Вся оптика для егэ по физике

Оглавление:

• Основные теоретические сведения
  • Световые волны
  • Интерференция
  • Дифракция. Дифракционная решетка
  • Законы геометрической оптики
  • Линзы
    • Правила построения хода луча в линзах
    • Формула линзы

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 α_пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения α = α_пр, 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.

Оптика

Оптика – это раздел физики, в котором изучаются закономерности световых явлений, природа света и его взаимодействие с веществом.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется свет.

Закон независимости световых лучей:
при пересечении световых лучей каждый из них продолжает распространяться в прежнем направлении.

Источник света – это тело, которое излучает свет.

При излучении света источник теряет энергию, при поглощении его внутренняя энергия увеличивается, т. е. распространение света сопровождается переносом энергии.

Виды источников света:

• тепловые – это источники, в которых излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры;
• люминисцентные – это тела, излучающие свет при облучении их светом, рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением и т. д.

Точечный источник света – это источник, представляющий собой светящуюся материальную точку, т. е. источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета.

Если источник света находится в бесконечности, то его лучи падают на поверхность параллельным пучком.

Свет – это электромагнитная волна с частотой от 1,5·10¹¹ Гц до 3·10¹⁶ Гц.

Скорость света в вакууме: ​( c )​ = 3·10⁸ м/с.

Прямолинейное распространение света

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.

Закон отражения света

Отражение – это явление, при котором при падении световых лучей на непрозрачную гладкую поверхность они меняют направление распространения, возвращаясь в прежнюю среду.

АО – падающий луч, ОВ – отраженный луч, СО – перпендикуляр

Угол падения – это угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Угол отражения – это угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Законы отражения света

• Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к отражающей поверхности.
• Угол отражения равен углу падения. ​( anglebeta=anglealpha )​, где ​( alpha )​ – угол падения, ​( beta )​ – угол отражения.

Виды отражения

• Зеркальное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения остаются параллельны.

• Рассеянное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения отклоняются в различных направлениях.

Если луч падает перпендикулярно отражающей поверхности, то угол падения равен нулю, и угол отражения тоже равен нулю. Поэтому луч отражается в обратном направлении.

Важно!
В оптике все углы отсчитываются от перпендикуляра к отражающей поверхности или к границе раздела сред.

Построение изображений в плоском зеркале

Построение изображения в плоском зеркале основано на законах отражения света.

Алгоритм построения изображения в плоском зеркале

1. Проведите из данной точки на поверхность луч под произвольным углом. В точке падения луча на границу раздела сред проведите перпендикуляр.
2. Отметьте угол падения ​( alpha )​.
3. Постройте равный ему угол отражения ​( beta )​.
4. Проведите из данной точки перпендикуляр к поверхности зеркала ​( (alpha=0) )​.
5. Постройте равный ему угол отражения ​( (beta=0) )​ (эти лучи совпадают).
6. Проведите пунктирной линией продолжения отраженных лучей за зеркало.
7. Найдите точку пересечения продолжений отраженных лучей (эта точка является изображением данной точки в плоском зеркале).
8. Аналогично постройте изображение второй точки.
9. Соедините полученные изображения точек пунктирной линией.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, прямое, по размерам равное предмету, находящееся за зеркалом на таком же расстоянии, на каком предмет находится перед зеркалом.

Важно!
Если на поверхность плоского зеркала падает сходящийся пучок лучей, то изображение получается действительным.

Если поверхность двух плоских зеркал образует угол ​( varphi )​, то количество изображений в такой системе зеркал можно определить по формуле:

где ​( N )​ – количество изображений.

Закон преломления света

Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.

Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

​( gamma )​ – угол преломления

Законы преломления света

• Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
• Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:

где ​( n_{21} )​ – относительный показатель преломления.

Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

где ​( n_1 )​ – абсолютный показатель преломления первой среды; ​( n_2 )​ – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:

где ​( c )​ – скорость света в вакууме, ​( v )​ – скорость распространения света в данной среде.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.

Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.

Следствия закона преломления света

• Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:

• Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:

Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.

​( x )​ – смещение луча от первоначального направления:

где ​( d )​ – толщина пластины.

Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом ​( varphi_1 )​ к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения ​( alpha_1 )​, а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды ( varphi_1 ).

Полное внутреннее отражение

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то с увеличением угла падения увеличивается угол преломления. При некотором значении угла падения угол преломления становится равным 90°. Преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред.

Предельный угол полного отражения – это угол падения, при котором угол преломления становится равным 90°:

Если вторая среда – воздух, ​( n_2 )​ = 1, то ​( sinalpha_{пр.}=frac{1}{n_1}. )​.

При дальнейшем увеличении угла падения угол преломления тоже увеличивается и наблюдается только отражение света. Это явление называется полным отражением света.

Применение явления полного внутреннего отражения

Треугольная призма – прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями так, что линии их пересечения взаимно параллельны.

Если призма изготовлена из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч, дважды преломляясь, отклоняется к основанию призмы, а мнимое изображение источника света смещается к вершине призмы.

Преломляющий угол призмы – это угол, лежащий против основания.

Угол отклонения луча призмой – это угол между направлениями падающего на призму и вышедшего из призмы лучей.

​( varphi )​ – преломляющий угол,

​( theta )​ – угол отклонения луча призмой.

Важно!
С помощью треугольной равнобедренной призмы с преломляющим углом 90° можно:

• повернуть луч на 90° (поворотная призма, используется в перископах);

• изменить направление луча на 180° (оборотная призма, используется в биноклях);

• изменить относительное расположение лучей.

Линзы. Оптическая сила линзы

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской.

Тонкая линза – физическая модель линзы, в которой ее толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.

Классификация линз

1. По форме:

• выпуклые – это линзы, у которых средняя часть толще, чем края;
• вогнутые – это линзы, у которых края толще, чем средняя часть.

2. По оптическим свойствам:

• собирающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей собирается в одной точке;

• рассеивающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей рассеивается.

Условные обозначения:

Величины, характеризующие линзу

Главная оптическая ось – это прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Оптический центр линзы – это точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую луч не изменяет своего направления.

Побочная оптическая ось – это любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.

Фокус линзы – это точка, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Обозначение – ​( F )​.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы до ее фокуса. Обозначение – ( F ), единица измерения – м.

Фокальная плоскость – это плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Побочный фокус – это точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.

Оптическая сила линзы – это величина, обратная фокусному расстоянию.

Обозначение – ​( D )​, единица измерения – диоптрия (дптр):

1 дптр – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Важно!
Оптическая сила линзы зависит от показателя преломления линзы и от радиусов кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу:

где ​( n_л )​ – показатель преломления линзы, ​( n_{ср} )​ – показатель преломления среды, ​( R_1 )​ и ( R_2 ) – радиусы сферических поверхностей.

Если поверхности выпуклые, то ​( R_1 )​ > 0 и ( R_2 ) > 0, если поверхности вогнутые, то ( R_1 ) < 0 и ( R_2 ) < 0.

Если одна из поверхностей линзы плоская, например первая, то ​( R_1toinfty )​, а вторая поверхность выпуклая: ( R_2 ) > 0, то

Формула тонкой линзы

где ​( F )​ – фокусное расстояние линзы, ​( d )​ – расстояние от предмета до линзы, ​( f )​ – расстояние от линзы до изображения.

Правило знаков:

• ​( F )​ > 0, если линза собирающая; ( F ) < 0, если линза рассеивающая;
• ​( d )​ > 0, если предмет действительный; ( d ) < 0, если предмет мнимый (если на линзу падает сходящийся пучок лучей);
• ​( f )​ > 0, если изображение действительное; ​( f )​ < 0, если изображение мнимое.

Линза собирающая, предмет действительный, изображение действительное:

Линза собирающая, предмет действительный, изображение мнимо:

Линза собирающая, предмет мнимый, изображение действительное:

Линза рассеивающая, предмет действительный, изображение мнимое:

Линза рассеивающая, предмет мнимый, изображение мнимое:

Увеличение линзы – это величина, равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам предмета.

Обозначение – ​( mathit{Gamma} )​, единицы измерения – нет.

где ​( H )​ – линейный размер изображения, ​( h )​ – линейный размер предмета.

где ​( f )​ – расстояние от линзы до изображения, ​( d )​ – расстояние от предмета до линзы.

Важно!
При расчете увеличения линзы знаки ​( f )​ и ​( d )​ не учитываются.

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

• Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

• Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

• Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

• Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

• Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

• Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

• Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние. Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​( d_0 )​ – расстояние наилучшего зрения, ​( d_0 )​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​( F_1 )​ – фокусное расстояние объектива; ​( F_2 )​ – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​( varphi )​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​( infty )​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

• Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
• Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Интерференция света

Интерференция света – это явление перераспределения энергии в пространстве, происходящее в результате сложения когерентных волн, вследствие чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы.

Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Когерентные волны можно получить от одного источника в результате отражения, преломления или дифракции.

Два независимых источника света не могут быть когерентными, поэтому в опытах с интерференцией света световые пучки от одного источника разделяют на два пучка, заставляют их проходить разные расстояния, а потом соединяют.

Когерентными могут быть:

• волны, одна из которых падает на экран непосредственно от источника света, а другая создается его отражением в зеркале (зеркало Ллойда);

• волны, образованные отражением одной и той же волны от двух сдвинутых относительно друг друга поверхностей (тонкие пленки);

• волны, падающие от точечного источника на непрозрачную преграду с двумя узкими щелями, которые разделяют исходный пучок света на два когерентных пучка (опыт Юнга).

Интерференционная картина представляет собой чередование светлых (цветных) и темных полос.

Источником когерентных волн является лазер.

Геометрическая разность хода волн – это разность путей волн от двух когерентных источников ​( S_1 )​ и ( S_2 ) до точки пространства ​( M )​, в которой наблюдается интерференция.

Обозначение – ​( Delta r )​, единица измерения в СИ – м.

Условие максимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит целое число длин волн или четное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается усиление света – максимум:

где ​( k )​ = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного максимума.

Условие минимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит нечетное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается ослабление света – минимум:

где ( k ) = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного минимума.

Если свет распространяется в прозрачной среде с показателем преломления ​( n )​, то применяют понятие оптической разности хода.

Оптическая разность хода – это величина, равная произведению показателя преломления и геометрической разности хода волн.

Обозначение – ​( Delta )​, единица измерения в СИ – м.

Интерференция в тонких пленках

Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. На тонкую прозрачную пленку толщиной ​( h )​ падает световая волна, ограниченная лучами 1 и 2. В точке О свет частично отразится от верхней поверхности пленки (волна 1′), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С, преломившись в точке В, выйдет в воздух параллельно волне 1′. Волны 1′ и 1″ когерентны. (То же самое справедливо и для луча 2.)

Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и давать интерференционную картину. ( То же самое справедливо и для луча 2.)

