принципу суперпозиції (встановлений Леонардо Да Вінчі) вектор напруженості результуючого коливання дорівнює геометричній сумі векторів напруженості хвиль, що складаються, тобто.

E 2 .

Для простоти припустимо, що початкові фази хвиль, що складаються

рівні нулю, тобто 01 =

02 = 0. За абсолютною величиною маємо

Е = Е1 + Е2 = 2Е0 sin [

k(r1

k(r2

В (7.16) вираз

r1) n =

оптична різниця ходу

хвиль, що складаються; n

абсолютний показник заломлення середовища.

Для інших середовищ відмінних від вакууму, наприклад, для води (n1, 1),

скла (n2, 2) і т. д. k = k1 n1;

k = k2 n2;

1 n1;

2 n 2;

називають амплітудою результуючої хвилі.

Амплітуда потужності хвилі визначається (для одиниці поверхні фронту хвилі) вектором Пойнтінга, тобто за модулем

0 Е 0 2 cos2 [

k(r2

де П = з w,

0E 2

об'ємна

густина

електромагнітного поля (для вакууму

1), тобто П = с

0 E2.

Якщо J = П

інтенсивність результуючої хвилі, а

J0 = с

0 E 0 2

максимальна інтенсивність її, то з урахуванням

(7.17) та (7.18) інтенсивність

результуючої хвилі буде змінюватися згідно із законом

J = 2J0 (1+ сos).

Різниця фаз хвиль, що складаються

і не залежить від часу, де

2 = t kr2 +

1 = t kr1 +

Амплітуду результуючої хвилі знайдемо за формулою

K(r2

r1) n =

Можливі два випадки:

1. Умова максимуму.

Якщо різниця фаз хвиль, що складаються, дорівнює парному числу


	1, 2, ... , то результуюча амплітуда буде максимальною,

	E 02 E 012 E 022 2E 01E 02
	Е0 = Е01 + Е02.
Отже, амплітуди хвиль складаються,		а за їх рівності
(Е01 = Е02)	результуюча амплітуда подвоюється.
Результуюча інтенсивність також максимальна:
	Jmax = 4J0.

Amangeldinov Mustafa Рахатовіч
Учень
Назарбаєв Інтелектуальна Школа mustafastu123@ gmail. com

Оптика. Історія оптики. Застосування оптики.

Історія розвитку оптики.

Оптика – вчення про природу світла, світлові явища та взаємодію світла з речовиною. І майже вся її історія – це історія пошуку відповіді: що таке світло?

Однією з перших теорій світла – теорія зорових променів – було висунуто грецьким філософом Платоном близько 400 р. до зв. е. Ця теорія передбачала, що з ока виходять промені, які, зустрічаючись з предметами, висвітлюють їх і створюють видимість навколишнього світу. Погляди Платона підтримували багато вчених давнини і, зокрема, Евклід (3 в до н. е.), виходячи з теорії зорових променів, заснував вчення про прямолінійність поширення світла, встановив закон відображення.

У ті роки були відкриті такі факты:

– прямолінійність поширення світла;

– явище відображення світла та закон відображення;

– явище заломлення світла;

– фокусуюча дія увігнутого дзеркала.

Стародавні греки започаткували галузь оптики, що отримала пізню назву геометричної.

Найцікавішою роботою з оптики, що дійшла до нас із середньовіччя, є робота арабського вченого Альгазена. Він займався вивченням відображення світла від дзеркал, явища заломлення та проходження світла у лінзах. Альгазен вперше висловив думку про те, що світло має кінцеву швидкість поширення. Ця гіпотеза стала великим кроком у розумінні природи світла.

В епоху Відродження було здійснено безліч різних відкриттів та винаходів; став стверджуватись експериментальний метод, як основа вивчення та пізнання навколишнього світу.

На основі численних досвідчених фактів у середині XVII століття виникають дві гіпотези про природу світлових явищ:

– корпускулярна, яка передбачала, що світло є потік частинок, що викидаються з великою швидкістю тілами, що світяться;

– хвильова, що стверджувала, що світло є поздовжніми коливальними рухами особливого світлоносного середовища - ефіру - збуджуваної коливаннями частинок тіла, що світиться.

Весь подальший розвиток вчення про світло аж до наших днів – це історія розвитку та боротьби цих гіпотез, авторами яких були І. Ньютон та Х. Гюйгенс.

