Как сдать экзамен по оптике

Консультация к устному экзамену ГКЭ по оптике

КОНСУЛЬТАЦИИ 

К ГКЭ ПО ОПТИКЕ:

Консультация к ГКЭ. Оптика. Введение.

Содержание:
— Волновое уравнение
— Плоская волна
— Скорость распространения электромагнитной волны в среде
— Групповая и фазовая скорости
— Классическая теория дисперсии
— Отражение и преломление
— Принцип Ферма

Консультация к ГКЭ. Оптика. Интерференция

Содержание:
— Интерференция
— Схемы интерференционных опытов
— Наблюдение интерференции от реальных источников, видность
— Временная когерентность, время когерентности
— Пространственная когерентность
— Звездный интерферометр Майкельсона

Консультация к ГКЭ. Оптика. Дифракция.

Содержание:
— Дифракция
— Принцип Гюйгенса-Френеля
— Дифракция Кирхгофа
— Зоны Френеля
— Пятно Пуассона
— Зонные пластинки
— Спираль Корню
— Дифракция Фраунгофера

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Спектральные приборы»

Содержание:
— Спектральные приборы
— Призма
— Дифракционная решетка
— Разрешающая способность
— Дисперсионная область
— Отражательная решетка
— Фазовая решетка
— Критерий Рэлея
— Интерферометр Фабри-Перо

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Разрешающая способность оптических и спектральных приборов»

Содержание:
— Дифракция на щели и круглом отверстии, дифракционное уширение
— Разрешающая способность
— Кружок Эйри
— Критерий Рэлея
— Разрешающая способность объектива
— телескопа
— микроскопа
— призмы
— решетки

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Фурье оптика»

Содержание:
— Разложение волны по плоским волнам
— Синусоидальные решетки
— Теория Аббе
— Разрешающая способность с точки зрения Фурье оптики
— Модификация изображений: метод темного поля и метод фазового контраста

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Голография»

Содержание: —

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Поляризация. Кристаллооптика»

Содержание: — Поляризация электромагнитной волны
— Кристаллооптика
— Двойное лучепреломление
— Одноосные кристаллы
— Показатель преломления необыкновенной волны
— Фазовые пластинки

Консультация к ГКЭ. Оптика. «Дифракция рентгеновских лучей»

Содержание: — Отражение от двух поверхностей
— Анализ структуры кристаллов
— Условие Брэгга-Вульфа
— Лауэграмма, Дебаеграмма

Вопросы для подготовки к экзамену по оптике и атомной физике.

1.Предмет оптики и эволюция представлений о природе света (три модели света).

2.Геометрическая оптика. Законы геометрической оптики. Принцип Ферма.

3.Центрированная оптическая система, ее кардинальные элементы. Правило знаков.

4.Обобщенная формула центрированной оптической системы.

5.Тонкая линза. Сферическое зеркало.

6.Лупа, зрительная труба, микроскоп.

7.Глаз и зрение.

8.Электромагнитная теория света. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Плоская монохроматическая волна, ее параметры и свойства.

9.Интерференция световых волн. Разность фаз и оптическая разность хода, связь между ними. Условие максимумов и минимумов интерференции.

10.Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона.

11.Когерентность. Временная и пространственная когерентность.

12.Способы наблюдения интерференции световых волн. Классические интерференционные опыты на основе схемы Юнга.

13.Многолучевая интерференция: а) интерференция волн одинаковой интенсивности;

б) интерференция волн с монотонно убывающей интенсивностью

14.Практические применения интерференции: интерферометры, просветление оптики.

15.Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Виды дифракции. Границы дифракционных приближений.

16.Метод зон Френеля. Вычисление амплитуды и интенсивности света методом алгебраического

и геометрического суммирования.

17Дифракция Френеля на простейших преградах (круглом отверстии, круглом экране, крае полуплоскости). Спираль Корню.

18.Дифракция Фраунгофера на щели и на системе щелей. Дифракционные решетки.