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

где ​( Delta=2kfrac{lambda}{2} )​ – оптическая разность хода световых волн при отражении от верхней и нижней поверхности, ​( k )​ = 1; 2; 3… – целое число длин полуволн, укладывающихся в этой разности хода, ​( beta )​ – угол преломления.

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете: 

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете: 

Примером интерференции являются кольца Ньютона, которые наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны. Воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения линзы к краям. Отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки световые волны интерферируют между собой. При этом получается следующая картина: в точке соприкосновения наблюдается черное пятно, окруженное рядом концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.

Радиус светлого кольца Ньютона в отраженном свете:

где ​( R )​ – радиус кривизны линзы, ​( k )​ – номер кольца, считая от центра интерференционной картины.

Радиус темного кольца Ньютона в отраженном свете:

Радиус светлого кольца Ньютона в проходящем свете:

Радиус темного кольца Ньютона в проходящем свете:

Важно!
При решении задач следует учитывать, в каком свете наблюдается интерференция: в отраженном или проходящем.

Использование интерференции света

• Интерферометры – это приборы, которые контролируют качество обработки поверхностей зеркал, точность изготовления деталей оптических инструментов и измерительных приборов.
• Просветление оптики – на поверхность линз наносят тонкую пленку с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла. Подбирая толщину пленки и величину показателя преломления, добиваются «гашения отраженных волн», вследствие чего возрастает интенсивность света, пропускаемого линзой.

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения дифракции света.

Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Дифракционную решетку применяют для разложения света в спектр и измерения длин световых волн.

Период решетки – это величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос решетки.

Обозначение – ​( d )​, единица измерения в СИ – м.

где ​( a )​ – ширина прозрачной полосы; ​( b )​ – ширина непрозрачной полосы.

Если решетка регулярна, т. е. ее прозрачные и непрозрачные полосы имеют одинаковую ширину, то период решетки можно рассчитать, разделив ее длину на число штрихов:

где ​( l )​ – длина решетки, ​( N )​ – число штрихов.

Формула дифракционной решетки

где ​( d )​ – период решетки; ​( varphi )​ – угол дифракции; ​( k )​ = 0; 1; 2… – порядок максимума, считая от центрального ​( k )​ = 0 и расположенного напротив центра решетки; ​( lambda )​ – длина волны, падающей на решетку нормально к ней.

Если дифракционная решетка освещается белым светом, то при ​( k )​ ≠ 0 разным длинам волн будут соответствовать разные дифракционные углы. Поэтому положение главных максимумов ненулевого порядка будет различным. Центральный максимум (​( k )​ = 0) остается белым, т. к. при ​( k )​ = 0 для всех длин волн ​( varphi )​ = 0, т. е. положение главного максимума для всех длин волн одинаково. Все остальные максимумы имеют вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого порядка (​( k )​ = 1), второго порядка (​( k )​ = 2) и т. д. Ближе к центральному максимуму находится фиолетовый край спектра, дальше всего – красный, т. к. ​( lambda_{фиол}<lambda_{кр} )​, то и ​( varphi_{фиол}<varphi_{кр} )​.

Важно!
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядка, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.

Дисперсия света

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672)

Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.

Дисперсией света объясняется такое природное явление, как радуга.

Основные формулы по теме «Оптика»

Все формулы взяты в строгом соответствии с Федеральным институтом педагогических измерений (ФИПИ)

3.6 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

3.6.1 Прямолинейное распространение света в однородной среде. Луч света

В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Пересекающиеся световые лучи не взаимодействуют друг с другом.

Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света.

3.6.2 Законы отражения света

1)Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к границе двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2)Угол падения луча а равен углу отражения луча ß. Углы падения и отражения измеряются между направлением лучей и перпендикуляром.

3.6.3 Построение изображений в плоском зеркале

Построение изображения точечного источника света

S – точечного источника света
MN – зеркальную поверхность
На нее падают расходящиеся лучи SO, SO₁, SO₂
По закону отражения эти лучи отражаются под таким же углом:
SO под углом 0⁰,
SO₁ под углом β₁ = α₁,
SO₂ под углом β₂ = α₂
В глаз попадает расходящийся пучок света.
Если продолжить отраженные лучи за зеркало, то они сойдутся в точке S₁.
В глаз попадает расходящийся пучок света, как будто исходящий из точки S₁.
Эта точка называется мнимым изображением точки S.

Построение изображения предмета

1. К зеркалу прикладываем линейку так, чтобы одна сторона прямого угла лежала вдоль зеркала.
2. Двигаем линейку так, чтобы точка, которую хотим построить лежала на другой стороне прямого угла
3. Проводим линию от точки А до зеркала и продляем ее за зеркало на такое же расстояние и получаем точку А₁.
4. Аналогично все проделываем для точки В и получаем точку В₁
5. Соединяем точку А₁ и точку В₁, получили изображение А₁В₁ предмета АВ.

Изображение должно быть таким же по размерам, как и предмет, находиться за зеркалом на таком же расстоянии, как и предмет перед зеркалом.

3.6.4 Законы преломления света

1. Падающий и преломлённый лучи и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, равная относительному показателю преломления.

Преломление света:

Абсолютный показатель преломления: 

Относительный показатель преломления:

Ход лучей в призме

Проходя через призму, белый цвет (луч) не только преломляется, но и разлагается в цветной радужный спектр.

Соотношение частот и длин волн при переходе монохроматического света через границу раздела двух оптических сред:

3.6.5 Полное внутреннее отражение

Предельный угол полного внутреннего отражения: 

3.6.6 Собирающие и рассеивающие линзы. Тонкая линза. Фокусное расстояние и оптическая сила тонкой линзы:

3.6.7 Формула тонкой линзы: 

Увеличение, даваемое линзой: 

3.6.8 Ход луча, прошедшего линзу под произвольным углом к её главной оптической оси. Построение изображений точки и отрезка прямой в собирающих и рассеивающих линзах и их системах

Собирающая линза

Если параллельные лучи будут падать на собирающуюся линзу, то они встретятся в фокусе, если же они будут выходить из мнимого фокуса и попадать на линзу, то после нее они пройдут параллельно друг другу.

Если же параллельные лучи пойдут под некоторым углом к основной оси, то они так же соберутся в одной точке, однако она будет назваться побочным фокусом, который находится в фокальной плоскости.

Правила хода лучей:

1. Лучи, попавшие в оптический центр, не изменяют траектории движения.

2. Параллельный к главной оси луч собирается в фокусе.

3. Чтобы понять, куда пойдет луч, падающий под некоторым углом на линзу, следует построить побочную ось, что будет ему параллельна.

Вести её следует до точки пересечения с фокально плоскостью. Это позволит определить побочный фокус.

Рассеивающая линза

В рассеивающейся линзе пучок собирается во мнимом фокусе и расходится за пределами линзы.

Если же лучи будут падать под некоторым углом к линзе, то они в любом случае будут расходиться, однако перед линзой соберутся в мнимом побочном фокусе.

Правила хода лучей:

1. Данное правило справедливо для всех линз — лучи, проходящие через оптический центр, не меняют траектории.

2. Если луч, параллельный главной оптической оси, попадает на линзу, то он рассеивается, но пересекает мнимый фокус.

3. Для определения побочного мнимого фокуса для луча, который падает на линзу под углом, следует провести побочную ось, параллельную ходу лучей.

Построение изображений

Если перед линзой находится некоторая точка, излучающая свет, то изображение от данной точки можно получить в случае пересечения лучей в фокусе.

Действительное изображение — лучи пересекаются в некоторой точке после того, как преломились.

Мнимое изображение — изображение из-за пересечения лучей вблизи мнимого фокуса.

Построение изображения в собирающей линзе

1. Расстояние от предмета до линзы больше, чем фокусное расстояние: d>F.

Для получения изображения направим один луч SO через центр линзы, а второй SX произвольный. Параллельно к произвольному расположим побочную оптическую ось OP до пересечения с фокальной плоскостью. Проведем луч через точку пересечения фокальной плоскости и побочной оси. Будем вести луч до тех пор, пока он не пересечется с лучом SO. В данной точке и покажем изображение.

Если светящаяся точка находится в некотором месте на оси, то поступаем таким же образом — ведем произвольный луч до линзы, параллельно ему побочную ось, после линзы пропускаем луч через точку пересечения фокальной плоскости и побочной оси. Место, где данный луч пересечет главную оптическую ось, и будет местом расположения изображения.

Существует так же более простой способ построения изображения. Однако, он используется только в том случае, когда светящаяся точка находится вне главной оси.

От предмета проводим два луча — один через оптический центр, а другой параллельно главной оси до пересечения с линзой. Когда второй луч пересек линзу, направляем его через фокус. Место, где пересекутся два луча — это и есть место для расположения изображения.

Полученные изображения от предметов после собирающей линзы

1. Предмет находится между первым и вторым фокусом, то есть 2F > d >F.

Если один край предмета находится на главной оси, то следует находить расположение за линзой только конечной его точки. Как проецировать точку, мы уже знаем.

Стоит отметить тот факт, что если тело находится между первым и вторым фокусами, то благодаря собирающей линзе его изображение получается перевернутым, увеличенным и действительным.

Увеличение находится следующим образом:

2. Изображение за вторым фокусом d > 2F.

Если местонахождение предмета сместилось левее относительно линзы, то в ту же сторону сместится и полученное изображение.

Изображение получается уменьшенное, перевернутое и действительное.

3. Расстояние до предмета меньше расстояния до фокуса: F > d.

В данном случае, если мы воспользуемся известными правилами и проведем один луч через центр линзы, а второй параллельно, а потом через фокус, то увидим, что они будут расходиться. Соединятся они только в том случае, если их продолжить перед линзой.

Данное изображение получится мнимое, увеличенное и прямое.

4. Расстояние до предмета равно расстоянию до фокуса: d = F.

Лучи после линзы идут параллельно — это значит, что изображения не будет.

Рассеивающая линза

Для данной линзы используем все те же правила, что и раньше. В результате построения аналогичных изображений, получим:

Вне зависимости от расположения предмета относительно рассеивающей линзы: изображение мнимое, прямое, увеличенное.

3.6.9 Фотоаппарат как оптический прибор

Глаз как оптическая система

Сначала лучи попадают на защитную часть глаза, называемую роговицей.

Роговица — это сферическое прозрачное тело, а, значит, она преломляет лучи, попавшие на нее.

Далее лучи попадают на хрусталик. Он выступает в роли двояковыпуклой линзы. После хрусталика лучи собираются в одну точку. Как известно двояковыпуклая линза — это собирающая линза.

В зависимости от того, на каком расстоянии находится предмет, хрусталик меняет радиусы кривизны, что улучшает фокусировку. Процесс, при котором хрусталик непроизвольно подстраивается к расстоянию предмета, называется аккомодация. Данный процесс происходит, когда мы смотри на приближающийся или отдаляющийся предмет.