Основні положення корпускулярної теорії Ньютона:

1) Світло складається з малих частинок речовини, що випускаються у всіх напрямках по прямих лініях, або променях, що світиться тілом, наприклад, свічкою, що горить. Якщо ці промені, що складаються з корпускул, потрапляють у наше око, то ми бачимо їхнє джерело.

2) Світлові корпускули мають різні розміри. Найбільші частинки, потрапляючи у око, дають відчуття червоного кольору, найдрібніші – фіолетового.

3) Білий колір – суміш усіх кольорів: червоного, помаранчевого, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

4) Віддзеркалення світла від поверхні відбувається внаслідок відбиття корпускул від стінки за законом абсолютного пружного удару.

5) Явище заломлення світла пояснюється тим, що корпускули притягуються частинками середовища. Чим середовище щільніше, тим кут заломлення менший від кута падіння.

6) Явище дисперсії світла, відкрите Ньютоном в 1666 р., пояснив так. Кожен колір вже присутній у білому світлі. Всі кольори передаються через міжпланетний простір та атмосферу спільно та дають ефект у вигляді білого світла. Біле світло – суміш різноманітних корпускул – зазнає заломлення, пройшовши через призму. З погляду механічної теорії, заломлення має силам із боку частинок скла, діючим на світлові корпускули. Ці сили різні для різних корпускул. Вони найбільші для фіолетового та найменші для червоного кольору. Шлях корпускул у призмі для кожного кольору переломлюватиметься по-своєму, тому білий складний промінь розщепиться на кольорові промені.

7) Ньютон намітив шляхи пояснення подвійного променезаломлення, висловивши гіпотезу про те, що промені світла мають "різні сторони" - особливу властивість, що зумовлює їх різну заломлюваність при проходженні двоякозаломлюючого тіла.

Корпускулярна теорія Ньютона задовільно пояснила багато оптичних явищ, відомих на той час. Її автор мав у науковому світі колосальний авторитет, і незабаром теорія Ньютона набула багатьох прихильників у всіх країнах.

Погляди на природу світла XIX-XX століттях.

В 1801 Т. Юнг виконав експеримент, який здивував вчених світу: S - джерело світла; Е – екран; В і С - дуже вузькі щілини, що віддаляються один від одного на 1-2 мм.

За теорією Ньютона на екрані мають з'явитися дві світлі смужки, насправді з'явилися кілька світлих і темних смуг, а проти проміжку між щілинами У і З з'явилася світла лінія Р. Досвід показав, що світло явище хвильове. Юнг розвинув теорію Гюйгенса уявленнями про коливання часток, про частоту коливань. Він сформулював принцип інтерференції, ґрунтуючись на якому, пояснив явище дифракції, інтерференції та кольору тонких платівок.

Французький фізик Френель поєднав принцип хвильових рухів Гюйгенса та принцип інтерференції Юнга. На цій основі розробив сувору математичну теорію дифракції. Френель зумів пояснити всі оптичні явища, відомі на той час.

Основні положення хвильової теорії Френеля.

– Світло – поширення коливань в ефірі зі швидкістю, де модуль пружності ефіру, r – густина ефіру;

– Світлові хвилі є поперечними;

– Світловий ефір має властивості пружно-твердого тіла, абсолютно стисливий.

При переході з одного середовища до іншої пружність ефіру не змінюється, але змінюється його щільність. Відносний показник заломлення речовини.

Поперечні коливання можуть відбуватися одночасно по всіх напрямках, перпендикулярних до напряму поширення хвилі.

Робота Френеля виборола визнання вчених. Незабаром з'явилася ціла низка експериментальних і теоретичних робіт, що підтверджують хвильову природу світла.

У середині XIX століття почали виявлятися факти, що вказують на зв'язок оптичних та електричних явищ. У 1846 р. М. Фарадей спостерігав обертання площин поляризації світла в тілах, вміщених у магнітне поле. Фарадей ввів уявлення про електричне і магнітне поля, як про своєрідні накладення в ефірі. З'явився новий "електромагнітний ефір". Першим на ці погляди звернув увагу англійський фізик Максвелл. Він розвинув ці уявлення та побудував теорію електромагнітного поля.

