Hviezdne správy
Optika ako odvetvie fyziky. Optika je oblasť fyziky, ktorá študuje správanie a vlastnosti svetla. Optické prístroje Čo študuje optika vo fyzike
Geometrická optika je extrémne jednoduchý prípad optiky. V skutočnosti ide o zjednodušenú verziu vlnovej optiky, ktorá nezohľadňuje a jednoducho nepredpokladá také javy ako interferencia a difrakcia. Tu je všetko zjednodušené na maximum. A toto je dobré.
Základné pojmy
geometrická optika- odvetvie optiky, ktoré sa zaoberá zákonitosťami šírenia svetla v priehľadných prostrediach, zákonmi odrazu svetla od zrkadlových plôch, princípmi konštruovania obrazov pri prechode svetla optickými sústavami.
Dôležité! Všetky tieto procesy sa berú do úvahy bez zohľadnenia vlnových vlastností svetla!
V živote však geometrická optika, ktorá je extrémne zjednodušeným modelom, nachádza široké uplatnenie. Je to ako klasická mechanika a teória relativity. Často je oveľa jednoduchšie urobiť potrebný výpočet v rámci klasickej mechaniky.
Základný koncept geometrickej optiky je lúč svetla.
Všimnite si, že skutočný svetelný lúč sa nešíri pozdĺž priamky, ale má konečné uhlové rozloženie, ktoré závisí od priečnej veľkosti lúča. Geometrická optika zanedbáva priečne rozmery lúča.
Zákon priamočiareho šírenia svetla
Tento zákon nám hovorí, že svetlo sa šíri po priamke v homogénnom prostredí. Inými slovami, z bodu A do bodu B sa svetlo pohybuje po dráhe, ktorej prekonanie vyžaduje minimálny čas.
Zákon nezávislosti svetelných lúčov
Šírenie svetelných lúčov prebieha nezávisle od seba. Čo to znamená? To znamená, že geometrická optika predpokladá, že lúče sa navzájom neovplyvňujú. A šírili sa, akoby žiadne iné lúče vôbec neboli.
Zákon odrazu svetla
Pri stretnutí svetla so zrkadlovou (reflexnou) plochou dochádza k odrazu, teda k zmene smeru šírenia svetelného lúča. Zákon odrazu teda hovorí, že dopadajúci a odrazený lúč ležia v rovnakej rovine spolu s normálou nakreslenou do bodu dopadu. Navyše uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu, t.j. Normála rozdeľuje uhol medzi lúčmi na dve rovnaké časti.
Zákon lomu (Snell)
Na rozhraní medzi médiami spolu s odrazom dochádza k lomu, t.j. Lúč sa delí na odrazený a lomený.
Mimochodom! Pre všetkých našich čitateľov je pripravená zľava 10% na akýkoľvek druh práce.
Pomer sínusov uhlov dopadu a lomu je konštantná hodnota a rovná sa pomeru indexov lomu týchto médií. Táto hodnota sa tiež nazýva index lomu druhého média vo vzťahu k prvému.
Tu stojí za to osobitne zvážiť prípad úplného vnútorného odrazu. Keď sa svetlo šíri z opticky hustejšieho prostredia do prostredia s menšou hustotou, uhol lomu je väčší ako uhol dopadu. So zvyšujúcim sa uhlom dopadu sa teda zväčšuje aj uhol lomu. Pri určitom medznom uhle dopadu sa uhol lomu rovná 90 stupňom. Pri ďalšom zvyšovaní uhla dopadu sa svetlo nebude lámať do druhého prostredia a intenzita dopadajúceho a odrazeného lúča bude rovnaká. Toto sa nazýva úplný vnútorný odraz.
Zákon reverzibility svetelných lúčov
Predstavme si, že lúč, ktorý sa šíri nejakým smerom, prešiel radom zmien a lomov. Zákon o reverzibilite svetelných lúčov hovorí, že ak k tomuto lúču vyšle ďalší lúč, bude sledovať rovnakú dráhu ako prvý, ale v opačnom smere.
Budeme pokračovať v štúdiu základov geometrickej optiky a v budúcnosti určite zvážime príklady riešenia úloh na aplikáciu rôznych zákonov. Ak máte teraz nejaké otázky, vitajte medzi odborníkmi, ktorí vám poskytnú správne odpovede. študentská služba. Pomôžeme vám vyriešiť akýkoľvek problém!
Jedným zo starých a objemných odvetví fyziky je optika. Jeho úspechy sa uplatňujú v mnohých vedách a oblastiach činnosti: elektrotechnika, priemysel, medicína a iné. Z článku sa dozviete, čo táto veda študuje, históriu vývoja myšlienok o nej, najdôležitejšie úspechy a aké optické systémy a zariadenia existujú.
Čo študuje optika
Názov tejto disciplíny je grécky pôvod a prekladá sa ako „veda o vizuálnom vnímaní“. Optika je oblasť fyziky, ktorá študuje povahu svetla, jeho vlastnosti a zákony súvisiace s jeho šírením. Táto veda skúma povahu viditeľného svetla, infračerveného a ultrafialového žiarenia. Pretože práve vďaka svetlu sú ľudia schopní vidieť svet, tento odbor fyziky je zároveň disciplínou súvisiacou so zrakovým vnímaním žiarenia. A niet divu: oko je zložitý optický systém.
História formovania vedy
Optika vznikla v dávnych dobách, keď sa ľudia snažili pochopiť podstatu svetla a zistiť, ako je možné vidieť predmety okolitého sveta.
Starovekí filozofi považovali viditeľné svetlo buď za lúče vychádzajúce z očí človeka, alebo za prúd drobných častíc odlietajúcich z predmetov a vnikajúcich do oka.
V budúcnosti povahu svetla skúmali mnohí významní vedci. Isaac Newton sformuloval teóriu teliesok - drobných častíc svetla. Ďalší vedec, Huygens, predložil vlnovú teóriu.
Povahu svetla naďalej skúmali fyzici 20. storočia: Maxwell, Planck, Einstein.
V súčasnosti sa hypotézy Newtona a Huygensa zjednocujú v koncepte vlnovo-časticovej duality, podľa ktorej má svetlo vlastnosti častíc aj vĺn.
Sekcie
Predmetom výskumu v optike nie je len svetlo a jeho podstata, ale aj nástroje na tieto štúdie, zákonitosti a vlastnosti tohto javu a mnohé ďalšie. Preto je vo vede niekoľko častí venovaných určitým aspektom výskumu.
- geometrická optika;
- mávať;
- kvantový.
Každá sekcia bude podrobne prediskutovaná nižšie.
geometrická optika
V tejto časti sú uvedené nasledujúce zákony optiky:
Zákon priamočiarosti šírenia svetla prechádzajúceho homogénnym prostredím. Svetelný lúč sa považuje za priamku, pozdĺž ktorej prechádzajú častice svetla.
Zákon odrazu:
Dopadajúci a odrazený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovená v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine ( rovina dopadu). Uhol odrazu γ sa rovná uhlu dopadu α.
Zákon lomu:
Dopadajúci a lomený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovená v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine. Pomer sínusu uhla dopadu α k sínusu uhla lomu β je konštantný pre dve dané prostredia.