Перевернутое и уменьшенное изображение попадает на сетчатку, где нервные окончания сканируют его, переворачивают и отправляют в мозг.

Проблемы со зрением

Как известно, существует две основных проблемы со зрением: дальнозоркость и близорукость. Обе болезни описываются исключительно с точки зрения физики, а объясняются свойствами и толщиной линзы (хрусталика).

Если лучи от предмета соединяются перед сетчаткой, то человек страдает на близорукость.

Исправить данную проблему можно с помощью рассеивающей линзы, то есть именно поэтому больным выписывают очки.

Дальнозоркость — при такой болезни лучи соединяются после сетчатки, то есть фокус находится за пределами глаза.

Для исправления такого зрения используют очки с собирающими линзами.

Кроме природного оптического прибора существуют и искусственные: микроскопы, телескопы, очки, камеры и прочие предметы. Все они имеют аналогичное строение. Для улучшения или увеличения изображения используется система из линз (в микроскопе, телескопе).

Фотоаппарат

Искусственным оптическим прибором можно назвать фотоаппарат. Рассматривать строение современных фотоаппаратов — достаточно сложно. Поэтому в школьном курсе физики рассмотрим самую простую модель, один из первых фотоаппаратов.

Основным оптическим преобразователем, который способен зафиксировать большой объект на пленке, является объектив. Объектив состоит из одной или более линз, которые позволяют фиксировать изображение. Объектив имеет возможность изменять положение линз относительно друг друга, чтобы фокусировать изображение, то есть делать его четким. Все мы знаем, как выглядит сфокусированное изображение — оно четкое, полностью описывает все детали предмета. Если же линзы в объективе не сфокусированы, то изображение получается нечетким и размытым. Аналогичным образом видит человек, обладающим плохим зрением, поскольку изображение не попадает в фокус.

Чтобы получить изображение от отражения света для начала необходимо открыть затвор — только в данном случае пленка будет освещаться в момент фотографирования. Чтобы обеспечить необходимый поток света, его регулируют с помощью диафрагмы.

В результате преломления лучей на линзах объектива, на пленке можно получить перевернутое, действительное и уменьшенное изображение.

Источники света. Прямолинейное распространение света. Отражение света. Зеркала. Преломление света. Линзы. Оптические приборы. Дисперсия света и цвета тел. Фотография и полиграфия. Корпускулярно-волновой дуализм.

Введение в оптику

Свет или видимое излучение – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения. Такой способностью обладают волны только с определёнными частотами: 4·1014 – 8·1014 Гц (см. § 11-е). Однако, например, пчёлы способны видеть ультрафиолет из диапазона 8·1014 – 300·1014 Гц. А специальные приборы «ночного видения» воспринимают окружающий мир благодаря его инфракрасному излучению с частотой менее 4·1014 Гц.

Три названных вида излучения обладают многими схожими свойствами. Поэтому видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения объединяют общим названием оптические излучения, а раздел физики, занимающийся их изучением, называют оптикой.

По способу происхождения излучения все источники света разделяют на тепловые и люминесцентные. Тепловые источники имеют высокую температуру. Например, всякое тело, нагретое выше 500 °С, испускает свет красного цвета, выше 1000 °С – жёлтого, выше 1500 °С – белого.

Закон независимости распространения света утверждает, что световые пучки, пересекаясь, не влияют друг на друга. Этот закон справедлив для световых пучков небольшой интенсивности (к ним относятся свет большинства окружающих нас источников).

Световой луч – это линия, указывающая преобладающее направление распространения энергии электромагнитной волны в пучке света. Световой луч является геометрической моделью пучка света. Характерной особенностью светового луча является его прямолинейность, если свет распространяется в однородной среде.

Закон прямолинейного распространения света утверждает, что лучи света, распространяющегося в прозрачной однородной среде, являются прямыми линиями.

Изображения предметов в плоском зеркале являются мнимыми, так как кажутся расположенными там, где свет отсутствует. Кроме того, изображения находятся позади зеркала на таком же расстоянии от него, как и сами предметы, и равны им по размерам.

Кроме плоских зеркал, существуют сферические, параболические, эллиптические и другие зеркала. Они применяются в прожекторах и телескопах. Сферические зеркала представляют собой часть шарообразной поверхности и могут быть выпуклыми или вогнутыми.

Преломлением света называют изменение направления луча на границе раздела двух сред, при котором свет переходит во вторую среду. Чем больше показатель преломления отличается от единицы, тем больше угол, на который отклоняется луч, переходя из вакуума в среду.

Закон преломления света: 1. Луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к границе раздела сред в точке излома луча лежат в одной плоскости. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – постоянная величина, не зависящая от углов. 

Принцип обратимости световых лучей. При отражении или преломлении света падающий и отражённый лучи всегда можно поменять местами. Это означает, что ход лучей не изменится, если изменить их направления на противоположные.

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное сферическими или плоско-сферическими поверхностями. Всякая линза, которая в средней части тоньше, чем по краям, в вакууме или газе будет рассеивающей линзой. И наоборот: всякая линза, которая в средней части толще, чем по краям, будет собирающей линзой.

  

Конспект темы «Введение в оптику». Следующая тема:

Содержание:

Оптика:

Чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда является оптически более плотной.

Оптика — раздел физики, в котором изучаются физическая природа и свойства света, а также его взаимодействие с веществом. Соответственно световые явления часто называют оптическими явлениями. Слово «оптика» произошло от греческого слова

Что такое оптика

По количеству и качеству информации, получаемой человеком об окружающем мире, зрение намного превосходит слух. Этот факт обусловлен существенным различием длин волн видимого света 

Под светом в оптике понимают электромагнитные волны, частоты которых находятся в диапазоне от до . Этот диапазон делится на инфракрасный , видимый и ультрафиолетовый диапазоны.

Современная оптика основана на электромагнитной теории света. Как вам известно, во второй половине XIX в. Дж. Максвелл доказал возможность распространения электромагнитных волн в вакууме. Согласно выводам из его теории свет имеет электромагнитную природу, поскольку скорость его распространения равна скорости электромагнитных волн в вакууме.

В 1672 г. английский ученый Роберт Гук в докладе английскому Королевскому обществу высказал гипотезу о том, что свет представляет собой быстро распространяющиеся поперечные волны.

Теорию продольных световых волн разработал голландский физик Христиан Гюйгенс в 1690 г. в «Трактате о свете». Он, исходя из аналогии между акустическими и оптическими явлениями, полагал, что свет как упругие волны распространяется в особой среде — эфире, заполняющем все пространство как внутри материальных тел, так и между ними. В трактате с позиций волновой природы света объяснялось отражение и преломление света.

Первые попытки измерения скорости света на расстоянии нескольких километров, предпринятые Галилео Галилеем и другими учеными, не увенчались успехом в силу недостаточной точности измерения времени (хронометрирования). Из этих экспериментов Галилей сделал вывод, что измерить модуль скорости света на малых расстояниях практически невозможно, поскольку свет преодолевает их мгновенно в силу большого значения скорости распространения.

Рене Декарт одним из первых предложил использовать для измерения модуля скорости света огромные (астрономические) расстояния, на преодоление которых свету потребуется значительное время, которое можно измерять с достаточной точностью.

Исторически первое экспериментальное определение модуля скорости света в вакууме в 1672 г. сделал датский астроном Олаф Рёмер, который проводил систематические наблюдения затмений спутника Юпитера — Ио в телескоп. Примерно через полгода после начала наблюдений он заметил, что момент затмения спутника Ио запаздывает почти на 16 мин по сравнению с вычисленным значением.

Описание экспериментов Рёмера по измерению скорости света Гюйгенс привел в своем «Трактате о свете».

Рис. 50. Схема наблюдений Рёмера

Рёмер объяснил эту задержку конечностью скорости распространения света. Поскольку за полгода Земля переместилась из положения I (рис. 50) в положение II, то надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошел добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты.

На основании имевшихся в то время данных о диаметрах орбит Земли и Юпитера он получил для модуля скорости света значение:

Скорость распространения света в вакууме обозначается латинской буквой (от лат. celeritas — скорость).

Значение модуля скорости света, полученное Рёмером, уточнил французский физик Арман Физо в 1849 г., измерив его лабораторным способом. Полученное им значение модуля скорости света — .Американский физик Альберт Майкель-сон в 1926 г. для более точного измерения скорости света использовал установку, расположенную между двумя горными вершинами, расстояние между которыми . Схема установки изображена на рисунке 51. Зеркалом являлась восьмигранная стальная призма, которая, вращалась с частотой . Метод измерения основывался на том, что луч света от источника может попасть в зрительную трубу только в том случае, если за время его распространения по пути стальная призма успеет повернуться на оборота (см. рис. 51). Следовательно, измеренное время  с составляло , где — период вращения призмы.

Рис. 51. Схема опыта Майкельсона: — вращающаяся стальная призма; — зрительная труба; — источник света.

Майкельсон получил значение модуля скорости света, близкое к современным данным:

В 1972 г. значение модуля скорости света было определено на основе независимых измерений длины волны и частоты света. Это позволило значительно повысить точность измерений. В качестве источника был выбран гелиево-неоновый лазер. Таким образом, было получено значение скорости света, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка.

Согласно современным измерениям модуль скорости распространения света в вакууме:

В 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение эталона метра с учетом того, что скорость распространения света в вакууме точно равна .

Заметим, что при решении задач используют приближенное значение модуля скорости света: 

Одним из параметров, характеризующих световую волну в вакууме, является длина волны , связанная с периодом колебаний соотношением:

и с частотой соотношением:

Измерения показали, что модуль скорости света в различных веществах всегда меньше, чем модуль скорости света в вакууме. В 1862 г. французский физик Жан Фуко измерил модуль скорости распространения света в воде и получил значение . Через несколько лет Майкельсон определил модуль скорости распространения света в сероуглероде — . Следовательно, в воде модуль скорости распространения света уменьшается в раза по сравнению с вакуумом, а в сероуглероде — в раза.

При изучении физики 8-го класса вы узнали, что, чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда является оптически более плотной. Мерой оптической плотности вещества является его абсолютный показатель преломления, который обозначается латинской буквой .

Абсолютный показатель преломления вещества характеризует его оптические свойства и показывает, во сколько раз модуль скорости распространения света в данном веществе меньше модуля скорости распространения света в вакууме:

Так как модуль скорости распространения света в любом веществе всегда меньше, чем в вакууме, то абсолютный показатель преломления вещества всегда больше единицы . Абсолютный показатель преломления зависит как от свойств вещества, т. е. его химического состава, агрегатного состояния, температуры, давления, так и от частоты света.

Исходя из соотношения (1), можно записать формулу для нахождения модуля скорости распространения света в веществе:

Кроме того, из соотношения (1) следует, что для любых сред

где — абсолютные показатели преломления сред, — модули скоростей распространения света в средах.