Електромагнітна теорія світла не закреслила механічну теорію Гюйгенса-Юнга-Френеля, а поставила її на новий рівень. У 1900 р. німецький фізик Планк висунув гіпотезу про квантовий характер випромінювання. Суть її полягала в наступному:

– випромінювання світла має дискретний характер;

– поглинання відбувається також дискретно-порціями, квантами.

Енергія кожного кванта надається за формулоюE=hn , деh - Постійна Планка, а n - це частота світла.

Через п'ять років після Планка вийшла робота німецького фізика Ейнштейна про фотоефект. Ейнштейн вважав:

– світло, що ще не вступило у взаємодію з речовиною, має зернисту структуру;

– структурним елементом дискретного світлового випромінювання фотон.

У 1913 р. датський фізик М. Бор опублікував теорію атома, у якій поєднав теорію квантів Планка-Ейнштейна з картиною ядерної будови атома.

Таким чином, з'явилася нова квантова теорія світла, що народилася з урахуванням корпускулярної теорії Ньютона. У ролі корпускули виступає квант.

Основні положення.

– Світло випромінюється, поширюється і поглинається дискретними порціями – квантами.

– Квант світла – фотон несе енергію, пропорційну частоті тієї хвилі, з допомогою якої він описується електромагнітною теорієюE=hn .

– Фотон має масу (), імпульс і момент кількості руху ().

– Фотон, як частка, існує тільки в русі швидкість якого - це швидкість поширення світла в даному середовищі.

– За всіх взаємодій, у яких бере участь фотон, справедливі загальні закони збереження енергії та імпульсу.

– Електрон в атомі може бути тільки в деяких дискретних стійких стаціонарних станах. Перебуваючи у стаціонарних станах, атом не випромінює енергії.

– При переході з одного стаціонарного стану в інший атом випромінює (поглинає) фотон із частотою (деЕ 1 іЕ 2 – енергії початкового та кінцевого стану).

З виникненням квантової теорії з'ясувалося, що корпускулярні та хвильові властивості є лише двома сторонами, двома взаємопов'язаними проявами сутності світла. Вони не відображають діалектичну єдність дискретності та континуальності матерії, що виражається в одночасному прояві хвильових та корпускулярних властивостей. Один і той же процес випромінювання може бути описаний як за допомогою математичного апарату для хвиль, що поширюються в просторі і в часі, так і за допомогою статистичних методів передбачення появи частинок в даному місці і в даний час. Обидві ці моделі можуть бути використані одночасно, і в залежності від умов перевага надається одній з них.

Досягнення останніх у галузі оптики виявилися можливими завдяки розвитку, як квантової фізики, і хвильової оптики. У наші дні теорія світла продовжує розвиватись.

Хвильові властивості світла та геометрична оптика.

Оптика - розділ фізики, що вивчає властивості та фізичну природу світла, а також його взаємодію з речовиною.

Найпростіші оптичні явища, наприклад виникнення тіней та отримання зображень в оптичних приладах, можуть бути зрозумілі в рамках геометричної оптики, яка оперує поняттям окремих світлових променів, що підпорядковуються відомим законам заломлення та відображення та незалежних один від одного. Для розуміння складніших явищ потрібна фізична оптика, що розглядає ці явища у зв'язку з фізичною природою світла. Фізична оптика дозволяє вивести всі закони геометричної оптики та встановити межі їх застосування. Без знання цих кордонів формальне застосування законів геометричної оптики може у випадках призвести до результатам, суперечать спостеріганим явищам. Тому не можна обмежуватись формальною побудовою геометричної оптики, а необхідно дивитися на неї як на розділ фізичної оптики.

Поняття світлового променя можна з розгляду реального світлового пучка в однорідної середовищі, з якого з допомогою діафрагми виділяється вузький паралельний пучок. Чим менший діаметр цих отворів, тим уже виділяється пучок, і в межі, переходячи до отворів як завгодно малим, можна здавалося б отримати світловий промінь як пряму лінію. Але подібний процес виділення скільки завгодно вузького пучка (променя) неможливий внаслідок явища дифракції. Неминуче кутове розширення реального світлового пучка, пропущеного через діафрагму діаметра D визначається кутом дифракції j~l /D . Тільки в граничному випадку, коли l = 0, подібне розширення не мало б місця, і можна було б говорити про промені як про геометричну лінію, напрямок якої визначає напрямок поширення світлової енергії.