19.Взаимодействие света с веществом. Дисперсия света. Электронная теория дисперсии.

20.Ослабление оптического излучения в мутных средах. Закон Бугера.

21.Поляризация света. Полностью поляризованный, естественный и частично-поляризованный свет.

22Анализ состояния поляризации света. Закон Малюса. Степень поляризации

23Анизотропия среды: двойное лучепреломление. Распространение света в двулучепреломляющем кристалле.

24.Преобразование поляризации на основе двойного лучепреломления: четверть- и полуволновые пластинки, призма Николя.

25.Анизотропия среды: естественная оптическая активность. Вращение плоскости поляризации.

26.Искусственная анизотропия среды: магнитооптический эффект Фарадея и электрооптический эффект Керра.

27.Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.

28.Источники света. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа.

29.Абсолютно черное тело. Законы излучения абсолютно черного тела (Формула Планка, закон Стефана-Больцмана, закон Вина).

30.Оптическая пирометрия. Оптические методы измерения температуры.

31.Основные фотометрические величины. Фотометрические и светотехнические величины.

32.Фотоэффект. Внешний и внутренний фотоэффект, применение фотоэффекта.

33.Давление света.

34.Эффект Комптона

35.Гипотеза де-Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм.

36.Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

37.Постулаты Бора. Теория Бора для атома водорода.

38.Волновая функция. Уравнение Шредингера.

39.Спонтанное и вынужденное излучение света атомами. Лазеры.

40.Физические основы голографии.

41.Атомное ядро. Физическая природа сил, действующих внутри ядра.

42Масса и энергия связи ядра. Ядерные реакции.

43.Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

44.Цепная реакция деления ядер. Ядерные реакторы.

Экзаменатор, профессор	Л.П. Свирина.
Зав. кафедрой ЭТФ, профессор	Д.С. Доманевский

Вопросы утверждены на заседании кафедр ЭТФ 20 декабря 2011 года, протокол № 5.

Продолжаем разбирать решение задач по физике. Сегодняшняя тема – оптика.

Подпишитесь на наш телеграм и не пропускайте важные новости. А если хотите сделать заказ со скидкой, загляните на наш второй канал – там много приятных бонусов для клиентов.

Задачи по оптике: примеры с решением

Как решать задачи по оптике? Новичкам рекомендуем ознакомиться общей памяткой, в которой расписан алгоритм, который подойдет и для решения задач по оптике. А если вы вдруг забыли нужную формулу, то всегда найдете ее здесь!

Оптика бывает разная. Среди самых распространенных задач по оптике для студентов можно выделить: 

• задачи по геометрической оптике;
• задачи по волновой оптике.

Ниже  рассмотрим типовые задачи по каждому разделу.

Задача по оптике №1 на интерференцию

Условие

При какой длине волны монохроматического света, падающего нормально на мыльную пленку (n=1,3) толщиной 0,1 мкм, отраженный свет будет максимально усиленным в результате интерференции?

Решение

Оптическая разность хода при интерференции в тонких пленках в отраженном свете равна:

∆=2dn2-sin2α-λ2

Так как падение нормальное, то α=0, а значит sinα=0. Тогда:

∆=2dn-λ2  

Максимум наблюдается при ∆=kλ, k=0,1,2… Значит:

kλ=2dn-λ2λ=4dn2k+1

Для k=0 и k=1 получаем:

λ0=4dn=4·10-7·1,3=4·10-7мλ1=4dn3=1,33·10-7м

Ответ: λ0=4·10-7м; λ1=1,33·10-7м.

Задача по оптике №2 на дифракцию

Условие

На дифракционную решетку, содержащую 400 штрихов на мм, падает нормально монохроматический свет (600 нм). Найти общее число дифракционных максимумов, которые дает эта решетка.