Подставим в соотношение (3) выражение , связывающее модуль скорости распространения света в веществе с длиной волны и частотой . Так как при переходе электромагнитной волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота колебаний напряженности электрического поля и индукции магнитного поля не изменяется , то

где  — длины световых волн в средах, — длина волны в вакууме.

Отсюда следует, что длина световой волны при переходе из одного вещества в другое изменяется.

Длина световой волны в веществе, абсолютный показатель преломления которого , определяется по формуле:

Таким образом, при переходе света из одного вещества в другое частота остается неизменной, а изменяются скорость распространения световой волны и ее длина.

Белый свет представляет собой совокупность электромагнитных волн всевозможных частот видимого диапазона. Волна одной определенной и строго постоянной частоты называется монохроматической (от греч. (монос) — свет и  (хрома) — цвет, т. е. одноцветный).

Как показали результаты многочисленных экспериментов, световое ощущение у человека вызывают лишь электромагнитные волны видимого диапазона , которому соответствуют длины волн от  мкм до  мкм, воспринимаемые глазом человека.

Каждой частоте соответствует свое цветовое ощущение. Так, например, свет частотой вызывает ощущение красного цвета, а — фиолетового. Поскольку цвет волн, воспринимаемых глазом, определяется только частотой световой волны, то при переходах из одного вещества в другое цветовое восприятие не изменяется.

Пример решения задачи:

Монохроматический свет длиной волны мкм переходит из стекла в воздух. Определите, на какое значение увеличивается длина волны света в воздухе, если абсолютный показатель преломления стекла . Найдите модуль распространения скорости света в стекле, если модуль скорости распространения света в воздухе .

Решение

Учитывая, что частота света не зависит от свойств среды, можем записать:

где — длина волны в воздухе. Поскольку длина волны прямо пропорциональна скорости распространения света, то

Выражая из последнего равенства , найдем:

Так как , то формулу для можно переписать в виде:

Ответ: .

Интерференция света

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы точечных зарядов в некоторой точке пространства равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым из этих зарядов по отдельности, причем поле каждого не зависит от полей других:

Рассмотрим процесс наложения волн длиной , возбуждаемых одинаковыми точечными монохроматическими источниками света и (рис. 52). В той области среды, где встречаются две волны от разных источников, происходит их наложение.

Рис. 52. Процесс наложения одинаковых волн

Согласно принципу суперпозиции (от лат. superposition — добавление) колебания, вызванные волнами, складываются таким образом, что результирующее смещение каждой частицы среды равно сумме отдельных смещений. Причем каждая из волн распространяется независимо друг от друга. Более того, волны свободно проходят сквозь друг друга и при этом никак не взаимодействуют между собой.

Рис. 53. Схема процесса наложения одинаковых волн

Если в точку от монохроматических источников частотой пришли две волны, прошедшие разные расстояния и (рис. 53), то разность расстояний , которую называют разностью хода, обусловливает сдвиг по фазе

Следовательно, результат сложения волн зависит от разности фаз между ними, а она определяется разностью хода .

Волны одинаковых частот, разность фаз колебаний которых в данной точке пространства не изменяется с течением времени, называются когерентными (от лат. cohaerens — связанный, сцепленный). Соответственно, свойство, характеризующее согласованность протекания в пространстве и времени нескольких колебательных или волновых процессов, называется когерентностью.

Предположим, что приходящие волны будут иметь в точке  напряженности электрического поля:

где — амплитуды, — начальные фазы колебаний в каждой из волн соответственно.

Как следует из (2), волны, приходящие в некоторую точку пространства , возбуждают в ней гармонические колебания одинаковой частоты, определяемой частотой со источников и . Будем считать, что направления колебаний в каждой из волн одинаковы.

Заметим, что разность фаз колебаний, возбуждаемых рассматриваемыми источниками в точке , остается постоянной с течением времени, даже если начальные фазы этих колебаний различны.

Амплитуда результирующего колебания согласно принципу суперпозиции в любой момент времени равна векторной сумме амплитуд каждой волны по отдельности. Результирующее колебание представляет собой их сумму:

Если разность хода волн от источников и  кратна длине волны , то , и колебания, возбуждаемые волнами в точке (рис. 54, а), происходят в одинаковой фазе.

Рис. 54. Сложение монохроматических колебаний двух волн: а — максимальная амплитуда в точке , б — минимальная амплитуда в точке

При этом гребень одной волны накладывается на гребень другой. Соответственно, амплитуда результирующего колебания в точке равна сумме амплитуд слагаемых волн и оказывается максимальной (рис. 55):

Если же разность хода волн в точке (рис. 54, б) равна нечетному числу полуволн

то , и колебания происходят в противофазе.

При этом гребень одной волны накладывается на впадину другой. В этом случае амплитуда результирующего колебания равна модулю разности амплитуд накладывающихся волн и оказывается минимальной (рис. 56):

Заметим, что во всех других точках накладывающихся волн амплитуда результирующего колебания имеет промежуточное значение:

Рис. 55. Сложение амплитуд волн

Рис. 56. Вычитание амплитуд волн

Приемники излучения фиксируют не саму световую волну, а энергию, принесенную волной в данную область пространства. Параметром, характеризующим эту энергию, является интенсивность световой волны, которая обозначается латинской буквой . Интенсивность световой волны численно равна средней энергии, которая переносится волной за единицу времени через площадку единичной площади, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны. Согласно волновой теории электромагнетизма интенсивность электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды вектора напряженности ее электрического поля . Символ означает усреднение по времени.

Таким образом, интенсивность результирующей волны не равна сумме интенсивностей исходных волн. Это означает, что волны интерферируют друг с другом. Вследствие зависимости разности фаз (1) от точки наблюдения, в пространстве получается сложная картина распределения интенсивности результирующей волны. Устойчивое во времени распределение амплитуд колебаний в пространстве при интерференции называется интерференционной картиной.

Интерференция (от лат. inter — взаимно, между собой и ferio — ударяю, поражаю) — явление возникновения устойчивой во времени картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн.

Закономерности интерференции волн справедливы для волн любой природы (рис. 57), т. е. носят универсальный характер.

При рассмотрении интерференции света (электромагнитных волн) следует учесть, что длина волны света в веществе изменяется в зависимости от показателя преломления вещества. Если одна волна распространяется в веществе с показателем преломления , а другая — с показателем преломления , то разность фаз колебаний

где

Здесь — оптическая разность хода волн от источника до точки наблюдения. Эта величина определяется расстояниями и , пройденными волнами с учетом их различных скоростей распространения  и  в этих средах с показателями преломления  и .

Рис. 57. Интерференционная картина поперечных волн на поверхности воды

Таким образом, если оптическая разность хода (7) равна целому числу длин волн:

то волны приходят в точку  (см. рис. 53) синфазно, поскольку разность фаз в этом случае кратна .

Действительно:

Если оптическая разность хода (7) равна нечетному числу полуволн:

то волны приходят в точку в противофазе. Разность фаз колебаний в этом случае равна:

Для наблюдения интерференции света необходимы когерентные источники, излучающие волны с фиксированной разностью фаз. Распространенные обычные источники света (лампы накаливания, лампы дневного света, свечи и т. д.) не являются когерентными. Для того чтобы можно было наблюдать от них интерференцию света, свет от одного и того же источника необходимо разделить на два пучка и затем свести их вместе.

Рис. 58. Схема эксперимента Юнга по интерференции света

Для получения интерференционной картины пользуются классической интерференционной схемой (схемой Юнга), где пучок света от небольшого отверстия  в ширме разделяется на два когерентных пучка с помощью небольших отверстий и в следующей ширме (рис. 58). Поскольку эти пучки созданы одним и тем же источником , они являются когерентными. Поэтому на экране в области перекрытия пучков наблюдается интерференционная картина.

Классический эксперимент по наблюдениям интерференции света английский  ученый Томас Юнг провел в 1801 г. Это позволило измерить длину световой волны и убедительно подтвердить волновую природу света.

Изобретение и распространение когерентных источников излучения — лазеров — сделало демонстрацию явления интерференции достаточно простой.

Отметим еще один распространенный случай интерференции — сложение волн одинаковой частоты, распространяющихся в противоположных направлениях (например, падающей и отраженной волн). Это приводит к образованию в пространстве устойчивой картины чередования максимумов амплитуды колебаний (пучностей) и минимумов (узлов) (рис. 59). Волна, возникающая в результате сложения двух волн одинаковой частоты, распространяющихся в противоположных направлениях, называется стоячей волной.

Рис. 59. Стоячая волна

Пример №1

Рассчитайте положения максимумов и минимумов интерференционной картины на экране, находящемся на расстоянии от двух одинаковых когерентных источников света и , которые расположены в вакууме на расстоянии друг от друга (рис. 60). Длина волны излучения источников . Найдите расстояние между соседними максимумами.

Рис. 60.

Решение

До некоторой точки  на экране каждая из волн проходит различные пути и . Максимумы и минимумы будут наблюдаться при выполнении условий:

Из треугольников и по теореме Пифагора находим:

где — координата точки .

Отсюда, вычитая из соотношения (2) соотношение (1), получаем:

С учетом того, что и , находим:

Из условия максимумов следует:

Тогда расстояние от центра экрана до -й светлой полосы находится из соотношения:

Из условия для минимумов находим положение темных полос:

Отсюда

Расстояние между соседними максимумами:

Из полученной формулы видно, что ширина интерференционных полос увеличивается при уменьшении расстояния  между когерентными источниками.

Ответ:

Принцип Гюйгенса — Френеля. Дифракция света. Дифракционная решетка

Среда называется однородной, если ее физические свойства по всему объему одинаковы во всех точках пространства. Среда называется изотропной, если ее физические свойства одинаковы по всем направлениям в пространстве.

Волновой фронт — это поверхность, все точки которой колеблются в одинаковых фазах, т. е. это поверхность равных фаз.

Волна называется плоской, если ее волновой фронт является плоскостью.

Закономерности распространения волн любой природы в различных средах носят универсальный характер.

Для наглядности рассмотрим процесс распространения волн на поверхности воды. Волны, возбуждаемые точечным источником , распространяются по всем направлениям с одинаковой по модулю скоростью . Следовательно, фронт волны будет иметь вид окружности (рис. 62). Соответственно, если волна будет распространяться в однородной изотропной среде по всем направлениям в пространстве, то ее волновой фронт будет иметь вид сферической поверхности. Как видно из рисунка 62, если в некоторый момент времени фронт волны занимал положение I, то через промежуток времени фронт займет положение II, точки которого будут удалены от начального фронта волны на расстояние .