Prostriedkom na štúdium vlastností svetla v geometrickej optike sú šošovky.
Šošovka je priehľadné teleso, ktoré je schopné prenášať a modifikovať.Rozdeľujú sa na konvexné a konkávne, ako aj zberné a rozptylové. Objektív je hlavnou súčasťou všetkých optických zariadení. Keď je jeho hrúbka v porovnaní s polomermi plôch malá, nazýva sa tenký. V optike vyzerá vzorec tenkých šošoviek takto:
1/d + 1/f = D, kde
d je vzdialenosť od objektu k šošovke; f je vzdialenosť k obrázku od šošovky; D je optická mohutnosť šošovky (meraná v dioptriách).
Vlnová optika a jej koncepcie
Keďže je známe, že svetlo má všetky vlastnosti elektromagnetického vlnenia, prejavy týchto vlastností študuje samostatná časť fyziky. Volá sa to vlnová optika.
Základné pojmy tejto sekcie optiky sú disperzia, interferencia, difrakcia a polarizácia.
Fenomén disperzie objavil Newton vďaka svojim experimentom s hranolmi. Tento objav je dôležitým krokom k pochopeniu podstaty svetla. Zistil, že lom svetelných lúčov závisí od ich farby. Tento jav sa nazýval rozptyl alebo rozptyl svetla. Teraz je známe, že farba závisí od vlnovej dĺžky. Okrem toho to bol Newton, kto navrhol koncept spektra na označenie dúhového pásu získaného rozptylom cez hranoly.
Potvrdením vlnovej povahy svetla je interferencia jeho vĺn, ktorú objavil Jung. Ide o navrstvenie dvoch alebo viacerých vĺn na seba. V dôsledku toho je možné vidieť fenomén zosilňovania a zoslabovania svetelných oscilácií v rôznych bodoch priestoru. Mydlové bubliny a dúhový viacfarebný film rozliateho benzínu sú krásnymi a známymi prejavmi rušenia.
Pre každého je charakteristický fenomén difrakcie. Tento výraz je preložený z latinčiny ako "zlomený". Difrakcia v optike je ohyb svetelných vĺn okolo okrajov prekážok. Napríklad, ak je loptička umiestnená v dráhe svetelného lúča, potom sa na obrazovke za ňou objavia striedavé krúžky - svetlé a tmavé. Toto sa nazýva difrakčný obrazec. Tento jav skúmali Jung a Fresnel.
Posledný kľúčový pojem vo vlnovej optike je polarizácia. Svetlo sa nazýva polarizované, ak je smer jeho vlnových oscilácií usporiadaný. Pretože svetlo je pozdĺžna a nie priečna vlna, vibrácie sa vyskytujú výlučne v priečnom smere.
kvantová optika
Svetlo nie je len vlna, ale aj prúd častíc. Na základe tejto jeho zložky vznikol taký vedný odbor ako kvantová optika. Jeho vzhľad je spojený s menom Maxa Plancka.
Kvantum je akákoľvek časť niečoho. A v tento prípad hovoria o kvantách žiarenia, teda o častiach svetla, ktoré sa počas neho vyžarujú. Na označenie častíc sa používa slovo fotóny (z gréckeho φωτός - "svetlo"). Tento koncept navrhol Albert Einstein. V tejto časti optiky sa na štúdium vlastností svetla používa aj Einsteinov vzorec E=mc 2.
Hlavnou úlohou tejto časti je štúdium a charakterizácia interakcie svetla s hmotou a štúdium jeho šírenia za atypických podmienok.
Vlastnosti svetla ako prúdu častíc sa prejavujú za nasledujúcich podmienok:
- tepelné žiarenie;
- fotoelektrický efekt;
- fotochemické procesy;
- stimulovaná emisia atď.
V kvantovej optike existuje koncept neklasického svetla. Faktom je, že kvantové charakteristiky svetelného žiarenia nie je možné opísať v rámci klasickej optiky. Používa sa neklasické svetlo, napríklad dvojfotónové, komprimované v rôznych oblastiach: na kalibráciu fotodetektorov, na presné merania a pod. Ďalšou aplikáciou je kvantová kryptografia - tajná metóda prenosu informácií pomocou binárnych kódov, kde vertikálne orientovanému fotónu je priradená 0 a horizontálne orientovanému 1.
Hodnota optiky a optických prístrojov
V ktorých oblastiach optickej techniky našli svoje hlavné uplatnenie?
Po prvé, bez tejto vedy by neexistovali žiadne optické prístroje známe každému človeku: ďalekohľad, mikroskop, kamera, projektor a ďalšie. Pomocou špeciálne vybraných šošoviek mohli ľudia skúmať mikrokozmos, vesmír, nebeské objekty, ako aj zachytávať a prenášať informácie vo forme obrázkov.
Okrem toho sa vďaka optike podarilo objaviť množstvo dôležitých objavov v oblasti povahy svetla, jeho vlastností, javov interferencie, polarizácie a iné.
Napokon sa optika hojne využívala aj v medicíne, napríklad pri štúdiu röntgenových lúčov, na základe čoho vznikol prístroj, ktorý zachránil mnoho životov. Vďaka tejto vede bol tiež vynájdený laser, ktorý je široko používaný pri chirurgických zákrokoch.
Optika a videnie
Oko je optický systém. Vďaka vlastnostiam svetla a schopnostiam orgánov zraku môžete vidieť svet okolo seba. Bohužiaľ, len málo ľudí sa môže pochváliť dokonalým zrakom. Pomocou tejto disciplíny bolo možné obnoviť schopnosť ľudí lepšie vidieť pomocou okuliarov a kontaktných šošoviek. Preto aj zdravotnícke zariadenia zapojené do výberu nástrojov na korekciu zraku dostali zodpovedajúci názov - optika.
Môžete to zhrnúť. Optika je teda veda o vlastnostiach svetla, ktorá ovplyvňuje mnohé oblasti života a má široké uplatnenie vo vede av každodennom živote.
Svetlo- sú to elektromagnetické vlny, ktorých vlnové dĺžky ležia pre priemerné ľudské oko v rozsahu od 400 do 760 nm. V rámci týchto hraníc je svetlo tzv viditeľné. Svetlo s najdlhšou vlnovou dĺžkou sa nám javí ako červené a svetlo s najkratšou vlnovou dĺžkou ako fialové. Je ľahké si zapamätať striedanie farieb spektra pomocou príslovia " Komu každý O hotnik A robí W nat, G de OD ide F azan. Prvé písmená slov príslovia zodpovedajú prvým písmenám základných farieb spektra v zostupnom poradí vlnovej dĺžky (a podľa toho so zvyšujúcou sa frekvenciou): „ Komučervená - O rozsah - Ažltá - W zelená - G Modrá - OD Modrá - F Fialová." Svetlo s vlnovými dĺžkami dlhšími ako červená sa nazýva infračervené. Naše oči si to nevšimnú, no naša pokožka takéto vlny zachytáva vo forme tepelného žiarenia. Svetlo s kratšími vlnovými dĺžkami ako fialové sa nazýva ultrafialové.