Решение

Уравнение дифракционной решетки имеет вид: 

dsinφ=kλ

Максимум наблюдается при sinφ=1:

d=kmaxλkmax=dλ

Так как период решетки равен d=1n, то kmax=1nλ. Получаем:

kmax=14·105·600·10-9=4,17

kmax=4

Общее количество максимумов:

N=2kmax+1=2·4+1=9

Ответ: 9.

Задача по оптике №3 на поляризацию

Условие

Угол между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора равен 30°. Во сколько раз уменьшается интенсивность света, выходящего из анализатора, если угол увеличить до 45°.

Решение

После прохождения поляризатора имеем:

I1=12I0

После прохождения анализатора с учетом закона Малюса: 

I2=I1cos2φ

Тогда:

I2=12I0cos2φ

Значит:

I’2I»2=cos2φ1cos2φ2=cos230cos245=1,5

Ответ: в 1,5 раза.

Задача по оптике №4 (геометрическая оптика)

Условие

На рассеивающую линзу вдоль главной оптической оси падает параллельный пучок света диаметром 5 см. За линзой на расстоянии 20 см поставлен экран, на котором получается круглое светлое пятно диаметром 150 мм. Определить в см главное фокусное расстояние линзы.

Решение

Для решения задачи воспользуемся формулой тонкой линзы, а также подобием треугольников. Из рисунка видно, что:

Dd=f+Lf

Выразим искомое расстояние:

Df=df+dLf=dLD-d=500·200150-50=100 мм=10 см

Ответ: 10 см.

Задача по оптике №5 (геометрическая оптика) 

Условие

Выпуклый мениск изготовлен из стекла с показателем преломления n=1,5. Радиус кривизны выпуклой поверхности R1=22,4 см, радиус кривизны вогнутой поверхности R2=46,2 см. Как изменится фокусное расстояние этой линзы в воде по сравнению с фокусным расстоянием в воздухе?

Решение

Зависимость фокусного расстояния от радиусов кривизны линзы выражается формулой:

1f=n-11R1+1R2

Если линзу поместить в воду то фокусное расстояние будет увеличиваться, так как относительный показатель преломления для границ вода/стекло n0=nnв=1,51,2=1,25 будет меньше исходного для границы воздух/стекло.

1fвоздух=1,5-1122,4-146,2fвоздух=86,9 см1fвода=1,25-1122,4-146,2fвода=173,9 смfвода-fвоздух=173,9-86,9=87 см

Ответ: фокусное расстояние увеличиться на 87 см.

Нужно больше примеров решения задач по оптике? Пожалуйста:

• задачи по волновой оптике;
• задачи на интеференцию;
• задачи на дифракцию;
• задачи на поляризацию;
• задачи по геометрической оптике;
• задачи на тонкие линзы;
• задачи на зеркала.

Вопросы с ответами по оптике 

Вопрос 1. Что такое интерференция?

Ответ. Явление взаимного ослабления и усиления колебаний в разных точках среды в следствии наложения когерентных волн.

Вопрос 2. Что такое дифракция?

Ответ. Огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле – любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики.

Вопрос 3. Что такое поляризация?

Ответ. Явление выделения из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Интерференция, дифракция, поляризация – проявления волновой природы света.

Вопрос 4. Назовите 4 основых закона геометрической оптики.

Ответ. В основе геометрической оптики лежат:

• закон прямолинейного распространения света;
• закон независимости световых лучей;
• закон отражения света;
• закон преломления света.

Вопрос 5. Что такое показатель преломления?

Ответ. Это величина, которая показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше, чем в вакууме.

Мы прекрасно знаем, что задачи по оптике для вузов могут быть гораздо сложнее приведенных в статье примеров. Нужна помощь с решением задач и выполнением других заданий по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время!

Вопросы для экзамена по оптике

Вопросы для экзамена по оптике

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА. Волны. Модель плоской волны. Общий вид волнового уравнения и его решение. Сферические волны. Монохроматические волны. Амплитуда, фаза, длина волны, волновое число, волновой вектор. Фазовая скорость волны. Представление плоских гармонических волн в комплексной форме.