Рис. 62. Перемещение фронта волны по принципу Гюйгенса

Общие закономерности процесса распространения волн объяснил Христиан Гюйгенс, сформулировав в 1690 г. в «Трактате о свете» принцип, позволяющий определять положение волнового фронта через небольшой промежуток времени, зная его положение в данный момент времени. Согласно принципу Гюйгенса:

каждая точка среды, которой волновой фронт достиг в момент времени , становится источником вторичных сферических волн. Новое положение волнового фронта через малый промежуток времени определяется огибающей волновых фронтов вторичных волн в момент времени .

Таким образом, согласно принципу Гюйгенса для нахождения положения волнового фронта через промежуток времени проведем окружности радиусом , представляющие собой фронты вторичных волн с центрами на фронте в положении I (см. рис. 62). Соответственно, огибающая волновых фронтов вторичных волн определяет новое положение волнового фронта — положение II. Напомним, что огибающей называется поверхность, касательная ко всем вторичным волнам. На очень больших расстояниях от точечного источника излучаемые им волны можно считать плоскими.

Линия, перпендикулярная волновому фронту в данной точке, называется лучом. Луч определяет направление распространения волны, а также направление переноса энергии волной. Например, в солнечном излучении, приходящем на Землю, световые лучи являются практически параллельными друг другу.

Принцип Гюйгенса объясняет прямолинейное распространение волн в однородной среде. Поскольку в такой среде радиусы фронтов вторичных волн одинаковы на всех участках (рис. 63), то волновой фронт плоской волны с течением времени перемещается в одном и том же направлении, оставаясь параллельным своему начальному положению .

Рис. 63. Прямолинейное распространение волн (формирование фронта плоской волны)

Однако от закона прямолинейного распространения света наблюдаются отклонения при его распространении вблизи границ непрозрачных тел или прохождении через отверстия в непрозрачных экранах, т. е. в средах с резко выраженными неоднородностями. Причем отклонение существенно зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия. Действительно, стоя за углом дома, мы хорошо слышим, что едет автомобиль, хотя не видим его, поскольку находимся в области «тени». Таким образом, звуковые волны как бы «заворачивают за угол», в то время как световым волнам этого сделать не удается.

Явление огибания волнами препятствий, которое проявляется в отклонении направления распространения волн от прямолинейного, называется дифракцией (рис. 64). Явление дифракции служит одним из подтверждений волновой природы света.

Рис. 64. Дифракция волн на различных препятствиях

Для проявления дифракции размеры препятствий (отверстий) должны быть меньше или сравнимы с длиной волны, вот почему в рассмотренном примере звук мотора автомобиля смог «завернуть за угол», а свет , отраженный от автомобиля, — нет.

Принцип Гюйгенса позволяет решать задачи лишь о направлении распространения волнового фронта и не затрагивает вопрос об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности распространяющихся по разным направлениям волн.

Изучая дифракцию света, французский физик Огюстен Жан Френель дополнил принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн, которые являются когерентными. Принцип Гюйгенса — Френеля позволил описать явление дифракции количественно:

все источники вторичных волн, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Для расчета амплитуды огибающей волны в данной точке пространства следует учесть интерференцию вторичных волн от всех участков волнового фронта в начальном положении.

Таким образом, согласно Френелю дифракция света объясняется интерференцией вторичных волн от различных участков начального положения волнового фронта.

Для наблюдения дифракции света используется дифракционная решетка.

Дифракционной решеткой называют оптический прибор, предназначенный для точного измерения длин волн и анализа состава света.

Дифракционная решетка состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов (щелей), нанесенных на стеклянную или металлическую поверхность. Длина решеток составляет 10—15 см. Они содержат 10 000—20 000 штрихов на 1 см. Наблюдения проводятся как в отраженном свете (на металлических решетках), так и в проходящем свете (на стеклянных).

Рис. 65. Условие образования главных максимумов на дифракционной решетке

Рассмотрим дифракционную решетку, представляющую собой систему из одинаковых равноотстоящих параллельных щелей (прозрачные участки)в плоском непрозрачном экране (рис. 65). Если ширина каждой щели , ширина непрозрачной части между щелями , то величина называется постоянной решетки или ее периодом.

Пусть на решетку, постоянная которой равна , падает плоская волна, длина которой . Из принципа Гюйгенса следует, что волны, дифрагировавшие на щелях, распространяются за решеткой по всем направлениям (рис. 66).

Рис. 66. Дифракционные спектры, полученные с помощью решетки, содержащей 

Для наблюдения дифракционной картины на экране между ним и решеткой размещают собирающую линзу таким образом, чтобы экран находился в фокальной плоскости линзы (см. рис. 65). Собирающая линза фокусирует на экране падающие на нее параллельные лучи (вторичные волны).

В зависимости от разности хода между вторичными волнами, испущенными разными щелями, они интерферируют друг с другом, усиливая или ослабляя друг друга. На экране получается дифракционная картина в виде системы светлых и темных полос.

Наиболее яркие дифракционные максимумы получили название главных дифракционных максимумов.

Условие возникновения главных дифракционных максимумов, наблюдаемых под углами , имеет вид:

Здесь — порядок максимума, или порядок спектра, — длина волны падающего излучения.

Полученное условие определяет направления распространения света в пространстве, по которым на отрезке укладывается целое число длин волн (см. рис. 65).

Следовательно, вторичные волны от всех щелей решетки приходят в точку наблюдения синфазно (с фазами, отличающимися на число, кратное ) и усиливают друг друга.

Между максимумами интенсивности расположены минимумы, так как при изменении угла на отрезке  уже не будет укладываться целое число длин волн.

Следовательно, вторичные волны приходят в точку наблюдения, ослабляя результирующее действие.

Из условия возникновения главных дифракционных максимумов (1) следует, что при для любых длин волн . Следовательно, прямо по центру решетки образуется нулевой максимум, который называется также центральным максимумом. Дифракционные максимумы, соответствующие , образуют спектр первого порядка, — спектр второго порядка и т. д. (см. рис. 66).

Количество максимумов т в дифракционной картине ограничено, поскольку . Максимальный порядок спектра , который дает дифракционная решетка при нормальном падении света на нее, определяется из условия .

Рис. 67. Дифракционный спектр белого света (а); дифракционные максимумы красного света (б); дифракционные максимумы синего света (в).

Тогда из соотношения (1) следует:

т. е. зависит от периода решетки и длины световой волны.

Таким образом, для получения спектра первого порядка необходимо, как следует из соотношения (2), чтобы период решетки был больше длины световой волны .

При падении на решетку белого света центральный максимум представляет собой изображение источника (рис. 67, а), так как в этом направлении собирается излучение всех длин волн. Для всех максимумов ненулевого порядка в дифракционной решетке . Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем синие, отклоняются дифракционной решеткой сильнее (рис. 67, б, в).

Таким образом, при освещении решетки белым светом справа и слева от центрального максимума наблюдаются максимумы первого, второго и более высоких порядков, обращенных фиолетовым краем к центру дифракционной картины, а красным от нее (см. рис. 67, а).

С увеличением числа щелей в дифракционной решетке возрастает количество световой энергии, пропускаемой решеткой, следовательно, интенсивность главных максимумов при этом увеличивается.

Кроме того, главные максимумы из расплывчатых превращаются в резкие и узкие, которые разделены практически темными промежутками, так как вторичные максимумы очень слабы и составляют не более от главного (рис. 68). Отношение интенсивностей максимумов в нулевом, первом и втором порядках: . Поэтому при падении монохроматического излучения на решетки, в которых число штрихов на 1 см достигает , дифракционный спектр состоит из очень резких линий.

Рис. 68. Изменение дифракционной картины при увеличении числа щелей: а — две щели; б — шесть щелей

Первая дифракционная решетка, сконструированная американским ученым Риттенхаузом, состояла из параллельного ряда волосков диаметром около 0,1 мм и длиной 10 мм, натянутых на расстоянии порядка 0,2 мм один от другого. Немецкий физик Йозеф Фраунгофер вместо волосков использовал штрихи, наносимые на стекло алмазным острием. Их число на 1 мм решетки достигало у него 300.

Пример №2

На дифракционную решетку, имеющую , падает монохроматическое излучение длиной волны . Определите наибольший порядок дифракционного максимума, который можно наблюдать при нормальном падении излучения на решетку.

Решение

Условие дифракционных максимумов:

Следовательно,

Наибольший порядок дифракционного максимума наблюдается при угле , близком к углу . Вследствие этого будем считать, что

тогда наибольший порядок максимума находится по формуле:

Для определения необходимо взять целую часть полученного значения:

Ответ:

Закон преломления света. Показатель преломления. Полное отражение

Изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения оптического излучения на основе представления о световых лучах.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать световые лучи графически с помощью геометрических линий со стрелками. В геометрической оптике волновая природа

света не учитывается.

Геометрическому лучу на практике соответствует тонкий световой пучок, получаемый при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране (рис. 69).

Рис. 69. Световой пучок

Таким образом, следует различать геометрический луч (математическое понятие) и световой пучок (материальный объект), получаемый от источника света.

Уже в начальные периоды оптических исследований были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

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

Световой поток можно разделить на отдельные световые пучки, выделяя их при помощи диафрагм. Действие выделенных световых пучков оказывается независимым друг от друга, т. е. эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно с ним другие пучки или нет.

Световые пучки получают при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране  (рис. 70). Для того чтобы можно было пренебречь дифракционным расширением пучка, должно выполняться условие:

где  — размер препятствия или отверстия, на котором свет дифрагирует, — длина световой волны, — расстояние от препятствия до места наблюдения дифракционной картины.

Рис. 70. Распространение света через щель

В этом случае выходящий из диафрагмы пучок будет оставаться неизменным, и он называется параллельным.

Соотношение (1) выполняется, когда длина световой волны стремиться к нулю . Поэтому геометрическая оптика является предельным приближенным случаем волновой оптики.

Если диаметр диафрагмы или размеры предмета оказываются сравнимы с длиной световой волны , то выходящий световой пучок становится расходящимся, свет проникает в область геометрической тени, происходит дифракция света, т. е. проявляется волновой характер светового излучения.

Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися, а собирающиеся в одной точке — сходящимися. Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся — совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

Для изучения свойств световых волн необходимо знать закономерности их распространения в однородной среде, а также закономерности отражения и преломления на границе раздела двух сред.

Рассмотрим падение плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения.

Рис. 71. Преломление света в соответствии с принципом Гюйгенса: — фронт падающей плоской волны; — фронт волны после преломления

Пусть на плоскую поверхность раздела двух сред падает плоская световая волна, фронт которой (рис. 71). Если угол падения отличен от нуля, то различные точки фронта волны достигнут границы раздела не одновременно.

Рассмотрим, что будет происходить во второй среде, считая, что модуль скорости распространения света в ней меньше, чем в первой (см. рис. 71).

