Физика оптика краткая теория – Рубцовский индустриальный институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет имени И.И.Ползунова»

Содержание

Оптика – Физика – Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Световые волны

К оглавлению…

Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. В этих пределах свет называется видимым. Свет с наибольшей длиной волны кажется нам красным, а с наименьшей – фиолетовым. Запомнить чередование цветов спектра легко с помощью поговорки «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Первые буквы слов поговорки соответствуют первым буквам основных цветов спектра в порядке убывания длины волны (и соответственно возрастания частоты): «Красный – Оранжевый – Желтый – Зеленый – Голубой – Синий – Фиолетовый». Свет с большими, чем у красного, длинами волн, называется инфракрасным. Его наш глаз не замечает, но наша кожа фиксирует такие волны в виде теплового излучения. Свет с меньшими, чем у фиолетового, длинами волн, называется

ультрафиолетовым.

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

где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м.

Скорость света в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙108 м/с, она также может быть вычислена по формуле:

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

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

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

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

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

 

Интерференция

К оглавлению…

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

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

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

Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее: интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:

Разность фаз колебаний при этом составляет:

При m

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

Разность фаз колебаний при этом составляет:

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

 

Дифракция. Дифракционная решетка

К оглавлению…

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется

дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

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

При нормальном падении света на дифракционную решетку в некоторых направлениях (помимо того, в котором изначально падал свет) наблюдаются максимумы. Для того, чтобы наблюдался интерференционный максимум, должно выполняться следующее условие:

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

 

Законы геометрической оптики

К оглавлению…

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

Оптически однородная среда

– это среда, во всем объеме которой показатель преломления остаётся неизменным.

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

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

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения

γ равен углу падения α. Заметьте, что все углы в оптике измеряются от перпендикуляра к границе раздела двух сред.

Закон преломления света (закон Снеллиуса): падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред, и определяется выражением:

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

абсолютным показателем преломления.

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

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется

предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения α = αпр, sinβ = 1, так как β = 90°, это значит, что преломленный луч идет вдоль самой границы раздела, при этом, согласно закону Снеллиуса, выполняется следующее условие:

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

 

Линзы

К оглавлению…

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

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

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

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется

главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием. Оно обозначается той же буквой F.

Правила построения хода луча в линзах

К оглавлению…

Формула линзы

К оглавлению…

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

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

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

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

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

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

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

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

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

educon.by

Волновая оптика | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Волновая оптика

Волновая оптика основана на классической теории электромагнитного излучения. В ней строго получаются за­коны отражения и преломления света, используемые в геометрической оптике. Но в рамках теории Максвелла мы получаем гораздо больше информации при рассмотре­нии прохождения света через границу двух сред.

Как правило, на границе часть световой волны отражается, а часть — проходит во вторую среду. В прозрачных сре­дах, где отсутствует поглощение, полная энергия падаю­щего потока делится между отраженной и преломлен­ной волнами, причем доли, в которых происходит разделение энергии, зависят от поляризации падающей волны, угла падения и коэффициентов преломления обеих сред.

Выражения для коэффициентов отражения и пропускания (их называют формулы Френеля) получают­ся из граничных условий для напряженностей электриче­ского и магнитного полей в световой волне. Из них следует, что при отражении и преломлении волны частично поляри­зуются даже в том случае, когда на границу раздела падает естественный неполяризованный свет.

Естественным в оптике называют свет, в котором представлены волны со всеми возможными направлениями напряженностей элек­трического и магнитного полей, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга.

Наибольшая поляризация полу­чается при падении под углом Брюстера Материал с сайта http://worldofschool.ru

ΔБ = arctg (n2 / n1).

В этом случае отраженная волна полностью поляризована (вектор в ней колеблется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения), а поляризация преломленной волны достигает максимального значения (вектор в ней преи­мущественно колеблется в плоскости падения).

На этой странице материал по темам:
  • Доклад по физике оптика

  • Оптика физика кратко

  • Волновая оптика краткая теория 11 класс шпаргалка

  • Краткий конспект лекции волновая оптика

  • Волновая оптика физика кратко

worldofschool.ru

Оптика – Класс!ная физика

Оптика

«Физика – 11 класс»

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны.
Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов.
Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет необходимости.
Как происходило развитие научных представлений о том, что такое свет.