Elektromagnetické vlny(a najmä, svetelné vlny, alebo jednoducho svetlo) je elektromagnetické pole šíriace sa v priestore a čase. Elektromagnetické vlny sú priečne – vektory elektrickej intenzity a magnetickej indukcie sú na seba kolmé a ležia v rovine kolmej na smer šírenia vlny. Svetelné vlny, rovnako ako akékoľvek iné elektromagnetické vlny, sa šíria v hmote s konečnou rýchlosťou, ktorú možno vypočítať podľa vzorca:
kde: ε a μ - dielektrické a magnetické priepustnosť látky, ε 0 a μ 0 - elektrické a magnetické konštanty: ε 0 \u003d 8,85419 10 -12 F/m, μ 0 \u003d 1,25664 10-6 H/m. Rýchlosť svetla vo vákuu(kde ε = μ = 1) je konštantná a rovná sa s= 3∙10 8 m/s, dá sa vypočítať aj podľa vzorca:
Rýchlosť svetla vo vákuu je jednou zo základných fyzikálnych konštánt. Ak sa svetlo šíri v akomkoľvek prostredí, potom rýchlosť jeho šírenia vyjadruje aj nasledujúci vzťah:
kde: n- index lomu látky - fyzikálna veličina udávajúca, koľkokrát je rýchlosť svetla v prostredí menšia ako vo vákuu. Index lomu, ako je zrejmé z predchádzajúcich vzorcov, možno vypočítať takto:
- Svetlo nesie energiu. Keď sa svetelné vlny šíria, vzniká tok elektromagnetickej energie.
- Svetelné vlny sú emitované vo forme jednotlivých kvánt elektromagnetického žiarenia (fotónov) atómami alebo molekulami.
Okrem svetla existujú aj iné typy elektromagnetických vĺn. Ďalej sú uvedené v poradí klesajúcej vlnovej dĺžky (a podľa toho zvyšujúcej sa frekvencie):
- rádiové vlny;
- Infra červená radiácia;
- viditeľné svetlo;
- Ultrafialové žiarenie;
- röntgenové žiarenie;
- Gama žiarenie.
Rušenie
Rušenie- jeden z najjasnejších prejavov vlnovej povahy svetla. Je spojená s prerozdeľovaním svetelnej energie v priestore, kedy dochádza k tzv koherentný vlny, teda vlny s rovnakou frekvenciou a konštantným fázovým rozdielom. Intenzita svetla v oblasti prekrytia lúčov má charakter striedania svetlých a tmavých pásov, pričom intenzita je väčšia v maximách a menšia ako súčet intenzít lúčov v minimách. Pri použití bieleho svetla sa interferenčné prúžky ukážu byť zafarbené v rôznych farbách spektra.
Na výpočet rušenia sa používa koncept dĺžka optickej dráhy. Nechajte svetlo prejsť vzdialenosť L v médiu s refrakčnou indikáciou n. Potom sa jeho dĺžka optickej dráhy vypočíta podľa vzorca:
Pre interferenciu sa musia prekrývať aspoň dva lúče. Pre nich sa to počíta rozdiel optickej dráhy(optický rozdiel dĺžky) podľa nasledujúceho vzorca:
Je to táto hodnota, ktorá určuje, čo sa stane počas rušenia: minimum alebo maximum. Zapamätajte si nasledovné: maximálne rušenie(svetlý pás) sa pozoruje v tých bodoch v priestore, kde je splnená táto podmienka:
O m= 0, pozoruje sa maximum nultého rádu, pri m= ±1 maximum prvého rádu atď. minimálne rušenie(tmavý pás) sa pozoruje, keď je splnená táto podmienka:
Fázový rozdiel oscilácií je v tomto prípade:
Pri prvom nepárnom čísle (jednom) bude minimum prvého poradia, pri druhom (troch) bude minimum druhého poradia atď. Neexistuje žiadne minimum nultého rádu.
Difrakcia. Difrakčná mriežka
Difrakcia svetlo sa nazýva jav odchýlky svetla od priamočiareho smeru šírenia pri prechode v blízkosti prekážok, ktorých rozmery sú porovnateľné s vlnovou dĺžkou svetla (svetlo ohyb okolo prekážok). Ako ukazuje skúsenosť, za určitých podmienok môže svetlo vstúpiť do oblasti geometrického tieňa (to znamená tam, kde by nemalo byť). Ak sa v dráhe paralelného svetelného lúča nachádza okrúhla prekážka (guľatý kotúč, guľa alebo okrúhly otvor v nepriehľadnej clone), potom na clone umiestnenej v dostatočne veľkej vzdialenosti od prekážky, difrakčný obrazec- sústava striedajúcich sa svetlých a tmavých prstencov. Ak je prekážka lineárna (štrbina, závit, okraj obrazovky), potom sa na obrazovke objaví systém paralelných difrakčných prúžkov.
Difrakčné mriežky sú periodické štruktúry vyryté špeciálnym deliacim strojom na povrchu sklenenej alebo kovovej platne. V dobrých mriežkach majú navzájom rovnobežné ťahy dĺžku asi 10 cm a na milimeter je až 2000 ťahov. Celková dĺžka mriežky v tomto prípade dosahuje 10–15 cm.Výroba takýchto mriežok vyžaduje použitie najvyšších technológií. V praxi sa používajú aj hrubšie mriežky s 50–100 čiarami na milimeter nanesenými na povrch priehľadnej fólie.
Keď svetlo normálne dopadá na difrakčnú mriežku, maximá sú pozorované v niektorých smeroch (okrem smeru, ktorým svetlo pôvodne dopadalo). Aby bol pozorovaný maximálne rušenie, musí byť splnená nasledujúca podmienka:
kde: d je perióda mriežky (alebo konštanta) (vzdialenosť medzi susednými drážkami), m je celé číslo, ktoré sa nazýva rád difrakčného maxima. V tých bodoch obrazovky, pre ktoré je táto podmienka splnená, sa nachádzajú takzvané hlavné maximá difrakčného obrazca.
Zákony geometrickej optiky
geometrická optika je odvetvie fyziky, ktoré nezohľadňuje vlnové vlastnosti svetla. Základné zákony geometrickej optiky boli známe dávno pred stanovením fyzikálnej podstaty svetla.
Opticky homogénne médium je médium, v celom objeme ktorého index lomu zostáva nezmenený.
Zákon priamočiareho šírenia svetla: Svetlo sa šíri priamočiaro v opticky homogénnom prostredí. Tento zákon vedie k myšlienke svetelného lúča ako geometrickej čiary, pozdĺž ktorej sa šíri svetlo. Je potrebné poznamenať, že zákon o priamočiarom šírení svetla je porušený a koncept svetelného lúča stráca svoj význam, ak svetlo prechádza cez malé otvory, ktorých rozmery sú porovnateľné s vlnovou dĺžkou (v tomto prípade je pozorovaná difrakcia) .
Na rozhraní medzi dvoma priehľadnými médiami sa svetlo môže čiastočne odrážať, takže časť svetelnej energie sa bude šíriť po odraze v novom smere a čiastočne prechádzať rozhraním a šíriť sa v druhom prostredí.
Zákon odrazu svetla: dopadajúci a odrazený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovená v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine (rovine dopadu). Uhol odrazu γ rovný uhlu dopadu α . Všimnite si, že všetky uhly v optike sa merajú od kolmice k rozhraniu medzi dvoma médiami.