Фронт падающей волны будет перемещаться со скоростью, модуль которой по направлению . К моменту времени (за промежуток времени ), когда точка фронта достигнет границы раздела двух сред (точка ), вторичная волна из точки (согласно принципу Гюйгенса) пройдет расстояние . Фронт волны, распространяющейся во второй среде, можно получить, проводя прямую линию, касательную к полуокружности с центром в точке .

Из построения видно, что как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Из находим: и из — .

Отсюда:  

Из этого выражения следует закон преломления:

Напомним, что абсолютным показателем преломления называется отношение модуля скорости распространения световой волны в вакууме  к модулю скорости распространения в данной среде.

С учетом этого соотношения закон преломления принимает вид:

Величина 

равная отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред, называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. В отличие от абсолютного показателя преломления относительный показатель преломления может быть и меньше единицы, если .

Таким образом, исходя из волновой теории света, получен закон преломления световых волн:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой;

лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред.

Перепишем закон преломления в следующем виде:

При такой записи закона преломления не надо запоминать абсолютный показатель преломления какой среды стоит в числителе, а какой — в знаменателе.

Необходимо всегда умножать абсолютный показатель преломления на синус угла, относящийся к одной и той же среде.

Для наблюдения явления преломления света достаточно поместить карандаш в стакан с водой и посмотреть на него со стороны — карандаш будет казаться «надломленным» (преломленным) (рис. 72), оставаясь при этом совершенно целым.

Рис. 72. Преломление света на границе раздела двух сред

Первые упоминания о преломлении света в воде и стекле встречаются в труде Клавдия Птолемея «Оптика», вышедшем в свет во II в. н. э.

Закон преломления света был экспериментально установлен в 1620 г. голландским ученым Виллебродом Снеллиусом. Заметим, что независимо от Снеллиуса закон преломления был также открыт Рене Декартом.

Причиной преломления волн, т. е. изменения направления распространения волн на границе раздела двух сред, является изменение модуля скорости распространения электромагнитных волн при переходе излучения из одной среды в другую.

Рис. 73. Полное отражение света на границе раздела сред

Как следует из закона преломления, при переходе света из оптически более плотной среды I (с большим абсолютным показателем преломления ) в оптически менее плотную среду  II (с меньшим показателем преломления ) угол преломления становится больше угла падения (рис. 73).

По мере увеличения угла падения, при некотором его значении , угол преломления станет , т. е. свет не будет попадать во вторую среду. Энергия преломленной волны при этом станет равной нулю, а энергия отраженного излучения будет равна энергии падающего. Следовательно, начиная с этого угла падения, вся световая энергия полностью отражается от границы раздела этих сред в среду I.

Это явление называется полным отражением света (см. рис. 73). Угол , при котором возникает полное отражение, называется предельным углом полного отражения. Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления :

Таким образом, преломленная волна отсутствует при углах падения, больших предельного угла . Например, для границы вода — воздух предельный угол полного отражения , для границы алмаз — воздух — .

Явление полного отражения используют в волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких световодов (рис. 74), а также в отражательных призмах различных оптических приборов. В волоконно-оптических устройствах, в которых свет распространяется по тонким световодам, стеклянная световедущая жила покрыта слоем вещества с меньшим показателем преломления.

Рис. 74. Ход лучей в световоде: а — прямом; б — гибком

В 2009 г. китайский ученый Чарльз Пао удостоен Нобелевской премии за выдающийся вклад в исследование световодов для оптической связи. В 1954 г. белорусским физиком, академиком Федором Ивановичем Федоровым было теоретически предсказано новое физическое явление — поперечное смещение (перпендикулярно плоскости падения) светового пучка при его полном отражении. Это смещение меньше длины волны, и для его наблюдения световой пучок должен быть ограниченным в поперечном направлении. В 1969 г. французским физиком К. Эмбером оно было подтверждено экспериментально и получило название «сдвиг Федорова».

• Заказать решение задач по физике

Пример №3

Определите угол падения луча на стеклянную пластинку с показателем преломления , если между отраженным и преломленным лучами угол .

Решение

Из закона преломления находим:

Рис. 75

Из геометрического построения (рис. 75) следует, что углы отражения и преломления связаны соотношением:  

Отсюда 

Подставляем найденный угол в формулу закона преломления и с учетом закона отражения  определяем искомый угол падения:

Отсюда

Ответ: .

Прохождение света через плоскопараллельные пластинки и призмы

Законы отражения и преломления света широко используются для управления ходом световых пучков. Для отражения света в приборах применяются зеркала и призмы, для преломления — призмы, плоскопараллельные пластинки, линзы.

Зеркала, призмы, пластинки и линзы являются элементами, комбинируя которые, создают различные оптические приборы. Рассмотрим отдельные элементы оптических приборов.

Плоскопараллельная пластинка. Рассмотрим ход луча в плоскопараллельной пластинке. На рисунке 77 показан ход светового луча в плоскопараллельной пластинке толщиной , находящейся в воздухе.

Рис. 77. Ход луча в плоскопараллельной пластинке

Согласно закону преломления на первой и второй границах раздела для луча, падающего под углом на первую границу, имеем:

Здесь  — угол преломления на первой границе, — угол падения луча на вторую границу, — угол преломления на второй границе, — абсолютный показатель преломления вещества пластинки.

Накрест лежащие углы и при параллельных прямых и (перпендикулярах к первой и второй параллельным границам) равны, т. е. . Следовательно, . Откуда следует, что

Таким образом, луч света, проходя через плоскопараллельную пластинку, с обеих сторон которой находится одна и та же среда, смещается параллельно своему начальному направлению на некоторое расстояние .

Соответственно, все предметы, если смотреть на них сквозь прозрачную плоскопараллельную пластинку под углом, не равным нулю, будут также казаться смещенными.

Найдем, от каких параметров пластинки зависит смещение луча. Из следует, что 

Из имеем:

Отсюда: 

С учетом закона преломления   и тригонометрического тождества  находим:

Расстояние  между направлениями входящего и выходящего лучей можно определить из соотношения

Как видно из соотношения (2), смещение луча при данном угле падения зависит от толщины  пластинки и ее показателя преломления  .

Трехгранная призма

Рассмотрим ход луча в трехгранной призме. Пусть световой луч  падает под углом на боковую грань трехгранной призмы , сечение которой показано на рисунке 78. Призма, изготовленная из вещества с абсолютным показателем преломления , находится в среде с абсолютным показателем преломления . Угол при вершине называется преломляющим углом призмы. Грани призмы, образующие преломляющий угол , называются преломляющими. Грань, лежащая напротив преломляющего угла, называется основанием призмы.

Рис. 78. Ход луча в призме

Пусть луч и лежат в одной плоскости — плоскости листа книги. Из закона преломления света находим угол преломления :

Если показатель призмы , то преломленный луч падает на вторую боковую грань призмы под углом . Полного отражения на второй преломляющей грани не происходит при условии , и луч выходит из призмы под углом . Его находим из закона преломления:

Отклонение от начального направления луча вследствие преломлений на гранях призмы определяется углом (см. рис. 78). Угол между направлениями входящего и выходящего лучей называется углом отклонения. Рассмотрим . С учетом того, что , по теореме о внешнем угле треугольника находим:

Применим эту же теорему к :

Из формул (5) и (6) определим связь угла падения , угла преломления с преломляющим углом призмы и углом отклонения выходящего луча от начального направления:

В результате получим систему уравнений (3), (4), (5), (7):

Система уравнений (8) позволяет решить задачу на прохождение луча света через трехгранную призму без полного отражения на ее гранях.

Если угол падения на грань призмы и преломляющий угол призмы малы, то малыми будут и углы и . Поэтому в законах преломления (3) и (4) отношение синусов можно заменить отношением углов, выраженных в радианах, т. е.:

Подставляя полученные выражения для и  в соотношение (7), находим:

Из соотношения (9) следует, что, во-первых: чем больше преломляющий угол , тем больше угол отклонения лучей призмой; во-вторых, угол отклонения лучей увеличивается с ростом абсолютного показателя преломления  вещества призмы. Как видно из рисунка 78, луч света, проходя через трехгранную призму, отклоняется к ее утолщенной части, если абсолютный показатель преломления вещества призмы больше абсолютного показателя преломления окружающей среды .

Пример №4

Определите наименьший преломляющий угол стеклянной призмы, находящейся в воздухе, при котором луч, падающий нормально на грань призмы, не выйдет через ее вторую боковую грань (рис. 79). Показатель преломления стекла призмы .

Рис. 79

Решение

Запишем условие полного отражения на боковой грани :

Вследствие того, что как углы с взаимно перпендикулярными сторонами:

Ответ: .

Формула тонкой линзы

Линза называется собирающей, если после преломления в ней параллельный пучок становится сходящимся. Если же после преломления в линзе параллельный пучок становится расходящимся, то линза называется рассеивающей (рис. 80).

Рис. 80. Типы линз и их условные обозначения: а — собирающие: / — двояковыпуклая; 2 — плосковыпуклая; 3 — выпукло-вогнутая; б — рассеивающие: 4 — двояковогнутая; 5 — плосковогнутая; б — вогнуто-выпуклая

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы, выраженному в метрах, называется ее оптической силой:

Единица оптической силы — 1 диоптрия ().

соответствует оптической силе линзы с фокусным расстоянием 

Линзы можно представить в виде совокупности частей трехгранных призм. На рисунке 81, а изображена модель двояковыпуклой линзы, собранной из частей призм, повернутых основаниями к центру линзы. Соответственно, модель двояковогнутой линзы будет представлена частями призм, повернутых основаниями от центра линзы (рис. 81, б).

Преломляющие углы этих призм можно подобрать таким образом, чтобы падающие на нее параллельные лучи после преломления в призмах собрались в одной точке .

Линза считается тонкой, если ее толщина в центре намного меньше радиусов ограничивающих ее поверхностей. Тонкая линза дает неискаженное изображение только в том случае, если свет монохроматический и предмет достаточно мал, следовательно, лучи распространяются вблизи главной оптической оси. Такие лучи получили название параксиальных.

Отметим условия, при одновременном выполнении которых линза является собирающей:

толщина в центре больше толщины у краев;

ее показатель преломления больше показателя преломления окружающей среды.

При невыполнении (или выполнении) только одного из этих условий линза является рассеивающей.

Рис. 81. Модель линзы: а — двояковыпуклой; б — двояковогнутой

Рис. 82. Построение изображения предмета в тонкой собирающей линзе

Между фокусным расстоянием тонкой линзы, расстоянием от предмета до линзы и от линзы до изображения существует определенная количественная зависимость, называемая формулой линзы.

Выведем формулу тонкой линзы из геометрических соображений, рассматривая ход характерных лучей. Обратим внимание на луч, идущий через оптический центр линзы, луч, параллельный главной оптической оси линзы, и луч, проходящий через главный фокус линзы.