Два способа передачи воздействий

От источника света, например от лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание.
Попадая в глаз, свет вызывает зрительные ощущения — мы видим.
Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику).

Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя способами: либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо же посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества).

Можно, например, заставить звучать струну, ударив по ней, а можно поместить около нее такую же струну, возбудив в ней колебания.
Тогда звуковые волны второй струны, дойдя до первой, вызовут ее звучание.

Корпускулярная и волновая теории света

В соответствии с двумя способами передачи энергии от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа.
Причем возникли они почти одновременно в XVII в.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, другая — с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).


Согласно же представлениям Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно.
Ни одна из них не могла одержать решающей победы.
Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории.
Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга.
Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.
Волновая же теория это легко объясняла.
Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

С другой стороны, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить на основе волновой теории.
По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

Такая неопределенность во взглядах на природу света господствовала до начала XIX в., когда были впервые изучены явление огибания светом препятствий (дифракция) и явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга (интерференция).
Эти явления присущи исключительно волновому движению.
Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя.
Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX в. доказал, что свет — это частный случай электромагнитных волн.
Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.
Нет их и сейчас.

Однако в начале XX в. представления о природе света начали, тем не менее, коренным образом меняться.
Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.
Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света.
Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, если считать свет волной, а явления излучения и поглощения — если считать свет потоком частиц.
В этой связи вспомним прежде всего, что нам было известно о свете раньше из курса физики.

Геометрическая и волновая оптика

При первоначальном ознакомлении в курсе физики с оптическими явлениями было введено понятие светового луча, как линии, перпендикулярной фронту волны и указывающей направление, в котором свет переносит энергию.

Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей на основе представления о световом луче.
Одним из основных положений геометрической оптики является положение о прямолинейности распространения света.
Законы преломления и отражения света были установлены экспериментально задолго до выяснения природы света.
Однако они могут быть выведены на основе волновой теории в случае, если длина волны света много меньше размеров препятствий, расположенных не очень далеко от места наблюдения.

Одним из основных положений геометрической оптики является положение о прямолинейности распространения света.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Световые волны. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Оптика — Скорость света — Принцип Гюйгенса. Закон отражения света — Закон преломления света — Полное отражение — Линза — Построение изображения в линзе — Формула тонкой линзы. Увеличение линзы — Примеры решения задач. Геометрическая оптика — Дисперсия света — Интерференция механических волн — Интерференция света — Некоторые применения интерференции — Дифракция механических волн — Дифракция света — Дифракционная решетка — Поперечность световых волн. Поляризация света — Поперечность световых волн и электромагнитная теория света — Примеры решения задач. Волновая оптика — Краткие итоги главы

class-fizika.ru

Квантовая оптика | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Квантовая оптика

Понятие «квант» электромагнит­ного излучения ввел в физику Макс Планк в 1900 г. для объ­яснения спектра теплового излучения абсолютно черного тела. Он предположил, что излучение электромагнитных волн происходит порциями — квантами, энергия которых связана с циклической частотой волны ω соотношением

ε = ћω,

где ћ = 1 • 10-34 Дж•с — постоянная Планка.

Позже А. Эйнштейн высказал предположение, что электромагнит­ное излучение не просто излучается порциями, а состоит из квантов — частиц с энергией ε. На основании этого предпо­ложения Эйнштейн объяснил явления фотоэффекта и лю­минесценции.

До Эйнштейна фотоэф­фект пытались объяснить в рамках теории электро­магнитных волн. Однако она давала предсказания, прямо противоположные тому, что наблюдалось на опыте. Например, полу­чалось, что максималь­ная энергия вылетающих электронов должна зави­сеть от интенсивности па­дающего света и умень­шаться с увеличением его частоты. Или что фотоэф­фект должен наблюдать­ся не выше пороговой ча­стоты, а ниже, и т. д.

В 1922—1923 гг. в опытах А. Комптона по рассеянию рент­геновских лучей на свободных электронах выяснилось, что эти частицы обладают импульсом Материал с сайта http://worldofschool.ru

p = ε / c

и подчиняются тем же законам сохранения энергии и импульса, что и дру­гие известные к тому времени частицы. Так в физике ут­вердилась частица, которую Г. Льюис в 1929 г. назвал «фо­тон» (от греч. photys — «свет»).