 Электромагнитные световые волны. Свойство поперечности и ортогональность плоских волн в однородных изотропных средах. Энергия и интенсивность световых волн. Суперпозиция волн. Дисперсия света. Стоячие волны; опыт Винера. Поляризация световых волн (эллиптическая, линейная, круговая). Модель естественного света. Степень поляризации.

ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕТА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ ГРАНИЦУ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ. Граничные условия Максвелла. Соотношение частот падающей, отраженной и преломленной волн. Законы отражения и преломления света. Теорема о разложении плоской гармонической волны на две поляризованные. Соотношение амплитуд: формулы Френеля. Явление Брюстера. Фазовые соотношения.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. Явление интерференции. Понятие о когерентности колебаний. Двухлучевая интерференция. Условия максимума и минимума интенсивности. Принципиальная схема двухлучевой интерференции. Геометрическая и оптическая разности хода. Ширина интерференционной полосы. Параметр видности интерференционной картины. Интерференция немонохроматического света. Метод Фурье-анализа. Временная и пространственная когерентность. Квазимонохроматический свет.

Проблема получения когерентных волн в оптике. Метод деления волнового фронта. Схема Юнга, бизеркало Френеля, бипризма Френеля, билинза Бийе, зеркало Ллойда.

Метод деления амплитуды. Кольца равного наклона и полосы равной толщины. Кольца Ньютона. Двухлучевые интерферометры: Майкельсона, Жамена, Рождественского. Интерферометрические измерения.

Многолучевая интерференция. Вычисление результирующей интенсивности в проходящем свете. Формулы Эйри и графики функции Эйри. Интерферометр Фабри — Перо и его практическое применение. Ширина линии, параметр резкости, разрешающая способность и дисперсия интерферометра Фабри — Перо.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. Дифракция как проявление волновой природы света. Принцип Гюйгенса — Френеля. Зоны Френеля. Размеры зон Френеля. Задача о прямолинейном распространении света. Метод графического вычисления амплитуды. Спираль Френеля. Дифракция на круглом отверстии и круглом диске. Дифракционная длина светового пучка. Ближняя и дальняя зона дифракции.

Дифракционный интеграл Френеля. Дифракция в ближней зоне (приближение Френеля). Дифракция в дальней зоне (приближение Фраунгофера). Вычисление результирующей амплитуды при дифракции от щели. Влияние ширины щели на дифракционную картину. Дифракционная решетка. Распределение интенсивности, максимумы и минимумы интенсивности при дифракции на плоской амплитудной решетке. Классификация дифракционных решеток. Спектральные приборы. Разрешающая способность и дисперсия. Критерий Рэлея.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ. Модель сплошной среды. Материальные уравнения. Классическая осцилляторная модель среды. Комплексная диэлектрическая проницаемость, линейная оптическая восприимчивость и комплексный показатель преломления среды. Закон Бугера.

Дисперсия в разреженных средах. Нормальная и аномальная дисперсия. Дисперсия в плотных средах. Формула Лорентц – Лоренца. Факты, подтверждающие теорию дисперсии Лоренца. Методы изучения дисперсии и поглощения света.

Оптика анизотропных сред. Основные эффекты кристаллооптики: прохождение света через турмалин и двойное лучепреломление. Структура световой волны в анизотропном кристалле. Тензор диэлектрической проницаемости. Классификация кристаллов. Собственные состояния поляризации световой волны. Одноосный кристалл. Обыкновенная и необыкновенная волны. Получение и анализ поляризованного света. Призменные поляроиды. Компенсаторы. Пластинка в четверть волны и полуволновая пластинка. Искусственная анизотропия. Эффект Керра.

Нелинейная оптика. Нарушение принципа суперпозиции для сильных световых волн в среде. Основные эффекты нелинейной оптики: генерация второй оптической гармоники, самофокусировка света.

                                   Преподаватель — доцент Г. П. Мартынова

Сопутствующие материалы

Мало кто догадывается, что такие явления, как закат, радуга, затмение солнца и горение свечи легко можно объяснить физическими законами из раздела «Оптика».

Оптика как раздел физики — что это такое

Оптическими явлениями люди заинтересовались еще в древнем мире. Первые линзы и зеркала были изготовлены в Месопотамии и в Древнем Египте. Позднее осмысление оптических явлений на планете можно встретить в трудах Демокрита и Евклида. 

В XVII столетии Исаак Ньютон выдвинул теорию о корпускулах — мельчайших частицах света. А голландский физик Христиан Гюйгенс предложил волновую теорию. Максимальное внимание со стороны ученых оптика как наука получила в XX веке, когда природу света стали исследовать такие ученые, как Планк, Максвелл, Эйнштейн. 

Краткое определение, что изучает

Оптика — это раздел физики, который изучает процессы излучения света; распространение и взаимодействие в среде:

• видимого излучения; 
• инфракрасного излучения;
• ультрафиолетового излучения. 

Оптика исследует природу света, его свойства и объясняет возникновение связанных с ним явлений. 

Видимое излучение представляет собой электромагнитные волны, у которых длины волн лежат в пределах от 400 до 760 нм и видны человеческому глазу. Свет с длиной волны более 760 нм кажется нам красным, с меньшим 400 нм — фиолетовым.

Инфракрасным излучением называется свет, у которых длина волн больше длины волн красного света. Такой спектр наш глаз не фиксирует, но его ощущает кожа в виде теплового излучения.

Ультрафиолетовое излучение представляет собой свет с меньшими длинами волн, чем у фиолетового света.

Оптические законы и исследования используются в:

• физике;
• электротехнике; 
• медицине (офтальмологии и рентгенологии). 

Основные разделы

Оптика делится на три раздела, которые изучают разные оптические явления и процессы:

• волновая оптика;
• геометрическая;
• квантовая.

Волновая оптика 

Раздел оптики, который изучает такие свойства света, как электромагнитные волны, называют волновой оптикой. Среди изучаемых оптических явлений:

• дисперсия; 
• дифракция; 
• поляризация; 
• интерференция.

Дисперсией называется зависимость преломления световых лучей от их цвета, который в свою очередь определяется длиной световой волны. 

Дифракция — это явление отклонения света от свойственного ему прямолинейного направления распространения по причине прохождения около препятствий, по размеру сопоставимых с длиной волны света, т.е. это огибание препятствий светом.

Поляризацией называют упорядоченное направление колебаний световой волны. 

Интерференция — это процесс наложения двух или нескольких световых волн друг на друга.

Геометрическая оптика

Геометрической оптикой называется раздел, который изучает законы распространения света на основе положений о световых лучах. Световой луч выступает линией, вдоль которой распространяется поток световой энергии.

Геометрическая оптика оперирует такими законами, как:

1. Закон о прямолинейности распространения света в прозрачной однородной среде. Оптически однородной считается такая среда, в которой свет распространяется с постоянной скоростью. Доказательством распространения света в прямолинейном направлении является образование тени. Тень — это область пространства, в которую не попадает световая энергия источника света.
2. Законы отражения постулируют, что перпендикуляр к границе, разделяющей среды, падающий и отраженный лучи в месте падения луча находятся в одной плоскости, при этом угол падения луча равен углу отражения. 
3. Законы преломления: перпендикуляр к границе, которая разделяет среды, падающий и преломленный лучи в месте падения луча находятся в одной плоскости, в зависимости от того, из какой среды в какую переходит луч, угол преломления может быть меньше или больше угла падения.
4. Закон независимого распространения световых лучей заключается в том что световые пучки, пересекаясь, не взаимодействуют и никаким образом не влияют друг на друга.

Геометрическая оптика широко использует линзы как средство для изучения свойств света. Линзой называется прозрачное тело, способное пропускать через себя световые лучи и видоизменять их. 