Zákon lomu svetla (Snellov zákon): dopadajúci a lomený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovená v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine. Pomer sínusu uhla dopadu α na sínus uhla lomu β je konštantná hodnota pre dve dané médiá a je určená výrazom:
Zákon lomu experimentálne stanovil holandský vedec W. Snellius v roku 1621. Konštantná hodnota n 21 hovor relatívny index lomu druhé prostredie vzhľadom na prvé. Index lomu prostredia vzhľadom na vákuum sa nazýva absolútny index lomu.
Médium s vysokou hodnotou absolútneho indexu sa nazýva opticky hustejšie a médium s menšou hodnotou sa nazýva menej husté. Pri prechode z menej hustého média do hustejšieho sa lúč „tlačí“ na kolmicu a pri prechode z hustejšieho do menej hustého sa od kolmice „vzďaľuje“. Jediný prípad, keď sa lúč nelomí, je, ak je uhol dopadu 0 (to znamená, že lúče sú kolmé na rozhranie).
Keď svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého n 2 < n 1 (napríklad zo skla na vzduch). fenomén úplného vnútorného odrazu, teda zmiznutie lomeného lúča. Tento jav sa pozoruje pri uhloch dopadu presahujúcich určitý kritický uhol α pr, ktorý sa nazýva hraničný uhol celkového vnútorného odrazu. Pre uhol dopadu α = α pr, hriech β = 1 pretože β = 90°, to znamená, že lomený lúč prechádza po samotnom rozhraní, pričom podľa Snellovho zákona je splnená nasledujúca podmienka:
Len čo sa uhol dopadu zväčší ako limitný, lomený lúč už nejde len pozdĺž hranice, ale vôbec sa neobjaví, pretože jeho sínus musí byť teraz väčší ako jednota, ale to nemôže byť.
šošovky
Objektív Priehľadné teleso ohraničené dvoma guľovými plochami sa nazýva tzv. Ak je hrúbka samotnej šošovky malá v porovnaní s polomermi zakrivenia guľových plôch, potom je šošovka tzv. tenký.
Objektívy sú zhromažďovanie a rozptyl. Ak je index lomu šošovky väčší ako životné prostredie, potom je zbiehavková šošovka v strede hrubšia ako na okrajoch, zbiehavková šošovka je naopak v strednej časti tenšia. Ak je index lomu šošovky menší ako okolité prostredie, potom je opak pravdou.
Priamka prechádzajúca stredmi zakrivenia guľových plôch sa nazýva tzv hlavná optická os šošovky. V prípade tenkých šošoviek môžeme približne predpokladať, že hlavná optická os sa pretína so šošovkou v jednom bode, ktorý sa bežne nazýva tzv. optický stred šošovky. Svetelný lúč prechádza optickým stredom šošovky bez toho, aby sa odchýlil od pôvodného smeru. Všetky čiary prechádzajúce optickým stredom sú tzv bočné optické osi.
Ak lúč lúčov rovnobežný s hlavnou optickou osou smeruje na šošovku, potom sa lúče (alebo ich pokračovanie) po prechode šošovkou zhromaždia v jednom bode F, ktorá sa volá hlavné ohnisko objektívu. Tenká šošovka má dve hlavné ohniská, symetricky umiestnené vzhľadom na šošovku na hlavnej optickej osi. Zbiehavé šošovky majú skutočné ohniská, divergujúce šošovky majú imaginárne ohniská. Vzdialenosť medzi optickým stredom šošovky O a hlavné zameranie F volal ohnisková vzdialenosť. Označuje sa tým istým F.
Formula šošovky
Hlavnou vlastnosťou šošoviek je schopnosť poskytovať obrázky objektov. Obrázok- je to bod v priestore, kde sa pretínajú lúče (alebo ich pokračovania), vyžarované zdrojom po lomu v šošovke. Obrázky sú priamy a hore nohami, platné(lúče sa pretínajú) a imaginárny(pokračovania lúčov sa pretínajú), zväčšené a znížený.
Polohu obrazu a jeho povahu možno určiť pomocou geometrických konštrukcií. K tomu použite vlastnosti niektorých štandardných lúčov, ktorých priebeh je známy. Sú to lúče prechádzajúce optickým stredom alebo jedným z ohnísk šošovky, ako aj lúče rovnobežné s hlavnou alebo jednou z vedľajších optických osí.
Pre jednoduchosť si môžete zapamätať, že obrazom bodu bude bod. Obraz bodu ležiaceho na hlavnej optickej osi leží na hlavnej optickej osi. Obraz segmentu je segment. Ak je segment kolmý na hlavnú optickú os, potom je jeho obraz kolmý na hlavnú optickú os. Ak je však segment naklonený k hlavnej optickej osi pod určitým uhlom, jeho obraz bude naklonený už pod iným uhlom.
Obrázky je možné vypočítať aj pomocou receptúry tenkých šošoviek. Ak je najkratšia vzdialenosť od objektu k šošovke označená d a najkratšia vzdialenosť medzi objektívom a obrazom f, potom vzorec pre tenkú šošovku možno zapísať ako:
hodnota D prevrátená k ohniskovej vzdialenosti. volal optická sila šošovky. Jednotkou optickej sily je 1 dioptria (D). Dioptrie je optická mohutnosť šošovky s ohniskovou vzdialenosťou 1 m.
Je zvykom pripisovať ohniskovým vzdialenostiam šošoviek určité znaky: pre zbiehavú šošovku F> 0, pre rozptyl F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.
množstvá d a f dodržujte aj určité znamenie: f> 0 – pre skutočné obrázky; f < 0 – для мнимых изображений. Перед d znak „–“ sa vkladá iba v prípade, keď na šošovku dopadá zbiehajúci sa lúč lúčov. Potom sa mentálne vysunú na priesečník za šošovkou, tam sa umiestni imaginárny zdroj svetla a určí sa preň vzdialenosť d.
V závislosti od polohy objektu vo vzťahu k šošovke sa menia lineárne rozmery obrazu. Lineárne priblíženiešošovky Γ nazývaný pomer lineárnych rozmerov obrazu a objektu. Existuje vzorec pre lineárne zväčšenie šošovky:
V mnohých optických prístrojoch prechádza svetlo postupne cez dve alebo viac šošoviek. Obraz predmetu daný prvou šošovkou slúži ako predmet (skutočný alebo imaginárny) pre druhú šošovku, ktorá vytvára druhý obraz predmetu atď.
Úspešná, usilovná a zodpovedná implementácia týchto troch bodov, ako aj zodpovedné štúdium záverečných tréningových testov vám umožní ukázať na CT vynikajúci výsledok, maximum toho, čoho ste schopní.
Našli ste chybu?
Ak ste, ako sa vám zdá, našli chybu v školiacich materiáloch, napíšte o nej e-mailom (). V liste uveďte predmet (fyziku alebo matematiku), názov alebo číslo témy alebo testu, číslo úlohy, prípadne miesto v texte (strane), kde je podľa vás chyba. Popíšte tiež, čo je údajná chyba. Váš list nezostane bez povšimnutia, chyba bude buď opravená, alebo vám bude vysvetlené, prečo nejde o chybu.