На этой странице материал по темам:
  • Доклад по физике оптика

  • Шпаргалки физика квантовая оптика

  • Физика оптика кратко

  • Формулы шпаргалки по квантовой оптике

worldofschool.ru

Геометрическая оптика

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

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

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

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

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

Рис. 7.2

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

Рис. 7.3

Рис. 7.4

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

Рис. 7.5

Рис. 7.6

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

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

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

Рис. 7.7

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

Рис.7.8

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

Рис. 7.9

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

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

questions-physics.ru

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


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

1. Основы  геометрической оптики

2. Основы  геометрической оптики

3. Дифракция света – Волновая оптика

4. Зеркала и линзы – Геометрическая оптика

5. Интерференция света – Волновая оптика

6. Поляризация света – Волновая оптика

 

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

 


О ЦВЕТЕ. ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник: журнал “Квант”


class-fizika.narod.ru

Оптика – раздел физики

на главную   

Официальный сайт АНО ДО Центра “Логос”, г.Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

 

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика 

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

       

 

 

Страница  подготовлена

 Анастасией Задиной ,

 ученицей 10-А класса 2009-2010 учебного года,

призёром 1 степени

Региональной научно-практической конференции

в секции “Юные техники – школе, учреждению дополнительного образования”.

Подробно здесь.

 

 

 

 

 

 

 

 

оптика                                                       немного о физике:

Оптика – раздел физики, в котором рассматриваются явления и закономерности излучения, распространения и поглощения света.

Что такое свет?

По определению “Свет – электромагнитное излучение,  воспринимаемое человеческим глазом”. Наш глаз воспринимает электромагнитные волны с длинами от 380 до 760нм.
 
                                  
                                 760 нм                                                                                             380нм
красный 650-760нм
оранжевый 590-650нм
желтый 530-590нм
зеленый 490-530нм
голубой 450-490нм
синий 420-450нм
фиолетовый 380-420нм
 
Иногда к свету относят и невидимое излучение с длинами волн от 10 до 340000нм, т.к. оно по своим физическим свойствам близко к видимому.
 С другой стороны свет – это поток частиц – фотонов, имеющих импульс и несущих энергию.
 Т.е. можно говорить, что  природа света двойственна.    
              

Как возникает свет?

Т.к. свет – электромагнитная волна, то он излучается заряженными частицами, движущимися с ускорением,  а  частицы эти входят в состав атомов веществ. Чтобы атомы вещества стали излучать,  они должны получить энергию извне, для этого вещество  следует или нагреть, или облучить. Получая избыток энергии, атом переходит в возбужденное состояние, в котором может находиться в течение 10-8 с, а затем растрачивает избыточную энергию на излучение.  Поэтому сильно нагретые тела светятся, и их свечение  объясняется излучением атомами  электромагнитных волн с длинами от 380 до 760нм.  При этом каждое вещество излучает только определенный  набор длин волн, не похожий на другие ( в этот набор так же входят и другие волны, не являющиеся видимым светом).
Это происходит потому, что атомы  вещества могут находиться в особых дискретных энергетических  состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия.  Излучение света  происходит при переходе атома из энергетического состояния с большей энергией  в состояние с меньшей энергией. Разность энергий и переносится излучаемой волной. При этом процесс излучения конечен во времени и составляет примерно t = 10 -8 с , а волна, которую излучает атом, может быть представлена в виде небольшой части синусоиды. Такая часть синусоиды имеет длину  l = c t , т.е. l = 3 · 10 8 м/с · 10 -8  = 3 м  и называется волновым цугом.
 Излучение цугов происходит сразу большим количеством атомов вещества независимо друг от друга. Такой поток цугов мы воспринимаем как свет. 
 

Как свет распространяется?

С точки зрения волновой теории,  распространение световых волн подобно  распространению звуковых волн в воздухе.  А воздух – среда, обладающая упругостью и плотностью. Следовательно, для распространения световых волн тоже необходима среда, обладающая такими же свойствами. С точки зрения волновой теории такой  средой является эфир.
Объяснение механизма распространения света опирается на принцип Гюйгенса: каждая точка среды,  до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичной волны.
Если среда однородна, то вторичные волны  распространяются в ней с одинаковой скоростью. Следовательно, за одно и тоже время  τ  все вторичные волны дойдут до точек среды, удаленных от данных на расстояние  l = τυ, где υ – скорость волны. Поверхность, огибающая в некоторый момент времени вторичные волны, укажет положение фронта волны в данный момент времени. под фронтом волны понимают геометрическое место точек, до которых дошло возмущение к заданному момент времени. В зависимости от вида фронта  различают плоские и сферические волны. Фронтом плоских волн является плоскость, сферических – сфера.
Линия, перпендикулярная волновой поверхности, называется световым лучом. Распространение волн происходит по направлению луча.
 