Линзы бывают:

• выпуклые (собирающие); 
• вогнутые (рассеивающие). 

С понятием линзы связано еще несколько терминов:

1. Фокус — это та точка, в которой собираются все лучи после преломления света по обе стороны от линзы. 
2. Фокусное расстояние — это расстояние от центра линзы до фокуса.
3. Оптической силой линзы называют величину, которая обратна фокусному расстоянию. 

Линзы входит в состав любого оптического прибора. Когда ее толщина очень маленькая в сравнении с радиусами поверхностей, линзу называют тонкой.

Квантовая оптика

Квантовая оптика рассматривает распространение и взаимодействие света с веществом. В квантовой оптике свет рассматривается как поток безмассовых фотонов, движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Фотоны возникают при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией.

Возникновение квантовой оптики тесно связано с научными исследованиями Макса Планка, который рассматривал свет как поток частиц. Такие свойства света ярко проявляются в условиях:

• теплового излучения;
• фотохимических процессов;
• фотоэффекта;
• вынужденного излучения (лазерная физика) и др.

Тепловое излучение — это возникновение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела, которое имеет место быть при любой температуре.

Фотоэффект — это явление возникновения электронов с поверхности вещества под действием падающего на поверхность света.

Фотохимические процессы — это химические процессы, которые протекают под действием видимого света и ультрафиолетовых лучей.

Методика решения задач по теме Оптика

Задачи по оптике обычно разбивают на четыре группы:

1. Задачи по геометрической оптике.
2. Задачи на вычисление световых характеристик, связанных со средой распространения (как правило, в задании необходимо найти скорость света, длину или частоту световой волны, показатель преломления среды). 
3. Задачи по волновой оптике (в основном на такие явления, как дифракция и интерференция света). 
4. Задания по квантовой оптике (чаще всего встречаются задачи на фотоэффект).

Чтобы решение задач по оптике давалось легко, следует придерживаться общих правил решения физических задач. Тем не менее, оптические задачи имеют свои особенности, о которых важно знать.

В геометрической оптике успех решения задач зависит от того, насколько правильно вы сможете построить лучи. Поэтому нужно определить:

1. Распространяется луч света в одной среде или пересекает две среды с различными оптическими плотностями и границу между ними.
2. Направление, в котором движется луч света: из оптически более плотной среды в менее плотную или наоборот. 
3. Имеет ли место быть полное отражение луча. 
4. Каким образом луч света попадает на границу, разделяющую две среды: 0 градусов или отличен от нуля.
5. Можно ли использовать приближенные формулы (например, замену синусов тангенсами при малых углах). 

При решении задач на построение изображений в линзах важно определить тип линзы, которая дана в условии задачи. Что касается выполнения чертежа, его следует делать поэтапно:

1. Начать с главной оптической оси.
2. Перпендикулярно главной оси нарисовать схематически соответствующий тип линзы.
3. Изобразить положение главных фокусов, если они известны. 
4. Нарисовать положение предмета или его изображения. 
5. Построить побочную оптическую ось и фокальную плоскость. 
6. Изобразить ход лучей, причем важно не перегружать чертеж их количеством, достаточно двух лучей.
7. При необходимости нарисовать дополнительные точки для построения предмета или его изображения.

При решении задач по волновой оптике нужно четко определить, о каком явлении идет речь. Это позволит избежать ошибок, которые могут возникнуть из-за одинакового обозначения величин (число волн или полуволн в процессе интерференции).

Решая задачи на фотоэффект, важно четко разграничить характеристики фотона и электрона.

Качественные задачи по оптике с решениями

Рассмотрим простые примеры решения задач на все разделы.

Волновая оптика

Геометрическая оптика 

Квантовая оптика

Бывает так, что физика, как бы все просто не казалось в теории, сложна на практике. Ни объяснения, ни примеры освоить трудный для понимания предмет не помогают. В этом случае есть смысл обратиться к специалистам Феникс.Хелп, которые сделают за вас практическую часть.