ABSOLÚTNE ČIERNE TELO- mentálny model telesa, ktoré pri akejkoľvek teplote úplne pohltí všetko naň dopadajúce elektromagnetické žiarenie bez ohľadu na spektrálne zloženie. Žiarenie A.Ch.T. je určená len jej absolútnou teplotou a nezávisí od povahy látky.
BIELE SVETLO- komplexný elektromagnetickéžiarenia , spôsobujúci pocit v očiach človeka, neutrálnej farby.
VIDITEĽNÉ ŽIARENIE- optické žiarenie s vlnovými dĺžkami 380 - 770 nm, schopné vyvolať zrakový vnem v ľudskom oku.
NÚTENÁ EMISIA, indukované žiarenie - emisia elektromagnetických vĺn časticami hmoty (atómy, molekuly a pod.), ktoré sú excitované, t.j. nerovnovážny stav pri pôsobení externého silového žiarenia. V a. súvisle (porov. súdržnosť) so stimulujúcim žiarením a za určitých podmienok môže viesť k zosilneniu a generovaniu elektromagnetických vĺn. pozri tiež kvantový generátor.
HOLOGRAM- interferenčný obrazec zaznamenaný na fotografickej platni, tvorený dvoma koherentnými vlnami (pozri obr. súdržnosť): referenčná vlna a vlna odrazená od objektu osvetleného tým istým zdrojom svetla. Keď sa G. obnoví, vnímame trojrozmerný obraz predmetu.
HOLOGRAFIA- spôsob získavania objemových obrazov predmetov, založený na registrácii a následnej obnove čela vlny odrazenej týmito predmetmi. Získanie hologramu je založené na .
HUYGENSOV PRINCÍP- metóda, ktorá umožňuje kedykoľvek určiť polohu čela vlny. Podľa g.p. všetky body, ktorými čelo vlny prechádza v čase t, sú zdrojmi sekundárnych sférických vĺn a požadovaná poloha čela vlny v čase t+Dt sa zhoduje s povrchom obklopujúcim všetky sekundárne vlny. Umožňuje vysvetliť zákony odrazu a lomu svetla.
HUYGENS - FRESNEL - PRINCÍP- približná metóda riešenia problémov šírenia vĺn. G.-F. Položka hovorí: v ktoromkoľvek bode mimo ľubovoľného uzavretého povrchu, pokrývajúceho bodový zdroj svetla, môže byť svetelná vlna excitovaná týmto zdrojom reprezentovaná ako výsledok interferencie sekundárnych vĺn emitovaných všetkými bodmi špecifikovaného uzavretého povrchu. Umožňuje riešiť jednoduché úlohy.
TLAKOVÉ SVETLO - tlak, produkované svetlom na osvetlenom povrchu. Hrá veľkú úlohu v vesmírne procesy(vznik chvostov komét, rovnováha veľkých hviezd atď.).
SKUTOČNÝ OBRAZ- cm. .
BRÁNA- zariadenie na obmedzenie alebo zmenu svetelného lúča v optickej sústave (napríklad zrenica oka, rám šošovky, D. šošovky fotoaparátu).
DISPERZIA SVETLA- závislosť absolútna index lomu látok z frekvencie svetla. Rozlišuje sa normálna D., pri ktorej rýchlosť svetelnej vlny klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou, a anomálna D., pri ktorej sa rýchlosť vlny zvyšuje. Kvôli D.s. úzky lúč bieleho svetla, prechádzajúci hranolom zo skla alebo inej priehľadnej látky, sa rozkladá na disperzné spektrum a na obrazovke vytvára dúhový pás.
DIFRAKČNÁ MRIEŽKA- fyzické zariadenie, ktoré je súborom veľkého počtu paralelných ťahov rovnakej šírky nanesených na priehľadný alebo reflexný povrch v rovnakej vzájomnej vzdialenosti. Výsledkom je, že D.R. vzniká difrakčné spektrum - striedanie maxím a miním intenzity svetla.
DIFRAKCIA SVETLA- súbor javov, ktoré sú spôsobené vlnovou povahou svetla a pozorujeme ich pri jeho šírení v prostredí s výraznými nehomogenitami (napríklad pri prechode cez diery, v blízkosti hraníc nepriehľadných telies a pod.). V užšom zmysle, pod D.s. rozumej ohýbanie svetla okolo malých prekážok, t.j. odchýlka od zákonov geometrickej optiky. Hrá dôležitú úlohu pri prevádzke optických prístrojov, obmedzuje ich rozhodnutie.
DOPPLEROV EFEKT- jav zmeny frekvencia oscilácií zvukové alebo elektromagnetické vlny vnímané pozorovateľom, v dôsledku vzájomného pohybu pozorovateľa a zdroja vlnenia. Pri priblížení sa zistí zvýšenie frekvencie, pri vzdialení sa zistí pokles.
PRIRODZENÉ SVETLO- súbor nekoherentných svetelných vĺn so všetkými možnými rovinami kmitania a s rovnakou intenzitou kmitania v každej z týchto rovín. E.s. vyžarujú takmer všetky prirodzené zdroje svetla, pretože. pozostávajú z veľkého množstva rôzne orientovaných centier žiarenia (atómov, molekúl), ktoré vyžarujú svetelné vlny, ktorých fáza a rovina kmitov môže nadobudnúť všetky možné hodnoty. pozri tiež polarizácia svetla, koherencia.
ZRKADLO OPTICKÉ- teleso s lešteným alebo potiahnutým povrchom s reflexnou vrstvou (striebro, zlato, hliník atď.), na ktorom dochádza k odrazu v blízkosti zrkadla (viď. odraz).
OBRAZ OPTICKÝ- obraz predmetu získaný pôsobením optického systému (šošoviek, zrkadiel) na svetelné lúče, ktoré predmet vyžaruje alebo odráža. Rozlišujte medzi skutočnými (získanými na obrazovke alebo sietnici na priesečníku lúčov, ktoré prešli optickým systémom) a imaginárnym. . (získané na priesečníku pokračovaní lúčov).
RUŠENIE SVETLA- skladanie dvoch alebo viacerých koherentný svetelné vlny lineárne polarizované v jednej rovine, v ktorej sa energia výslednej svetelnej vlny prerozdeľuje v priestore v závislosti od pomeru medzi fázami týchto vĺn. Výsledok I.S. pozorovaný na obrazovke alebo fotografickej platni sa nazýva interferenčný obrazec. I. biele svetlo vedie k vytvoreniu dúhového vzoru (farby tenkých vrstiev a pod.). Uplatnenie nachádza v holografii, pri poťahovaní optiky atď.
INFRA ČERVENÁ RADIÁCIA - elektromagnetická radiácia s vlnovými dĺžkami od 0,74 mikrónov do 1-2 mm. Vyžarujú ho všetky telesá s teplotou nad absolútnou nulou (tepelné žiarenie).
KVANTUM SVETLA- rovnake ako fotón.
KOLIMÁTOR- optický systém určený na získanie zväzku rovnobežných lúčov.