Световые явления

дисперсия света – явление спектрального разложения немонохроматического излучения  на  составные части по частотам – ν ( длинам волн – λ ). Причиной  такого разложения  является зависимость скорости света в среде от частоты (длины волны).  Скорость света в среде υ ═ c / n, где n – показатель преломления среды, с – скорость света в вакууме.
 Так как скорость света универсальная постоянная, то из соотношения n ═ c / υ следует, что показатель преломления n есть функция частоты или длины волны.
Такую зависимость можно пронаблюдать при прохождении белого  света через призму, изготовленную из прозрачной среды. На экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоска, которую называют призматическим (дисперсионным) спектром.
 
 
Наименьшую частоту и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются на меньший угол. Наибольшая частота и наибольший показатель преломления у фиолетового цвета, следовательно, фиолетовые лучи отклоняются на больший угол.
 Таким образом,  с увеличением частоты света происходит возрастание показателя преломления, которое и объясняет разложение белого света на монохроматические составляющие. Такая дисперсия  называется нормальной.
 
интерференция света – сложение двух или нескольких световых волн с одинаковыми периодами, сходящихся в одной точке, в результате которого наблюдается  увеличение или уменьшение амплитуды результирующей волны. Для получения устойчивой интерференционной картины необходимо , чтобы складываемые волны были когерентны. Когерентными называют волны с одинаковой частотой (периодом) и постоянной  во времени разностью фаз. Чтобы получить когерентные волны необходимо световую волну от одного источника “разделить” на две или несколько волн. После прохождения различных путей эти волны ,имея некоторую разность хода, интерферируют.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся приемы разделения волны.
1.Схема получения интерференции с помощью бипризмы Френеля.
Волна, идущая от источника света раздваивается  в следствие преломления света в двух половинах  бипризмы.

Получаемые волны 1 и2 , как бы исходят от двух мнимых источников  S1 и S2 и являются когерентными. Поэтому в заштрихованной области наблюдается интерференция. На участке АВ экрана наблюдается интерференционная картина.
2. Опыт Юнга.
Свет, проходящий через узкое отверстие S, падает на экран с двумя отверстиями  S1и S2  и делится на на две волны. Эти волны когерентны и поэтому в заштрихованной области   наблюдается интерференция,  а на экране, в области АВ,  наблюдается интерференционная картина. 

3.Схема получения интерференции с помощью зеркал Френеля.
 Два зеркала, расположенные под углом,  близким к 1800, позволяют получить в следствие отражения  две когерентные световые волны. Эти когерентные волны как бы исходят от двух мнимых изображений источника света S, интерферируют в заштрихованной области и на экране, в области АВ, дают интерференционную картину
 

4. Опыт Ллойда.
В данном опыте волна, исходящая от источника S и волна, как бы исходящая от мнимого источника Sявляются когерентными. Когерентные волны интерферируют и дают на экране интерференционную картину.

 5.Схема получения интерференции в тонких пленках.

На тонкую пленку под углом  α  к нормали падает плоская волна. Определим направление распространения волны лучом 1. Луч, попадая  на границу раздела двух сред частично отражается  и частично преломляется, затем частично отражается от нижней поверхности пленки и, преломляясь, выходит из пленки. Волны распространяющиеся вдоль лучей 2 и 3 когерентны и дают интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 4 и 5. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

    6.Схема получения интерференции в воздушном клине.

Для получения воздушного клина накладывают одну стеклянную плоскопараллельную пластину на другую и под один из концов верхней пластины помещают небольшой предмет. При падении на клин плоской волны, распространяющейся вдоль луча SА, отраженные от различных граней клина волны, определяемые лучами 1 и 2 будут когерентным. Они дадут интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 3 и 4. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

    7. Кольца Ньютона.