Таким чином, світловий промінь - це абстрактне математичне поняття, а геометрична оптика є наближеним граничним випадком, в який переходить хвильова оптика, коли довжина світлової хвилі прагне нуля.

Око як оптична система.

Органом зору людини є очі, які у багатьох відношеннях є дуже досконалою оптичною системою.

Загалом око людини - це кулясте тіло діаметром близько 2,5 см, яке називають очним яблуком (рис.5). Непрозору та міцну зовнішню оболонку ока називають склерою, а її прозору та більш опуклу передню частину – рогівкою. З внутрішньої сторони склера покрита судинною оболонкою, що складається з кровоносних судин, що живлять око. Проти рогівки судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, неоднаково забарвлену у різних людей, відокремлена від рогівки камерою з прозорою водянистою масою.

У райдужній оболонці є круглий отвір, званий зіницею, діаметр якого може змінюватися. Таким чином, райдужна оболонка грає роль діафрагми, що регулює доступ світла в око. При яскравому висвітленні зіниця зменшується, а при слабкому висвітленні - збільшується. Усередині очного яблука за райдужною оболонкою розташований кришталик, який є двоопуклою лінзою з прозорої речовини з показником заломлення близько 1,4. Кришталик облямовує кільцевий м'яз, який може змінювати кривизну його поверхонь, а значить, і його оптичну силу.

Судинна оболонка з внутрішнього боку ока покрита розгалуженнями світлочутливого нерва, особливо густими навпроти зіниці. Ці розгалуження утворюють сітчасту оболонку, де виходить дійсне зображення предметів, створюване оптичної системою ока. Простір між сітківкою та кришталиком заповнений прозорим склоподібним тілом, що має драглисту будову. Зображення предметів на сітківці ока виходить перевернуте. Однак діяльність мозку, що отримує сигнали від світлочутливого нерва, дозволяє нам бачити всі предмети у натуральних положеннях.

Коли кільцевий м'яз ока розслаблений, то зображення далеких предметів виходить на сітківці. Взагалі пристрій ока такий, що людина може бачити без напруги предмети, розташовані не ближче 6 метрів від ока. Зображення ближчих предметів у разі виходить за сітківкою ока. Для отримання чіткого зображення такого предмета кільцевий м'яз стискає кришталик все сильніше, поки зображення предмета не виявиться на сітківці, а потім утримує кришталик у стислому стані.

Таким чином, "наведення на фокус" ока людини здійснюється зміною оптичної сили кришталика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати чіткі зображення предметів, що знаходяться на різних відстанях від нього, називають акомодацією (від латинського "акомодації - пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів у око потрапляють паралельні промені. У цьому випадку кажуть, що око акомодоване на нескінченність.

Акомодація ока не нескінченна. За допомогою кільцевого м'яза оптична сила ока може збільшуватись не більше ніж на 12 діоптрій. При довгому розгляданні близьких предметів очей втомлюється, а кільцевий м'яз починає розслаблятися і зображення розпливається.

Очі людини дозволяють добре бачити предмети не лише за денного освітлення. Здатність ока пристосовуватися до різного ступеня роздратування закінчень світлочутливого нерва сітківці ока, тобто. до різного ступеня яскравості об'єктів, що спостерігаються, називають адаптацією.

Зведення зорових осей очей певній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при перекладі очей з одного предмета на інший між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко, осі очей розташовуються паралельно, і людина не може навіть визначити, рухається предмет чи ні, на який він дивиться. Деяку роль визначенні становища тіл грає і зусилля кільцевої м'язи, яка стискає кришталик під час розгляду предметів, розташованих неподалік людини.

Спектроскоп.

Для спостереження спектрів користуються спектроскопом.

Найбільш поширений призматичний спектроскоп складається із двох труб, між якими поміщають тригранну призму.

У трубі А, яка називається коліматором є вузька щілина, ширину якої можна регулювати поворотом гвинта. Перед щілиною міститься джерело світла, спектр якого необхідно досліджувати. Щілина розташовується в площині коліматора, і тому світлові промені коліматора виходять у вигляді паралельного пучка. Пройшовши через призму, світлові промені прямують у трубу, якою спостерігають спектр. Якщо спектроскоп призначений для вимірювань, то зображення спектра за допомогою спеціального пристрою накладається зображення шкали з поділами, що дозволяє точно встановити положення колірних ліній в спектрі.