COMPTON EFEKT- jav rozptylu elektromagnetického žiarenia krátkych vlnových dĺžok (röntgenové a gama žiarenie) na voľných elektrónoch sprevádzaný zvýšením vlnová dĺžka.
LASER, optický kvantový generátor - kvantový generátor elektromagnetického žiarenia v optickom rozsahu. Generuje monochromatické koherentné elektromagnetické žiarenie, ktoré má úzku smerovosť a značnú hustotu výkonu. Používa sa v optickej lokalizácii, na spracovanie tvrdých a žiaruvzdorných materiálov, v chirurgii, spektroskopii a holografii, na ohrev plazmy. St Maser.
ČIAROVÉ SPEKTRA- spektrá pozostávajúce z jednotlivých úzkych spektrálnych čiar. Vyžarované látkami v atómovom stave.
LENS optický - priehľadné teleso ohraničené dvoma krivočiarymi (zvyčajne guľovými) alebo zakrivenými a plochými plochami. O šošovke sa hovorí, že je tenká, ak je jej hrúbka malá v porovnaní s polomermi zakrivenia jej povrchov. Existujú zbiehavé (premena paralelného zväzku lúčov na zbiehajúci sa) a divergentné (premena paralelného zväzku lúčov na divergentný) šošovky. Používajú sa v optických, opticko-mechanických, fotografických zariadeniach.
Lupa- zbieranie šošovka alebo systém šošoviek s krátkou ohniskovou vzdialenosťou (10 - 100 mm), poskytuje zväčšenie 2 - 50x.
RAY je imaginárna čiara, pozdĺž ktorej sa energia žiarenia šíri v aproximácii geometrická optika, t.j. ak nie sú pozorované difrakčné javy.
MASER - kvantový generátor elektromagnetického žiarenia v rozsahu centimetrov. Vyznačuje sa vysokou monochromaticitou, koherenciou a úzkou smerovosťou žiarenia. Používa sa v rádiovej komunikácii, rádioastronómii, radare a tiež ako generátor stabilných frekvenčných oscilácií. St .
MICHELSONOVY SKÚSENOSTI- experiment určený na meranie vplyvu pohybu Zeme na hodnotu rýchlosť svetla. Negatívny výsledok M.o. sa stala jednou z experimentálnych základní teória relativity.
MIKROSKOP- optický prístroj na pozorovanie drobných predmetov voľným okom neviditeľných. Zväčšenie mikroskopu je obmedzené a nepresahuje 1500. Porov. elektrónový mikroskop.
IMAGINATION- cm. .
MONOCHROMATICKÉ ŽIARENIE- mentálny model elektromagnetická radiácia jednu konkrétnu frekvenciu. Prísne m.i. neexistuje, pretože akékoľvek skutočné žiarenie je časovo obmedzené a pokrýva určitý frekvenčný rozsah. Zdroje žiarenia v blízkosti m. - kvantové generátory.
OPTIKA- odvetvie fyziky, ktoré študuje zákonitosti svetelných (optických) javov, povahu svetla a jeho interakciu s hmotou.
OPTICKÁ OS- 1) HLAVNÁ - priamka, na ktorej sa nachádzajú stredy lámavých alebo odrazových plôch, ktoré tvoria optickú sústavu; 2) STRANA - akákoľvek priamka prechádzajúca optickým stredom tenkej šošovky.
OPTICKÁ SILAšošovka - veličina používaná na opis refrakčného účinku šošovky a inverznej ohnisková vzdialenosť. D = 1/F. Meria sa v dioptriách (dioptriách).
OPTICKÉ ŽIARENIE- elektromagnetické žiarenie, ktorého vlnové dĺžky sú v rozmedzí od 10 nm do 1 mm. Do o.i. vzťahovať Infra červená radiácia, , .
ODRAZ SVETLA- proces vrátenia svetelnej vlny, keď dopadne na rozhranie medzi dvoma médiami, ktoré majú rozdielne indexy lomu. späť do pôvodného prostredia. Vďaka o.s. vidíme telá vyžarujúce svetlo. Rozlišuje sa zrkadlový odraz (paralelný lúč lúčov zostáva po odraze rovnobežný) a difúzny odraz (paralelný lúč sa mení na divergentný).
- jav pozorovaný pri prechode svetla z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého, ak je uhol dopadu väčší ako hraničný uhol dopadu, kde n je index lomu druhého média vo vzťahu k prvému. V tomto prípade sa svetlo úplne odráža od rozhrania medzi médiami.
ZÁKON ODRAZU VLN- dopadajúci lúč, odrazený lúč a kolmica zdvihnutá k bodu dopadu lúča ležia v rovnakej rovine a uhol dopadu sa rovná uhlu lomu. Zákon platí pre zrkadlový odraz.
ABSORPCIA SVETLA- pokles energie svetelnej vlny pri jej šírení v látke, ku ktorému dochádza v dôsledku premeny energie vlny na vnútornej energie látky alebo energia sekundárneho žiarenia majúce iné spektrálne zloženie a iný smer šírenia.
1) ABSOLÚTNA - hodnota rovnajúca sa pomeru rýchlosti svetla vo vákuu k fázovej rýchlosti svetla v danom prostredí: . Záleží na chemické zloženie médium, jeho stav (teplota, tlak a pod.) a frekvenciu svetla (viď rozptyl svetla).2) RELATÍVNE - (p.p. druhého média vzhľadom k prvému) hodnota rovná pomeru fázovej rýchlosti v prvom médiu k fázovej rýchlosti v druhom: . O.p.p. sa rovná pomeru absolútneho indexu lomu druhého prostredia k absolútnemu p.p. prostredie pera.
POLARIZÁCIA SVETLA- jav, ktorý vedie k usporiadaniu vektorov elektrického poľa a magnetickej indukcii svetelnej vlny v rovine kolmej na svetelný lúč. Najčastejšie sa vyskytuje pri odraze a lámaní svetla, ako aj pri šírení svetla v anizotropnom prostredí.
LOM SVETLA- jav spočívajúci v zmene smeru šírenia svetla (elektromagnetickej vlny) pri prechode z jedného prostredia do druhého, odlišného od prvého index lomu. Pre lom je splnený zákon: dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica zdvihnutá k bodu dopadu lúča ležia v rovnakej rovine a pre tieto dve prostredia je pomer sínusu uhla dopadu k sínus uhla lomu je konštantná hodnota, tzv relatívny index lomu druhé prostredie vzhľadom na prvé. Dôvodom lomu je rozdiel vo fázových rýchlostiach v rôznych prostrediach.
PRISM OPTICKÝ- teleso z priehľadnej látky ohraničené dvoma nerovnobežnými rovinami, na ktorých sa láme svetlo. Používa sa v optických a spektrálnych prístrojoch.
CESTOVNÝ ROZDIEL- fyzikálna veličina rovnajúca sa rozdielu optických dĺžok dráh dvoch svetelných lúčov.
ROZPTYL SVETLA- jav spočívajúci v odchýlke svetelného lúča šíriaceho sa v prostredí všetkými možnými smermi. Je to spôsobené nehomogenitou prostredia a interakciou svetla s časticami hmoty, pri ktorej sa mení smer šírenia, frekvencia a rovina kmitania svetelnej vlny.