Построим изображение предмета  в тонкой собирающей линзе (рис. 82). Пусть расстояние от предмета до линзы , расстояние от линзы до изображения , фокусное расстояние линзы , расстояние от предмета до переднего главного фокуса , расстояние от заднего главного фокуса до изображения , высота предмета , высота его изображения .

Из рисунка 82 видно, что . Из подобия треугольников следует:

Используя соотношения (1) и (2), получим:

Соотношение называется формулой Ньютона.

С учетом того, что (см. рис. 82), находим: и и подставляем в формулу (4):

Разделив обе части последнего выражения на , получаем формулу тонкой линзы:

Линейным (поперечным) увеличением называется отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета . Из соотношения (3) находим линейное увеличение тонкой линзы:

В 1604 г. в исследовании «Дополнения к Вителло» И. Кеплер изучал преломление света в линзах различной конфигурации и для малых углов падения пришел к формуле линзы.

Для практического использования формулы линзы следует твердо запомнить правило знаков:

для собирающей линзы, действительного источника и действительного изображения величины  считают положительными. Для рассеивающей линзы, мнимого источника и мнимого изображения величины считают отрицательными.

Заметим, что предмет или источник является мнимым только в том случае, если на линзу падает пучок сходящихся лучей.

Таким образом, линза с является собирающей (положительной), а с — рассеивающей (отрицательной).

Оптическая сила линзы зависит от свойств окружающей среды (вспомните, как плохо мы видим под водой без плавательных очков).

В современных оптических приборах для улучшения качества изображений используются системы линз. Оптическая сила системы тонких линз, сложенных вместе, равна сумме их оптических сил :

Пример №5

На каком расстоянии от рассеивающей линзы с оптической силой надо поместить предмет, чтобы его мнимое изображение получилось в раз меньше самого предмета? Постройте изображение предмета.

Решение

Из формулы для линейного увеличения

находим:

Рис. 83

По формуле тонкой линзы (рис. 83) с учетом правила знаков:

и с учетом выражения для  получаем:

Ответ: .

Оптические приборы для получения действительных изображений

Посредством глаза, а не глазом Смотреть на мир умеет разум.

Вильям Блейк

Познакомимся с оптическими приборами, широко используемыми человеком.

По своему назначению оптические приборы подразделяются на две большие группы:

1. для получения действительных изображений предметов (проекционные, фотоаппараты);
2. для увеличения угла зрения (лупа, микроскоп, подзорная труба).

В данном параграфе рассмотрим приборы для получения действительных изображений предметов.

Рис. 87. Мультимедийный проектор, работающий по технологии отражения: а — общий вид; б — оптическая схема

Мультимедийный проектор — оптический прибор, используя который на экране получают действительное (прямое или обратное) увеличенное изображение, «снятое» с экрана компьютера, телевизора или других источников видеосигнала (рис. 87, а).

Для формирования изображения в мультимедийных проекторах используются различные базовые технологии: жидкокристаллическая технология, технология цифровой обработки света или технология формирования цифровых изображений методом отражения. При формировании цифрового изображения методом отражения источник света 1 при помощи разделяющих призм 2 освещает оптическую матрицу с изображением 3 и при помощи системы проекционных линз 4 передает изображение на экран 5 (рис. 87, б).

Популярность мультимедийных проекторов обусловлена их универсальностью, поскольку помимо компьютерного изображения они поддерживают практически все существующие стандарты видеозаписей, а также полностью совместимы с активно развивающимся телевидением высокой четкости.

Проекторы активно используются на научных конференциях, выставках, семинарах и т. д., поскольку по размерам изображения и по возможностям его настройки с ними не способны конкурировать ни жидкокристаллические телевизоры, ни плазменные.

Фотоаппарат — прибор, предназначенный для получения действительных уменьшенных обратных изображений предметов на фотопленке. При этом предметы могут быть расположены на различном удалении от точки съемки. Фотоаппарат состоит из закрытой светонепроницаемой камеры и системы линз, называемых объективом  (рис. 88).

Рис. 88. Ход лучей в фотоаппарате:  — предмет; — изображение на фотопленке; — объектив

Перемещая объектив фотоаппарата, добиваются наводки на резкость, при которой изображение предмета формируется точно на фотопленке. В противном случае изображение получается нечетким (размытым). Количество световой энергии, поступающей на пленку, определяется размерами диафрагмы и временем открытия затвора (выдержкой).

Фотографический метод регистрации изображения изобрели в 1839 г. Л. Дагер и Ж. Ньепс.

Рис. 89. Цифровой фотоаппарат

На смену пленочным пришли электронные (цифровые) фотокамеры (рис. 89), в которых изображение записывается не на фотопленку, а на специальный чувствительный элемент. Он покрыт сенсорами освещенности, каждый из которых имеет фильтр одного из основных цветов: синий, красный или зеленый.

На элементе формируется точка изображения — пиксель (от англ. pixel (picture element) — элемент изображения). Чем больше пикселей, тем более качественное изображение получается. Поэтому важнейшей характеристикой цифрового фотоаппарата является его разрешение, т. е. количество пикселей. У самых простых фотоаппаратов оно составляет несколько мегапикселей, а у лучших — до нескольких десятков мегапикселей.

Количество сенсоров влияет также на величину изображения, которую можно получить с помощью данного аппарата.

При нажатии кнопки затвора на каждом пикселе чувствительного элемента аппарата фиксируется интенсивность каждого из трех цветов. Процессор аппарата, как у компьютера, собирает информацию о цвете в файл и записывает его на запоминающее устройство — карту памяти. После этого ее можно просматривать на компьютере или специальной приставке. Но самое важное, и на самом фотоаппарате можно сразу посмотреть сделанный снимок, что является огромным преимуществом цифрового фотоаппарата.

Какие еще достоинства имеет цифровой фотоаппарат?

Во-первых, возможность получения неограниченно большого количества копий без потери качества «оригинала» фотографии.

Во-вторых, возможность использования фотоаппарата при различных световых условиях и с разных расстояний (например, у некоторых моделей от 2 см) без дополнительных устройств.

В-третьих, возможность использования цифровых изображений для переноса на различные поверхности и размещения на Web-сайте, а также редактирования с помощью различных компьютерных программ.

В-четвертых, возможность сделать большое количество снимков с минимальным интервалом времени (10 и более кадров в секунду).

В-пятых, габаритные размеры и масса. Например, некоторые аппараты имеют размеры и массу 200 г.

Оптические приборы для увеличения угла зрения

Основную часть информации (примерно ) об окружающем мире мы получаем с помощью органов зрения.

Расстояние наилучшего зрения — это расстояние от предмета до глаза, при котором глазные мышцы не устают и угол зрения максимален.

Размер изображения  предмета на сетчатке (рис. 90) определяется углом зрения  ,  вершина которого находится в оптическом центре глаза — точке .

Рис. 90. Ход лучей в глазу

Угол зрения образован лучами, направленными на крайние точки предмета, т. е. это угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза. Отметим, что изображение на сетчатке всегда действительное, уменьшенное и перевернутое.

От бесконечно удаленного предмета в глаз попадает пучок параллельных лучей. В этом случае  аккомодации не требуется. Если предмет приближается, то лучи становятся расходящимися. В этом случае оптическая система глаза собирает лучи на сетчатке. В отличие от фотоаппарата, наводка на резкость достигается не перемещением «объектива» хрусталика, а изменением его оптической силы.

Понятие нормальный глаз человека характеризуется расстоянием наилучшего зрения около 25 см и пределом зрения (дальняя точка), находящимся на бесконечности.

С возрастом возможность аккомодации быстро уменьшается в основном из-за уплотнения хрусталика, теряющего способность достаточно сжиматься. Пожилой человек не может отчетливо видеть близкие предметы, а также различать буквы в газетах и книгах. К пятидесяти годам расстояние наилучшего зрения увеличивается в среднем до 50 см.

С возрастом, вследствие болезни или при несоблюдении гигиены у глаз могут появиться дефекты. Два наиболее распространенных дефекта зрения — близорукость и дальнозоркость.

Очки — первый оптический прибор, примененный человеком. Появились они довольно давно — в XIII — XIV вв. Для исправления близорукости используют очки с рассеивающими линзами, а дальнозоркости — очки с собирающими линзами. Сейчас очки стали обычным предметом обихода и многим дают возможность нормально жить и работать. Другой разновидностью устройств, корректирующих зрение, являются контактные линзы. Помимо практичности, их особенностью является плотный контакт с роговицей, позволяющий значительно уменьшить искажения и увеличить поле зрения системы глаз-линза.

Наш глаз не дает возможности видеть очень малые объекты без специальных вспомогательных устройств, так как мы ясно видим объект только в том случае, когда воспринимаем зрительные впечатления от различных точек объекта.

Соответственно, две точки можно раздельно видеть только тогда, когда их изображения получаются на различных чувствительных элементах сетчатки — палочках или колбочках. Для этого необходимо, чтобы лучи от рассматриваемых точек шли через оптический центр глаза под углом около . Поэтому для нормального глаза минимальный размер изображения составляет примерно 3,6 мкм. Кроме того, минимальный угол зрения должен соответствовать дифракционному расширению пучка, вызванному его прохождением через зрачок.

Рис. 91. Увеличение угла зрения

Чем больше угол   между прямыми, соединяющими оптический центр глаза  (рис. 91) с крайними точками предмета (угол зрения), тем яснее виден предмет и тем большее число различных деталей можно различить. Угол зрения можно увеличить , приближая предмет к глазу или глаз к предмету. При этом размер изображения на сетчатке также увеличивается .

Таким образом, увеличение объема зрительной информации может быть достигнуто лишь за счет увеличения угла зрения. Простейший способ увеличить угол зрения — приблизить предмет к глазу. Однако это не всегда возможно. Наименьшее расстояние до глаза, при котором мы еще видим предмет, определяется ближним пределом аккомодации. Опыт показывает, что объект не фокусируется на сетчатке, если он находится от глаза на расстоянии ближе 14 см. Вследствие этого возникает потребность в создании приборов, позволяющих увеличить угол зрения.

Оптические приборы, вооружающие глаз, подразделяются на две группы:

1. приборы для рассматривания очень мелких объектов (лупа, микроскоп), которые эти объекты как бы «увеличивают»;
2. приборы, предназначенные для рассматривания удаленных объектов (зрительные трубы, бинокли, телескопы), которые эти объекты как бы «приближают».

Лупа — оптический прибор (собирающая линза), позволяющий увеличить угол зрения (т. е. увеличить мелкие детали предметов) (рис. 92).

Лупа представляет собой короткофокусную линзу ( от 10 мм до 100 мм), которая располагается между глазом и предметом.

Мнимое увеличенное изображение предмета получается на расстоянии наилучшего зрения — для нормального глаза (рис. 93). Таким образом изображение предмета рассматривается глазом практически без напряжения.

