4.Оптика.
4.1.Геометрическая оптика.
Развитие взглядов на природу света.
В 17 веке существовали две теории. Корпускулярная теория (Ньютон): свет- поток частиц, идущий во все стороны от источника. Теория не объясняет, почему не происходит перенос вещества и лучи не взаимодействуют, пересекаясь. Волновая теория (Гюйгенс): свет- поток волн, распространяющийся в особой среде- эфире, которая заполняет все пространство. Теория не объясняет возникновение тени. В 19 веке полностью доказано волновое распространение света (интерференция, дифракция), а в 20 веке теория Гюйгенса не смогла объяснить явление фотоэффекта, а корпускулярная теория смогла.
Закон прямолинейного распространения света.
В однородной среде свет распространяется прямолинейно (это следует из наблюдений). Источники света- тела, которые можно видеть независимо от освещенности. Лучи света- геометрические линии, вдоль которых распространяется световая энергия. Световой поток- мощность светового излучения, оцениваемая непосредственно нашим глазом (измеряется в люменах). Освещенность- отношение светового потока, падающего на некоторый участок поверхности, к площади этой поверхности (измеряется в люксах). Принцип суперпозиции: суммарная освещенность- алгебраическая сумма всех освещенностей.
Понятие луча.
Световой луч- это линия, вдоль которой распространяется световая энергия.
Законы отражения света.
Явление отражения света- изменение направления световых лучей на границе раздела двух сред. Зеркальная поверхность- поверхность, размеры неровностей которой меньше длины световой волны. Лучи, падающие на такую поверхность параллельным пучком, при отражении от нее идут также параллельным пучком. Рассеивающая поверхность- поверхность, размеры неровностей которой больше длины световой волны. После отражения от такой поверхности параллельные лучи рассеиваются. Закон отражения света: луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча, при этом угол падения равен углу отражения.
Плоское зеркало.
Плоское зеркало- тело, поверхность которого имеет форму плоскости и обладает свойством отражать падающие на нее лучи. Особенности построения:
1)это изображение мнимое;
2)оно прямое;
3)размеры отраженного предмета равны размеру изображения;
4)расстояние, на котором находится изображение за зеркалом, равно расстоянию, на котором находится предмет перед зеркалом.
ÞДля построения изображения предмета в плоском зеркале достаточно построить изображение его крайних точек, лежащих на одной прямой.
Законы преломления света.
Преломление света- явление изменения направления распространения света при переходе света через границу двух сред, если вторая среда прозрачна. Закон отражения: луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча. sina/sing=n2-1.
Абсолютный и относительный показатели преломления.
n2-1- относительный показатель преломления второй среды относительно первой . Относительный показатель преломления любой среды- отношение абсолютных показателей двух сред. n2-1=n2/n1. Абсолютный показатель преломления- отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. nаб=c/uср. n1=c/u1, n2=c/u2. Þ n2-1=n2/n1=cu1/cu2=u1/u2. Чем больше показатель преломления, тем угол отражения будет меньше, а преломленный луч будет ближе к перпендикуляру.
Ход лучей в призме.
Преломляющие грани- грани, через которые проходит луч, преломляющий угол- угол преломления, угол отклонения- угол между падающим и отраженным лучами. Разобрать на примерах.
Явление полного (внутреннего) отражения.
Полное внутреннее отражение- явление, при котором лучи, падающие на поверхность раздела двух прозрачных сред под углом, большим предельного угла, полностью отражаются. Предельный угол (a0)- угол падения, при котором преломленный луч скользит на границе двух сред. sina0/sin90°=n2/n1.
Тонкие линзы.
Линза- прозрачное тело, ограниченное криволинейными поверхностями. Тонкая линза- линза, толщина которой значительно меньше радиусов поверхностей, из которых линза образована. Оптический центр линзы (О)- вершина сферических сегментов. Главная оптическая ось линзы- центр симметрии. Побочная оптическая ось- любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы. Фокус линзы (всегда два)- тачка пересечения преломленных лучей, идущих параллельно главной оптической оси.
Фокусное расстояние и оптическая сила линзы.
Фокусное расстояние (F)- расстояние от центра линзы до фокуса. D=1/F- оптическая сила линзы.
Построение изображения в собирающих и рассеивающих линзах.
Собирающая линза- линза, обладающая свойством собирать в одну точку лучи, исходящие из какой-либо точки, после прохождения их через линзу, независимо от того, через какую часть линзы эти лучи прошли. Рассеивающая линза- линза, обладающая свойством рассеивать лучи света после прохождения ими линзы. Построение изображения:
1)Луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси, после преломления идет через фокус линзы.
2)Луч, исходящий из фокуса, преломляется линзой в направлении, параллельном главной оптической оси.
3)Луч, прошедший через центр линзы, не преломляется.
4)Параллельный пучок лучей линза сводит в точку, расположенную в фокальной плоскости.
Формула линзы.
d- расстояние от предмета до линзы, f- расстояние от линзы до изображения. (d-F)/F=F/(f-F) Þ 1/F=1/d+1/f. Вывод из подобия треугольников.
Увеличение, даваемое линзами.
M=F/(a-F)=(b-F)/F, где M- увеличение.
Оптические приборы: лупа, фотоаппарат, проекционный аппарат, микроскоп. Ход лучей в этих приборах.
Лупа- выпуклая линза. Если предмет находится за фокусом, то изображение действительное, перевернутое и увеличенное. Если предмет находится между фокусом и линзой, то изображение получается мнимое, прямое и увеличенное. Фотоаппарат состоит из камеры с объективом. Объектив строи на пленке сильно уменьшенное действительное перевернутое изображение. Проекционный аппарат работает обратно. Микроскоп строит сильно увеличенные мнимые изображения.
Глаз.
Глаз- хрусталик, прозрачная двояковыпуклая линза с коэффициентом преломления М=1,386. Глаз обладает свойствами: аккомодации (способность приспосабливаться к дальности), адаптации (способность приспосабливаться к яркости) и конвергенции (схождение зрительных осей двух глаз на наблюдаемом предмете).
4.2.Элементы физической оптики.
Волновые свойства света.
Свет- сферическая волна, распространяющаяся во всех направлениях от источника света. Она подвержена интерференции, дифракции.
Поляризация света.
Поляризация света- выделение из неполяризованного (естественного) света плоско поляризованного. Поляризация осуществляется с помощью специальных приборов, основанных на поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух прозрачных диэлектриков.
Электромагнитная природа света.
Свет- электромагнитные волны, которые лежат (400¸800)10-9м. Световые волны излучаются электронами. Электроны в спокойном состоянии не излучают свет, для этого им нужно сообщить дополнительную порцию энергии, и чтобы свет не исчезал необходим приток энергии.
Скорость света в однородной среде.
Скорость света всегда одинакова. Она равна с=3 108м/с.
Дисперсия света.
Дисперсия- зависимость абсолютного преломления вещества от частоты света. Вследствие дисперсии света узкий пучок белого света, проходя сквозь призму из стекла или другого прозрачного вещества, образует на экране, установленном за призмой, радужную полоску, называемую дисперсионным спектром.
Спектроскоп.
Спектроскоп- прибор для наблюдения и исследования спектров. Он состоит из двух труб с собирательными линзами и трехгранной призмы. В фокусе одной линзы находится узкая щель. После прохождения линзы свет идет параллельным пучком. В призме свет разлагается на цветные лучи. После второй линзы свет попадает в третью и дает спектры.
Инфракрасное и ультразвуковое излучения.
Инфракрасное излучение- электромагнитное излучение, испускаемое источником, и находящееся дальше красного (видимого) излучения. При таком излучении выделяется гораздо больше энергии, чем при излучении красного спектра. Ультрафиолетовое излучение- электромагнитное излучение, с более короткими длинами волн, чем при фиолетовом спектре. При таком излучении выделяется меньше энергии, чем при инфракрасном. Эти лучи отличаются высокой химической активностью (в больших количествах могут разрушать клетки).
Интерференция света.
Свет, как любые другие колебания, может интерферировать. Но интерферировать могут только те световые волны, которые были получены путем разделения излучения от одного источника на два разных направления, которые потом соединяются в какой-то области пространства. Свет испускается только возбужденными атомами. Время испускания t=10-8с. Период колебаний испускаемых им волн Т=10-15с. За это время они успевают испустить N=107 длин волн.
Когерентные источники.
Когерентные источники- источники колебаний, происходящих в одной фазе с одинаковой частотой. Два различных источника не могут быть когерентными.
Условия образования максимумов и минимумов в интерференционной картине.
При наложении двух когерентных волн происходит перераспределение энергии по волновому фронту, в результате чего происходит чередование областей максимума и минимума.
Дифракция света.
Дифракция- интерференция вторичных волн. Френель первым открыл это явление, проведя опыт: в центре тени от шара получено светлое пятно. Световые волны, огибая края шара, заходят в область тени и, достигая центра тени на экране, проходят одинаковые расстояния независимо от какой точки на краю шара они идут. В этом случае они достигают центра тени в одинаковой фазе и в результате интерференции усиливают друг друга, поэтому и получается светлое пятно. В остальных частях тени происходит поочередное наложение волн в противоположных и одинаковых фазах и мы видим концентрические темные и светлые пятна.