SVETLO, svetelné žiarenie – ktoré môže spôsobiť zrakový vnem.
SVETLÁ VLNA - elektromagnetická vlna vo viditeľnom rozsahu vlnových dĺžok. Frekvencia (súbor frekvencií) r.v. určuje farbu, energiu r.v. úmerné druhej mocnine jej amplitúdy.
SVETELNÝ SPRIEVODCA- kanál na prenos svetla, ktorý má rozmery mnohonásobne väčšie ako vlnová dĺžka svetla. Svetlo v dedine sa šíri v dôsledku úplného vnútorného odrazu.
RÝCHLOSŤ SVETLA vo vákuu (c) - jedna z hlavných fyzikálnych konštánt, ktorá sa rovná rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu. c = (299 792 458 ± 1,2) m/s. S.s. - obmedzujúca rýchlosť šírenia akýchkoľvek fyzických interakcií.
SPEKTRUM OPTICKÉ- rozloženie cez frekvencie (alebo vlnové dĺžky) intenzity optického žiarenia určitého telesa (emisné spektrum) alebo intenzity absorpcie svetla pri prechode látkou (absorpčné spektrum). Rozlišujte SO: čiara, pozostávajúca z jednotlivých spektrálnych čiar; pruhované, pozostávajúce zo skupín (pásov) blízkych spektrálne čiary; tuhé, zodpovedajúce emisii (emisia) alebo absorpcii svetla v širokom frekvenčnom rozsahu.
SPEKTRÁLNE ČIARY- úzke oblasti v optických spektrách, zodpovedajúce takmer rovnakej frekvencii (vlnovej dĺžke). Každý S. l. spĺňa určité kvantový prechod.
SPEKTRÁLNA ANALÝZA- fyzikálna metóda na kvalitatívnu a kvantitatívnu analýzu chemického zloženia látok, založená na štúdiu ich optické spektrá. Vyznačuje sa vysokou citlivosťou a používa sa v chémii, astrofyzike, metalurgii, geologickom prieskume atď. Teoretický základ S. a. je .
SPECTROGRAPH- optické zariadenie na získavanie a súčasné zaznamenávanie spektra žiarenia. Hlavná časť S. - optický hranol alebo .
SPECTROSKOP- optický prístroj na vizuálne pozorovanie spektra žiarenia. Hlavnou časťou S. je optický hranol.
spektroskopia odbor fyziky, ktorý študuje optické spektrá s cieľom objasniť štruktúru atómov, molekúl, ako aj hmoty v jej rôznych stavoch agregácie.
ZVÝŠIŤ optická sústava - pomer veľkosti obrazu daného optickou sústavou k skutočnej veľkosti objektu.
ULTRAFIALOVÉ ŽIARENIE- elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou vo vákuu od 10 nm do 400 nm. Spôsobuje veľa látok a luminiscencie. biologicky aktívny.
FOKÁLNA ROVINA- rovina kolmá na optickú os sústavy a prechádzajúca jej hlavným ohniskom.
FOCUS- bod, v ktorom sa zhromažďuje paralelný lúč svetelných lúčov prechádzajúci optickým systémom. Ak je lúč rovnobežný s hlavnou optickou osou systému, potom optika leží na tejto osi a nazýva sa hlavná.
OHNISKOVÁ VZDIALENOSŤ- vzdialenosť medzi optickým stredom tenkej šošovky a ohniskom FOTOEFEKT, fotoelektrický jav - jav emisie elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia (vonkajšia f.). Pozoruje sa v plynoch, kvapalinách a pevných látkach. Objavil G. Hertz a študoval A.G. Stoletov. Hlavné zákonitosti f. vysvetlil na základe kvantových pojmov A. Einstein.
FARBA- zrakový vnem spôsobený svetlom v súlade s jeho spektrálnym zložením a intenzitou odrazeného alebo emitovaného žiarenia.
- História vývoja optiky.
- Základné ustanovenia Newtonovej korpuskulárnej teórie.
- Základy Huygensovej vlnovej teórie.
- Názory na povahu svetla v XIX – XX storočia.
-
- Základy optiky.
- Vlnové vlastnosti svetla a geometrická optika.
- Oko ako optický systém.
- Spektroskop.
- Optický merací prístroj.
- Záver.
- Zoznam použitej literatúry.
História vývoja optiky.
Optika je náuka o povahe svetla, svetelných javoch a interakcii svetla s hmotou. A takmer celá jeho história je históriou hľadania odpovede: čo je svetlo?
Jednu z prvých teórií svetla – teóriu vizuálnych lúčov – predložil grécky filozof Platón okolo roku 400 pred Kristom. e. Táto teória predpokladala, že lúče pochádzajú z oka, ktoré sa stretáva s predmetmi, osvetľujú ich a vytvárajú vzhľad okolitého sveta. Názory Platóna boli podporované mnohými vedcami staroveku a najmä Euclid (3. storočie pred nl), založený na teórii vizuálnych lúčov, založil doktrínu priamočiareho šírenia svetla, zaviedol zákon odrazu.
V tých istých rokoch sa zistili tieto skutočnosti:
– priamosť šírenia svetla;
– fenomén odrazu svetla a zákon odrazu;
- fenomén lomu svetla;
je zaostrovacia činnosť konkávneho zrkadla.
Starí Gréci položili základ pre odvetvie optiky, neskôr nazývané geometrické.
Najzaujímavejšia práca o optike, ktorá sa k nám dostala zo stredoveku, je práca arabského vedca Alhazena. Študoval odraz svetla od zrkadiel, fenomén lomu a prechod svetla šošovkami. Alhazen bol prvý, kto naznačil, že svetlo má konečnú rýchlosť šírenia. Táto hypotéza bola hlavná
krok k pochopeniu podstaty svetla.
Počas renesancie bolo urobených veľa rôznych objavov a vynálezov; experimentálna metóda sa začala etablovať ako základ pre štúdium a poznávanie okolitého sveta.
Na základe početných experimentálnych faktov v polovici 17. storočia vznikli dve hypotézy o povahe svetelných javov:
- korpuskulárny, čo naznačuje, že svetlo je prúd častíc vyvrhnutých veľkou rýchlosťou svietiacimi telesami;
- vlna, tvrdiaca, že svetlo je pozdĺžny kmitavý pohyb špeciálneho svetelného prostredia - éteru - excitovaného vibráciami častíc svetelného telesa.
Všetky ďalší vývoj doktrína svetla až po súčasnosť je históriou vývoja a boja týchto hypotéz, ktorých autormi boli I. Newton a H. Huygens.
Hlavné ustanovenia Newtonovej korpuskulárnej teórie:
1) Svetlo pozostáva z malých častíc hmoty vyžarovaných vo všetkých smeroch v priamych líniách alebo lúčoch, ktoré svietia telom, ako je horiaca sviečka. Ak tieto lúče pozostávajúce z teliesok vstúpia do nášho oka, vidíme ich zdroj (obr. 1).
2) Ľahké krvinky majú rôzne veľkosti. Najväčšie častice, ktoré sa dostanú do oka, dávajú pocit červenej farby, najmenšie - fialové.
3) biela farba- zmes všetkých farieb: červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, modrá, fialová.