Линза с малой кривизной поверхности накладывается на стеклянную пластину. При падении на линзу волны, распространяющейся вдоль луча 1, отраженные  волны, определяемые лучами 2 и 3 будут когерентным. Они дадут интерференционную картину в отраженном свете.

Когерентными будут так же проходящие волны, распространяющиеся вдоль лучей 4 и 5. Они дают интерференционную картину в проходящем свете.

  дифракция света – явление огибания  волнами препятствий, соизмеримых с длиной световой волны. В более широком смысле дифракцией называют явления, вызванные нарушением целостности волновой поверхности в среде с резкими неоднородностями. Такими неоднородностями могут быть отверстия в непрозрачном экране, границы непрозрачных тел. В результате  дифракции свет проникает в область геометрических теней. Явление дифракции объясняет принцип Гюйгенса – Френеля, согласно которому, каждая точка среды,  до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичной волны, а волновое возмущение в любой точке пространства есть результат интерференции вторичных волн от фиктивных когерентных источников. 

Законы распространения света(основные законы геометрической оптики)

Длины волн, воспринимаемые глазом малы, поэтому распространение видимого света можно рассматривать, отвлекаясь от его волновой природы. Тогда направление распространения волны можно определить с помощью лучей – линий, перпендикулярных волновым поверхностям.
Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о световом луче, называется геометрической (лучевой) оптикой.
 В основе геометрической оптики лежат  четыре закона :
1.        закон прямолинейного распространения света. 
        В однородной среде свет распространяется прямолинейно.  ( закон  является приближенным, т.к при прохождении света через отверстия, размеры которых соизмеримы с длиной световой волны,  наблюдается отклонение от прямолинейного распространения). 
2.          закон отражения.
        (На границе раздела двух сред свет отражается.) Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения 
3.           закон преломления.
        (На границе раздела двух сред свет преломляется.) Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.     
                                                           sinα /  sinβ = n = const                   
4.          закон независимости световых пучков. 
        Лучи при пересечении не возмущают друг друга (закон справедлив при малой интенсивности световых пучков)
 
История развития взглядов
 на природу света.
 
Исторически сложилось так, что параллельно существовали два взгляда на природу  света, и поэтому параллельно развивались две теории.
Корпускулярная теория утверждает: свет представляет собой поток частиц.
С точки зрения волновой теории: свет – электромагнитная волна.
Начало корпускулярной теории света было положено Пифагором, который предположил, что мы видим окружающие нас предметы  потому, что они испускают мельчайшие частицы. Развил данную теорию И.Ньютон в своих трудах “Лекции по оптике”, “Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света”.
Например, прямолинейное распространение света И.Ньютон объяснил законом инерции. Если  на частицу(корпускулу) во время движения не действуют силы или действие сил, скомпенсировано, то она сохраняет свою скорость. Причина разнообразия цветов, с точки зрения И.Ньютона,  в неодинаковой величине световых корпускул, а именно в  том, что наиболее крупные корпускулы вызывают ощущение красного света, а наименьшие – фиолетового. Отражение света объясняется упругим ударом световых частиц об упругую поверхность. Преломление света есть следствие того, что при переходе из менее преломляющей среды в более преломляющую, частицам света  сообщается ускорение в результате притяжения их второй средой. При этом   скорость света в веществе должна быть больше скорости света в вакууме.
Сторонниками волновой теории света были Х.Гюйгенс, Р.Декарт, Ф. Гримальди. Развитие эта теория нашла в трудах  Т.Юнга, О.Френеля и др. Волновая теория света смогла строго доказать законы отражения и  преломления света, обосновала такие явления, как интерференцию, дифракцию, поляризацию света. С точки зрения волновой теории скорость света  в веществе должна была быть меньше скорости света в вакууме. Именно этот факт вступал в противоречие  с корпускулярной теорией.
Опыты Фуко (1950г.)по определению скорости света в воде подтвердили предположения сторонников волновой теории. Благодаря этому волновая теория получила признание.
Однако в начале XX века было доказано, что свет – поток частиц – фотонов. Но этот факт уже не вступает в противоречие с волновой теорией света. Оба взгляда на природу света дополняют друг друга.
Дуализм света подтверждается формулой Планка  ε = hν. Эта формула связывает энергию фотона, которая является квантовой характеристикой, и частоту колебаний, являющуюся волновой характеристикой.
 
 

 

nika-fizika.narod.ru

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *