Оптика
Следствие
Теория
Эмпирическое ядро
Основные законы геометрической оптики
Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Стоит отметить тот факт, что само понятие светового луча вместе с законом прямолинейного распространения света утрачивают весь свой смысл, в случае если свет проходит через отверстия, размеры которых аналогичны с длиной волны.
Закон отражения света, основывается на том, что падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости (плоскость падения). При этом углы отражения и падения,
γ и α – соответственно, являются равными величинами.
Закон преломления света, базируется на том, что падающий и преломленный лучи, также как перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение sin угла падения к sin угла преломления β является величиной, неизменной для двух приведенных сред:
Постоянная величина n – является относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Показатель преломления среды относительно вакуума имеет название – абсолютный показатель преломления.
Абсолютный показатель преломления эквивалентен отношению скорости света в вакууме
c к скорости света υ в среде:
Среда, абсолютный показатель преломления которой является меньшим, является оптически менее плотной.
условиях перехода света из одной среды, уступающей в оптической плотности другой (n2<n1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.
Данное явление можно наблюдать при углах падения, которые превышают некий критический угол α пр. Этот угол носит название предельного угла полного внутреннего отражения
Относительный показатель преломления двух сред – это отношение абсолютных показателей преломления данных сред, т.е.:
Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде
υ1 к скорости во второй u2:
Законы отражения
и преломления:
Оптика – один из разделов физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществами.
Евклид в «Оптике» показал прямолинейность распространения света.
Клавдий Птолемей исследовал преломление света на границе воздух—вода и воздух—стекло.
Большую роль в развитии оптики как науки сыграли ученые Востока, в частности, ученые Персии Бахманяр аль-Азербайджани и Насреддин Туси. Они также имели свой взгляд на природу света и указывали, что свет имеет как свойства волны, так и свойства потока частиц.
Арабский учёный Ибн аль-Хайсам (Аль-Гасан) изучал законы преломления и отражения света. Он одним из первых высказал мысль о том, что источником световых лучей является не глаз, а светящиеся предметы. Он также доказал, что изображение предмета возникает в хрусталике глаза. Он сумел получить изображения предметов в плоских, выпуклых, вогнутых, цилиндрических стеклах и линзах; показал, что выпуклая линза дает увеличенное изображение.
Иоганн Кеплер в трактате «Дополнения к Виттелию» («Оптическая астрономия», 1604) изложил основы геометрической оптики, сформулировал закон об обратно пропорциональной зависимости освещённости и квадрата расстояния от источника.
Ученый В. Снеллиус экспериментально установил закон преломления в 1621 году.
Немецкий физик М. Планк (1858-1947 гг.) предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами
В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.
Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:
ɛ = hv
где ɛ — энергия кванта, v — частота колебаний электромагнитного излучения и h — постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который называют постоянной Планка. В СИ числовое значение h следующее:
h = 6,62*10-34 Дж*с
Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения. Поскольку
c = vλ, то из формулы получим:
ɛ = hc/λ,
т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.
Фотон – квант света: он частица – «шарик» с радиусом rф ~ 10-18м, от которого расходятся во все стороны жгутики на расстояние 10-13м., состоит из частиц электрической материи, привязанных к ядру из магнитной частицы. Фотон делим так же, как и электрон.
Во второй половине XIX века Джеймс Клерк Максвелл в своих работах заложил начало электромагнитной теории света.
Основой этой теории является факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн. Из теории Джеймса Клерка Максвелла вытекало, что электромагнитные волны являются поперечными, так же как и световые волны.
Все эти факты были подтверждены экспериментально. Согласно теории Д. Максвелла
видимый свет — это электромагнитные волны с определённым диапазоном длины волны.
Диапазон длины волны видимого света лежит в интервале от 3,8⋅10−7 м до 7,6⋅10−7 м.
Интерференция волн — это явление усиления или ослабления колебаний в разных точках пространства (пространственное перераспреде¬ление энергии), наблюдаемое при наложении двух или нескольких волн.
Условия интерференции
Волны должны быть когерентны
Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз.
Просветление оптики. Объективы фотоаппаратов и кинопроекторов, перископы подводных лодок и другие оптические устройства состоят из большого числа оптических стекол, линз, призм. Каждая отполированная поверхность стекла отражает около 5% падающего на нее света. Чтобы уменьшить долю отражаемой энергии, используется явление интерференции света.
Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Гримальди (для луча, прошедшего через два близких отверстия), Робертом Бойлем и Робертом Гуком (для интерференции в тонких слоях прозрачных сред, таких как мыльные плёнки, тонкие стенки стеклянных шаров, тонкие листки слюды; они наблюдали при этом возникновение разноцветной окраски; при этом Гук заметил и периодическую зависимость цвета от толщины слоя). Гримальди впервые и связал явление интерференции с идеей волновых свойств света, хотя ещё в довольно туманном и неразвитом виде.
В 1801 году Томас Юнг (1773—1829 гг.), введя «принцип суперпозиции», первым дал достаточно детальное и, по сути, не отличающееся от современного объяснение этого явления и ввёл в научный обиход термин «интерференция» (1803). Он также выполнил демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.
Дифракция волн — это отклонение волн от прямолинейного распространения при их взаимодействии с препятствием.
Дифракция была открыта Ф.Гримальди в конце XVII в. Объяснение явления дифракции света дано Т. Юнгом и О. Френелем, которые не только дали описание экспериментов по наблюдению явлений интерференции и дифракции света, но и объяснили свойство прямолинейности распространения света с позиций волновой теории.
Принцип Гюйгенса — Френеля: волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции.
Для того чтобы найти амплитуду световой волны от точечного монохроматического источника света А в произвольной точке О изотропной среды, надо источник света окружить сферой радиусом r=ct. Интерференция волны от вторичных источников, расположенных на этой поверхности, определяет амплитуду в рассматриваемой точке О, т. е. необходимо произвести сложение когерентных колебаний от всех вторичных источников на волновой поверхности. Так как расстояния от них до точки О различны, то колебания будут приходить в различных фазах. Наименьшее расстояние от точки О до волновой поверхности В равно r0. Первая зона Френеля ограничивается точками волновой поверхности, расстояния от которых до точки О равны:
Вторая зона
Аналогично определяются границы других зон. Если разность хода от двух соседних зон равна половине длины волны, то колебания от них приходят в точку О в противоположных фазах и наблюдается интерференционный минимум, если разность хода равна длине волны, то наблюдается интерференционный максимум.
Таким образом, если на препятствии укладывается целое число длин волн, то они гасят друг друга и в данной точке наблюдается минимум (темное пятно). Если нечетное число полуволн, то наблюдается максимум (светлое пятно).
Каждый элемент поверхности волнового фронта служит источником вторичной сферической волны, амплитуда которой пропорциональна площади ds элемента.
Выражение принципа
Очень большая отражательная дифракционная решётка.
Отсюда можно сделать вывод, что наибольшую дисперсию имеет дифракционная решётка при наблюдении максимумов максимально возможного порядка под углами, близкими к скользящим
Разрешающая способность
Спектральное разрешение дифракционной решетки Δλ определяется как расстояние между двумя пиками спектральных полос, которые только могут быть обнаружены приемником как раздельные. Из теории известно, что дифракционные решетки имеют предел разрешения, обусловленный свойствами конкретного прибора и источника.
Разрешающая способность дифракционной решетки есть безразмерное число R. Краткая формула имеет вид:
где к– порядок дифракции, N – общее число штрихов на рабочей поверхности решетки. Как видно из формулы, существует предел произведения порядка дифракции и количества штрихов.
Теоретическое значение разрешающей способности решетки всегда несколько выше реального, поскольку существуют дефекты поверхности решетки и профиля пучка.
антибликовые очки
Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (СaCO3)
обладает свойством, позволяющим ему раздваивать проходящие сквозь него лучи. Данное явление было названо двойным лучепреломлением
Поляризация света - это явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.
Французским инженером Э. Малюсом в
1809
году был открыт названный в его честь закон. В экспериментах Малюса свет последовательно пропускался сквозь пару одинаковых пластинок из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватого оттенка). Они могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ, как это проиллюстрировано
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной
cos^2φ: I~cos2φ.
В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор
→
E играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.
Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.
Плоскость, в которой колеблется световой вектор
→
E, носит название плоскости колебаний , а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор
→
B, является плоскостью поляризации .
В случае, когда две поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях монохроматические волны распространяются вдоль одного и того же направления, в общем случае результатом их сложения будет эллиптически поляризованная волна
В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости
P
конец результирующего вектора
→
E за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.
Неполяризованный свет также называют естественным светом.
Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.
У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.
Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.
В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.
Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.
3D-кинематограф.
поляризационные очки, скрывающие солнечные блики от воды и света фар на трассе
В астрофизике, спектроскопии, светотехнике свое широкое применение находят так называемые поляризационные фильтры, позволяющие вычленять узкие полосы из исследуемого спектра и провоцирующие изменения насыщенности или цветовых оттенков.
Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.
Условие Брэгга — Вульфа определяет направление максимумов дифракции упруго рассеянного на кристалле рентгеновского излучения.
Выведено в 1913 независимо У. Л. Брэггом и Г. В. Вульфом
Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Изучая экспериментально катодные лучи, вечером 8 ноября 1895 года он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки картон, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в тёмной комнате. В течение нескольких следующих недель он изучил все основные свойства вновь открытого излучения, названного им X-лучами ("икс-лучами"). 22 декабря 1895 года Рёнтген сделал первое публичное сообщение о своём открытии в Физическом институте Вюрцбургского университета. 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей»
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов
В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллах (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.