Рис. 92. Лупа

Рис. 93. Мелкий предмет, рассматриваемый: а — невооруженным глазом на расстоянии наилучшего зрения; б — через лупу

Видимое увеличение, которое дает лупа:

где — расстояние наилучшего зрения, — фокусное расстояние лупы.

Вследствие того, что , обычно лупы имеют увеличение от 2,5 до 25 раз. Лупы с увеличением не применяются из-за сильных искажений изображения или малости обзора.

В XVII в. голландский мастер Антони ван Левенгук с помощью линз мог видеть капилляры кровеносной системы, красные кровяные тельца, изучать подробности строения простейших одноклеточных.

Микроскоп (от греч. micros — малый и skopeo — смотрю) — оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным глазом.

Назначение микроскопа состоит в том, чтобы получать с его помощью такое изображение не различимого для глаза предмета, которое, не находясь ближе 14 см от глаза, рассматривалось бы под углом зрения большим, чем предельный угол в .

Микроскоп (рис. 94, а) состоит из двух собирающих линзовых систем: объектива 1 с фокусным расстоянием , равным нескольким миллиметрам, и окуляра 2 с фокусным расстоянием , равным нескольким сантиметрам (рис. 94, б). Предмет помещается перед фокусом объектива. Расстояние между фокусами объектива и окуляра равно , причем .

Рис. 94. Микроскоп: а — общий вид; б — оптическая схема и ход лучей

За объективом (за фокусом ) получается действительное увеличенное изображение предмета, которое является предметом наблюдения для окуляра. Окончательное изображение предмета является мнимым, перевернутым и увеличенным (см. рис. 94, б). Увеличение  микроскопа определяется увеличением объектива и окуляра :

Здесь — оптическая длина тубуса микроскопа, т. е. расстояние между фокальными точками , и ,   — расстояние наилучшего зрения для нормального глаза.

В микроскоп объект виден детальнее, поскольку рассмотрение мнимого изображения объекта в окуляр осуществляется под большим углом зрения.

Из-за явления дифракции в микроскоп невозможно рассматривать объекты, размеры которых сравнимы с длиной волны света. Таким образом, максимальное увеличение микроскопа ограничено вследствие волновой природы света.

В XVII в. появились первые микроскопы. Левенгук прославился своими микроскопами, которые давали увеличение до 270 раз.

При рассматривании крупных, но очень удаленных объектов угол зрения мал и может быть меньше предельного. В этом случае для увеличения угла зрения применяются бинокли и телескопы.

Телескопы — астрономические оптические приборы, предназначенные для наблюдения небесных тел. О них вам будет подробно рассказано в курсе астрономии.

Рис. 95. Ход лучей в трубе Кеплера

Простейшим телескопом является подзорная труба. Она состоит из двух линзовых систем — объектива 1 и окуляра 2 (рис. 95). Подзорная труба с собирающим окуляром называется трубой Кеплера. Для получения максимального угла зрения в трубе Кеплера совмещают задний фокус объектива и передний фокус окуляра. В таком случае при рассматривании удаленного предмета из окуляра выходят пучки параллельных лучей. Это позволяет наблюдать удаленные объекты в телескоп нормальным глазом в ненапряженном состоянии (без аккомодации ).

Рассматриваемый предмет обычно находится на очень большом расстоянии от объектива. Промежуточное изображение получается практически сразу за фокусом объектива. Оно расположено от окуляра на расстоянии меньше его фокусного расстояния. Окончательное изображение (увеличенное мнимое и перевернутое) образуется на сетчатке глаза (см. рис. 95). Увеличение , которое дает труба Кеплера:

где — фокусное расстояние объектива,  — фокусное расстояние окуляра. Длина телескопа .

Рис. 96. Бинокль: а — общий вид; б — оборачивающая система призм

Две маленькие подзорные трубы, составленные вместе для двух глаз, образуют бинокль (рис. 96, а). Поскольку труба Кеплера дает перевернутое изображение, то в биноклях, построенных на ее основе, применяется оборачивающая система из двух призм с полным отражением (рис. 96, б).

Наличие двух призм позволяет создать прямое изображение, так как одна призма поворачивает изображение в вертикальной плоскости, другая — в горизонтальной. Кроме того, благодаря призмам объективы в полевом бинокле можно раздвинуть больше, чем окуляры, которые приставляются к глазам (см. рис.96). Соответственно, изображение в таком бинокле не только приближено, но и объемно.

Пример №6

Один и тот же предмет фотографируют дважды с расстояний и . Определите фокусное расстояние объектива фотоаппарата, если высота изображений предмета на снимках и соответственно.

Решение

Линейное увеличение предмета высотой в первом и втором случаях соответственно:

Запишем формулу тонкой линзы для этих случаев:

Из первых двух уравнений находим:

Отсюда

Подставим полученное значение в формулу тонкой линзы и решим систему уравнений:

Найдем расстояние:

Подставляя полученное значение , в формулу тонкой линзы, найдем искомое фокусное расстояние объектива:

Ответ:

Дисперсия света. Спектр. Спектральные приборы

Источником оптического излучения называется физическое тело, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона. Любой источник света характеризуется полной энергией, которую он излучает в единицу времени. Эта энергия распределяется неравномерно между волнами различной длины. В общем случае произвольный электромагнитный сигнал состоит из набора различных электромагнитных волн, длины (или частоты) которых можно установить.

Подобную процедуру называют спектральным анализом сигнала, а совокупность полученных «простейших» электромагнитных волн — спектром. Таким образом, спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Рис. 97. Разложение белого света призмой

Если направить пучок белого света на призму, то мы обнаружим за призмой на экране разноцветную полоску (рис. 97). Ньютон, впервые проделавший данный эксперимент, назвал ее спектром.

Разложение пучка белого света в спектр призмой является следствием дисперсии (от лат. dispersio — рассеяние) света — зависимости скорости волны в среде от его частоты . Так как скорость света в веществе ,= то абсолютный показатель преломления вещества оказывается зависящим от частоты или длины волны распространяющегося излучения. Вследствие явления дисперсии призма различным образом преломляет световые волны разных цветов.

Цвет зависит от частоты световой волны, подобно тому, как различным высотам звука соответствуют различные частоты звуковых волн.

Дисперсия веществ может быть существенно различной. В таблице 6 приведены в качестве примера значения абсолютных показателей преломления некоторых прозрачных веществ.

Дисперсия присуща всем средам, кроме вакуума. Если абсолютный показатель преломления среды уменьшается с ростом длины волны, то такая дисперсия называется нормальной, в противоположном случае — аномальной.

Порядок следования цветов в спектре легко запомнить с помощью известной фразы:

Таблица 6. Зависимость абсолютных показателей преломления веществ от длины волны

Явления дисперсии и полного отражения приводят к образованию радуги, вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя, к нежелательному «окрашиванию» изображений в оптических системах (хроматическая аберрация) и т. д.

Измерения и наблюдения оптических спектров производятся с помощью специальных приборов. Приборы для визуального наблюдения спектров называются спектроскопами, приборы с фотографической регистрацией спектров — спектрографами (применяются в различных областях спектра с соответствующей чувствительностью фотоматериалов), приборы с фотоэлектрическими и тепловыми приемниками излучения — спектрометрами или спектрофотометрами (рис. 98).

Рис. 98. Призменный спектрофотометр: а — общий вид; б — оптическая схема

Первый спектроскоп сконструировал в 1815 г. немецкий физик Иозеф Фраунгофер.

Любой спектральный прибор имеет входной коллиматор, диспергирующий элемент (призма, дифракционная решетка) и выходной коллиматор.

Входной коллиматор 1 (рис. 99) представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза 4. Входная щель, освещенная исследуемым излучением, устанавливается в фокусе собирающей линзы 4, которая образует параллельный пучок света и направляет его на диспергирующий элемент 2.

Рис. 99. Устройство спектрографа: 1 — входной коллиматор; 2 — диспергирующий элемент (призма); 3 — выходной коллиматор; 4, 5 — линзы

Диспергирующий элемент преобразует исходный пучок в систему параллельных монохроматических пучков, выходящих из элемента под разными углами, зависящими от длины волны излучения. Собирающая линза 5 выходного коллиматора <3 (см. рис. 99) создает на экране (фотопластинке), расположенном в фокальной плоскости линзы, совокупность монохроматических изображений входной щели. В итоге на экране получается пространственное разложение излучения в спектр.

Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т. е. фактически определять, из каких монохроматических волн состоит данное излучение.

Напомним, что в качестве диспергирующих элементов спектральных приборов используются призма или дифракционная решетка, причем в наиболее совершенных спектральных приборах используются именно дифракционные решетки.

Итоги:

Оптика — раздел физики, в котором изучают свойства света, его физическую природу и взаимодействие с веществом.

Под светом понимают электромагнитные волны с частотами от до  (длины волн изменяются в диапазоне, соответствующем инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучению).

Электромагнитные волны распространяются в вакууме с максимально возможной в природе скоростью переноса энергии — .

Скорость распространения света в веществе определяется соотношением

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению модуля скорости света в вакууме к модулю скорости света в веществе:

Длина волны  в веществе определяется соотношением:

где — длина волны в вакууме, — абсолютный показатель преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота света остается неизменной.

Интерференция света — явление возникновения устойчивой во времени картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн.

Оптическая разность хода волн — разность расстояний, пройденных волнами, с учетом их различных модулей скоростей  и распространения в этих средах с показателями преломления и .

Условие максимумов интерференции:

Условие минимумов интерференции:

Устойчивое во времени распределение амплитуд колебаний в пространстве при интерференции называется интерференционной картиной.

Принцип Гюйгенса — Френеля: все вторичные источники, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Огибающая волна, получающаяся в результате интерференции вторичных волн, совпадает с волной, испускаемой источником.

Явление огибания волнами препятствий, которое проявляется в отклонении направления распространения волн от прямолинейного, называется дифракцией.

Дифракционной решеткой называют оптический прибор, предназначенный для разложения света в спектр и точного измерения длин волн. Он состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов, нанесенных на стеклянную или металлическую поверхности.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Закон преломления света:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой;

лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред:

Явление полного отражения падающего луча от границы раздела сред называется полным отражением света. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения:

Формула тонкой линзы:

Правило знаков:

в случае собирающей линзы, действительных источника и изображения знаки перед величинами следует выбирать положительными; в случае рассеивающей линзы, мнимого источника и изображения знаки выбирают отрицательными.

Линейным (поперечным) увеличением называется отношение линейного размера изображения к линейному размеру предмета :

Цифровой фотоаппарат — оптический прибор, предназначенный для получения и записи оптического изображения на электронные носители (флэш-карты, диски и т. д.).

Лупа — оптический прибор (собирающая линза), позволяющий увеличить угол зрения.

Микроскоп — оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным взглядом.

Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Измерения и наблюдение оптических спектров производятся с помощью спектральных приборов. Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т. е. определять, из каких монохроматических волн оно состоит.