Оптичний вимірювальний прилад.

Оптичний вимірювальний прилад - засіб вимірювання, в якому візування (суміщення меж контрольованого предмета з візирною лінією, перехрестям тощо) або визначення розміру здійснюється за допомогою пристрою з принципом оптичного дії. Розрізняють три групи оптичних вимірювальних приладів: - прилади з оптичним принципом візування та механічним способом звіту переміщення; прилади з оптичним способом візування та звіту про переміщення; прилади, що мають механічний контакт із вимірювальним приладом, з оптичним способом визначення переміщення точок контакту.

З приладів першої поширення набули проектори для вимірювання та контролю деталей, що мають складний контур, невеликі розміри.

Найбільш поширений прилад другий - універсальний вимірювальний мікроскоп, в якому деталь, що вимірюється, переміщається на поздовжній каретці, а головний мікроскоп - на поперечній.

Прилади третьої групи застосовують для порівняння вимірюваних лінійних величин із мірками або шкалами. Їх зазвичай об'єднують під загальною назвою компаратори. До цієї групи приладів належать оптиметр (оптикатор, вимірювальна машина, контактний інтерферометр, оптичний далекомір та ін.).

Оптичні вимірювальні прилади також поширені в геодезії (нівелір, теодоліт та інших.).

Теодоліт - геодезичний інструмент для визначення напрямків та вимірювання горизонтальних та вертикальних кутів при геодезичних роботах, топографічних та маркшейдерських зйомках, у будівництві тощо.

Нівелір - геодезичний інструмент для вимірювання перевищень точок земної поверхні - нівелювання, а також завдання горизонтальних напрямків при монтажних і т.п. роботах.

У навігації широко поширений секстант – кутомірний дзеркально-відбивний інструмент для вимірювання висот небесних світил над горизонтом або кутів між видимими предметами з метою визначення координат місця спостерігача. Найважливіша особливість секстанта - можливість поєднання у зору спостерігача одночасно двох предметів, між якими вимірюється кут, що дозволяє користуватися секстантом літаком і кораблі без помітного зниження точності навіть під час качки.

Перспективним напрямом у розробці нових типів оптичних вимірювальних приладів є оснащення їх електронними пристроями, що відраховують, що дозволяють спростити відлік показань і візування, і т.п.

Висновок.

Практичне значення оптики та її вплив інші галузі знання винятково великі. Винахід телескопа і спектроскопа відкрило перед людиною найдивовижніший і найбагатший світ явищ, що відбуваються у неосяжному Всесвіті. Винахід мікроскопа справило революцію у біології. Фотографія допомогла і продовжує допомагати чи не всім галузям науки. Одним із найважливіших елементів наукової апаратури є лінза. Без неї було б мікроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоапарата, кіно, телебачення тощо. не було б очок, і багато людей, яким перевалило за 50 років, було б позбавлено можливості читати та виконувати багато робіт, пов'язаних із зором.

Область явищ, що вивчається фізичною оптикою, дуже велика. Оптичні явища тісно пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найтонших і найточніших. Тому не дивно, що оптиці протягом тривалого часу належала провідна роль у багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних поглядів. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого століття – теорія відносності та теорія квантів – зародилися та значною мірою розвинулися на ґрунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрило нові найширші можливості у оптиці, а й у її додатках у різних галузях науку й техніки.

Список літератури. Арцибишев С.А. Фізика – М.: Медгіз, 1950.

Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Фізика для середніх навчальних закладів – М.: Наука, 1981.

Ландсберг Г.С. Оптика – М.: Наука, 1976.

Ландсберг Г.С. Елементарний підручник з фізики. - М: Наука, 1986.

Прохоров А.М. Велика Радянська Енциклопедія. - М: Радянська енциклопедія, 1974.

Сивухін Д.В. Загальний курс фізики: Оптика – М.: Наука, 1980.

- Історія розвитку оптики.

- Основні положення корпускулярної теорії Ньютона.

- Основні положення хвильової теорії Гюйгенса.

- Погляди на природу світла в XIX – XX сторіччя.

- Основні положення оптики.

- Хвильові властивості світла та геометричної оптики.

- Око як оптична система.

- Спектроскоп.

- Оптичний вимірювальний прилад.

- Висновок.

- Список використаної литературы.

Історія розвитку оптики.

У ті роки були відкриті такі факты:

- Прямолінійність поширення світла;

– явище відображення світла та закон відображення;

– явище заломлення світла;

– фокусуюча дія увігнутого дзеркала.

Стародавні греки започаткували галузь оптики, що отримала пізню назву геометричної.

кроком у розумінні природи світла.

– хвильова, яка стверджувала, що світло є поздовжніми коливальними рухами особливого світлоносного середовища – ефіру – збуджуваної коливаннями частинок тіла, що світиться.

Основні положення корпускулярної теорії Ньютона:

1) Світло складається з малих частинок речовини, що випускаються у всіх напрямках по прямих лініях, або променях, що світиться тілом, наприклад, свічкою, що горить. Якщо це проміння, що з корпускул, потрапляють у наше око, ми бачимо їх джерело (рис. 1).

3) Білий колір – суміш усіх кольорів: червоного, помаранчевого, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

4) Віддзеркалення світла від поверхні відбувається внаслідок відбиття корпускул від стінки за законом абсолютного пружного удару (рис. 2).

7) Ньютон намітив шляхи пояснення подвійного променезаломлення, висловивши гіпотезу про те, що промені світла мають «різні сторони» - особливу властивість, що зумовлює їх різну заломлюваність при проходженні двоякозаломлюючого тіла.

Основні положення хвильової теорії світла Гюйгенса.

1) Світло - це поширення пружних періодичних імпульсів в ефірі. Ці імпульси поздовжні і схожі на імпульси звуку повітря.

2) Ефір – гіпотетичне середовище, що заповнює небесний простір та проміжки між частинками тіл. Вона невагома, не підкоряється закону всесвітнього тяжіння, має велику пружність.

3) Принцип поширення коливань ефіру такий, кожна його точка, до якої доходить збудження, є центром вторинних хвиль. Ці хвилі слабкі, і ефект спостерігається тільки там, де проходить їх огинаюча

поверхня – фронт хвилі (принцип Гюйгенса) (рис.3).

Світлові хвилі, що надходять безпосередньо від джерела, викликають відчуття бачення.

Дуже важливим пунктом теорії Гюйгенса стало припущення кінцівки швидкості поширення світла. Використовуючи свій принцип, вченому вдалося пояснити багато явищ геометричної оптики:

- явище відображення світла та його закони;

– явище заломлення світла та його закони;

– явище повного внутрішнього відбиття;

- явище подвійного променезаломлення;

- Принцип незалежності світлових променів.

Теорія Гюйгенса давала такий вираз показника заломлення середовища:

З формули видно, що швидкість світла повинна залежати обернено пропорційно від абсолютного показника середовища. Цей висновок був протилежний висновку, що з теорії Ньютона. Низький рівень експериментальної техніки XVII століття виключав можливість встановити, яка теорій правильна.

Багато хто сумнівався в хвильовій теорії Гюйгенса, але серед нечисленних прихильників хвильових поглядів на природу світла були М. Ломоносов та Л. Ейлер. З досліджень цих вчених теорія Гюйгенса почала оформлятися як теорія хвиль, а не просто аперіодичних коливань, що розповсюджуються в ефірі.

Погляди на природу світла в XIX - XX століттях.

В 1801 Т. Юнг виконав експеримент, який здивував вчених світу (рис.4)

S – джерело світла;

Е – екран;

В і С - дуже вузькі щілини, що віддаляються один від одного на 1-2 мм.

Основні положення хвильової теорії Френеля.

– Світло – поширення коливань в ефірі зі швидкістю, де модуль пружності ефіру, r- Щільність ефіру;

- Світлові хвилі є поперечними;

- Світловий ефір має властивості пружно-твердого тіла, абсолютно стисливий.

У середині XIX століття почали виявлятися факти, що вказують на зв'язок оптичних та електричних явищ. У 1846 р. М. Фарадей спостерігав обертання площин поляризації світла в тілах, вміщених у магнітне поле. Фарадей ввів уявлення про електричне і магнітне поля, як про своєрідні накладення в ефірі. З'явився новий електромагнітний ефір. Першим на ці погляди звернув увагу англійський фізик Максвелл. Він розвинув ці уявлення та побудував теорію електромагнітного поля.

- Випромінювання світла носить дискретний характер;

- Поглинання відбувається теж дискретно-порціями, квантами.

Енергія кожного кванта надається за формулою E = h n, де h- Постійна Планка, а n- Це частота світла.

Через п'ять років після Планка вийшла робота німецького фізика Ейнштейна про фотоефект. Ейнштейн вважав:

- Світло, що ще не вступив у взаємодію з речовиною, має зернисту структуру;

- Структурним елементом дискретного світлового випромінювання є фотон.

Основні положення.

– Світло випромінюється, поширюється та поглинається дискретними порціями – квантами.

– Квант світла – фотон несе енергію, пропорційну частоті тієї хвилі, за допомогою якої він описується електромагнітною теорією E = h n .

– Фотон, має масу (), імпульс та момент кількості руху ().

- Фотон, як частка, існує тільки в русі швидкість якого - це швидкість поширення світла в даному середовищі.

– За всіх взаємодій, у яких бере участь фотон, справедливі загальні закони збереження енергії та імпульсу.

– Електрон в атомі може знаходитись лише в деяких дискретних стійких стаціонарних станах. Перебуваючи у стаціонарних станах, атом не випромінює енергії.

– При переході з одного стаціонарного стану в інший атом випромінює (поглинає) фотон із частотою (де Е1і Е2– енергії початкового та кінцевого стану).

Оптика - розділ фізики, що вивчає властивості та фізичну природу світла, а також його взаємодію з речовиною.

Поняття світлового променя можна з розгляду реального світлового пучка в однорідної середовищі, з якого з допомогою діафрагми виділяється вузький паралельний пучок. Чим менший діаметр цих отворів, тим уже виділяється пучок, і в межі, переходячи до отворів як завгодно малим, можна здавалося б отримати світловий промінь як пряму лінію. Але подібний процес виділення скільки завгодно вузького пучка (променя) неможливий внаслідок явища дифракції. Неминуче кутове розширення реального світлового пучка, пропущеного через діафрагму діаметра D, визначається кутом дифракції j ~ l / D. Тільки в граничному випадку, коли l=0, подібне розширення не мало б місця, і можна було б говорити про промені як про геометричну лінію, напрямок якої визначає напрямок поширення світлової енергії.

Око як оптична система.

Органом зору людини є очі, які у багатьох відношеннях є дуже досконалою оптичною системою.

Таким чином, «наведення на фокус» ока людини здійснюється зміною оптичної сили кришталика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати виразні зображення предметів, що знаходяться на різних відстанях від нього, називають акомодацією (від латинського «акомодації» – пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів у око потрапляють паралельні промені. У цьому випадку кажуть, що око акомодоване на нескінченність.

Зведення зорових осей очей певній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при перекладі очей з одного предмета на інший між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко, осі очей розташовуються паралельно, і людина не може навіть визначити, рухається предмет чи ні, на який він дивиться. Певну роль у визначенні положення тіл грає і зусилля кільцевого м'яза, який стискає кришталик під час розгляду предметів, розташованих неподалік чол овека.

Спектр оскоп.

Для спостереження спектрів користуються спектроскопом.

Найбільш поширений призматичний спектроскоп складається із двох труб, між якими поміщають тригранну призму (рис. 7).

Оптичні вимірювальні прилади також поширені в геодезії (нівелір, теодоліт та інших.).

Висновок.

Московський комітет освіти

Світовий О R Т

Московський технологічний коледж

Кафедра природничих наук

Підсумкова робота з фізики

На тему :

Виконала студентка 14 групи: Рязанцева Оксана

Викладач: Груздєва Л.М.

- Арцибишев С.А. Фізика – М.: Медгіз, 1950.

- Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Фізика для середніх навчальних закладів – М.: Наука, 1981.

- Ландсберг Г.С. Оптика – М.: Наука, 1976.

- Ландсберг Г.С. Елементарний підручник з фізики. - М: Наука, 1986.

- Прохоров А.М. Велика Радянська Енциклопедія. - М: Радянська енциклопедія, 1974.

- Сивухін Д.В. Загальний курс фізики: Оптика – М.: Наука, 1980.