4) K odrazu svetla od povrchu dochádza v dôsledku odrazu teliesok od steny podľa zákona absolútneho elastického nárazu (obr. 2).
5) Fenomén lomu svetla je vysvetlený skutočnosťou, že častice sú priťahované časticami média. Čím je médium hustejšie, tým je uhol lomu menší ako uhol dopadu.
6) Fenomén rozptylu svetla, ktorý objavil Newton v roku 1666, vysvetlil nasledovne. Každá farba je už prítomná v bielom svetle. Všetky farby sa prenášajú cez medziplanetárny priestor a atmosféru spolu a vytvárajú efekt bieleho svetla. Biele svetlo - zmes rôznych teliesok - sa pri prechode cez hranol láme. Z hľadiska mechanickej teórie je lom spôsobený silami sklenených častíc pôsobiacich na ľahké častice. Tieto sily sú rôzne pre rôzne krvinky. Sú najväčšie pre fialovú a najmenšie pre červenú. Dráha teliesok v hranole pre každú farbu bude lomená vlastným spôsobom, takže biely komplexný lúč bude rozdelený na lúče farebných zložiek.
7) Newton načrtol spôsoby vysvetlenia dvojitého lomu pomocou hypotézy, že svetelné lúče majú „rôzne strany“ – zvláštnu vlastnosť, ktorá spôsobuje ich rozdielny lom pri prechode cez dvojlomné teleso.
Newtonova korpuskulárna teória uspokojivo vysvetlila mnohé v tom čase známe optické javy. Jej autor sa tešil obrovskej prestíži vo vedeckom svete a čoskoro si Newtonova teória získala mnoho priaznivcov vo všetkých krajinách.
Základy Huygensovej vlnovej teórie svetla.
1) Svetlo je rozloženie elastických periodických impulzov v éteri. Tieto impulzy sú pozdĺžne a sú podobné zvukovým impulzom vo vzduchu.
2) Éter je hypotetické médium, ktoré vypĺňa nebeský priestor a medzery medzi časticami telies. Je bez tiaže, nedodržiava zákony gravitácia, má veľkú elasticitu.
3) Princíp šírenia kmitov éteru je taký, že každý jeho bod, do ktorého sa dostane excitácia, je stredom sekundárnych vĺn. Tieto vlny sú slabé a účinok sa pozoruje iba tam, kde prechádza ich obal.
povrch - čelo vlny (Huygensov princíp) (obr. 3).
Svetelné vlny prichádzajúce priamo zo zdroja spôsobujú pocit videnia.
Veľmi dôležitým bodom Huygensovej teórie bol predpoklad, že rýchlosť šírenia svetla je konečná. Pomocou svojho princípu sa vedcovi podarilo vysvetliť mnohé javy geometrickej optiky:
– fenomén odrazu svetla a jeho zákonitosti;
- fenomén lomu svetla a jeho zákonitosti;
– fenomén úplného vnútorného odrazu;
- jav dvojitého lomu;
- princíp nezávislosti svetelných lúčov.
Huygensova teória dala nasledujúci výraz pre index lomu média:
Zo vzorca je zrejmé, že rýchlosť svetla by mala závisieť nepriamo od absolútneho indexu média. Tento záver bol opakom záveru, ktorý vyplýva z Newtonovej teórie. Nízka úroveň experimentálnej techniky v 17. storočí znemožňovala zistiť, ktorá z teórií bola správna.
Mnohí pochybovali o Huygensovej vlnovej teórii, ale medzi pár zástancov vlnových názorov na povahu svetla patrili M. Lomonosov a L. Euler. Z týchto štúdií teória vedcov Huygens sa začal formovať ako teória vĺn, a nie len aperiodických kmitov šíriacich sa v éteri.
Názory na povahu svetla v XIX - XX storočia.
V roku 1801 vykonal T. Jung experiment, ktorý ohromil vedcov sveta (obr. 4)
S je zdroj svetla;
E - obrazovka;
B a C sú veľmi úzke štrbiny vzdialené od seba 1-2 mm.
Podľa Newtonovej teórie by sa na obrazovke mali objaviť dva jasné pruhy, v skutočnosti sa objavilo niekoľko svetlých a tmavých pruhov a jasná čiara P sa objavila priamo oproti medzere medzi štrbinami B a C. Experiment ukázal, že svetlo je vlnový jav. Jung vyvinul Huygensovu teóriu s myšlienkami o vibráciách častíc, o frekvencii vibrácií. Sformuloval princíp interferencie, na základe ktorého vysvetlil jav difrakcie, interferencie a farby tenkých platní.
Francúzsky fyzik Fresnel spojil princíp Huygensových vlnových pohybov a princíp Youngovej interferencie. Na tomto základe vyvinul prísnu matematickú teóriu difrakcie. Fresnel dokázal vysvetliť všetky vtedy známe optické javy.
Základné ustanovenia Fresnelovej vlnovej teórie.
- Svetlo - šírenie kmitov v éteri s rýchlosťou, pri ktorej je modul pružnosti éteru, r– hustota éteru;
– Svetelné vlny sú priečne;
– Svetelný éter má vlastnosti elasticko-pevného telesa, je absolútne nestlačiteľný.
Pri prechode z jedného prostredia do druhého sa nemení elasticita éteru, mení sa však jeho hustota. Relatívny index lomu látky.
Priečne vibrácie môžu prebiehať súčasne vo všetkých smeroch kolmých na smer šírenia vĺn.
Fresnelova práca získala uznanie vedcov. Čoskoro sa objavilo množstvo experimentálnych a teoretických prác, ktoré potvrdili vlnovú povahu svetla.
V polovici 19. storočia sa začali objavovať skutočnosti, ktoré naznačovali súvislosť medzi optickými a elektrickými javmi. V roku 1846 M. Faraday pozoroval rotáciu rovín polarizácie svetla v telesách umiestnených v magnetickom poli. Faraday predstavil myšlienku elektrického a magnetické polia, ako o zvláštnych presahoch vo vzduchu. Objavil sa nový „elektromagnetický éter“. Na tieto názory ako prvý upozornil anglický fyzik Maxwell. Rozvinul tieto myšlienky a vybudoval teóriu elektromagnetického poľa.
Elektromagnetická teória svetla nevyškrtla mechanickú teóriu Huygens-Young-Fresnel, ale postavila ju na novú úroveň. V roku 1900 nemecký fyzik Planck predložil hypotézu o kvantovej povahe žiarenia. Jeho podstata bola nasledovná:
– vyžarovanie svetla je diskrétne;
- absorpcia sa vyskytuje aj v diskrétnych častiach, kvantách.
Energia každého kvanta je reprezentovaná vzorcom E = h n, kde h je Planckova konštanta a n je frekvencia svetla.
Päť rokov po Planckovi vyšla práca nemeckého fyzika Einsteina o fotoelektrickom jave. Einstein veril:
- svetlo, ktoré ešte neinteragovalo s hmotou, má zrnitú štruktúru;
– fotón je štruktúrny prvok diskrétneho svetelného žiarenia.
Tak sa objavila nová kvantová teória svetla, ktorá sa zrodila na základe Newtonovej korpuskulárnej teórie. Kvantum pôsobí ako teliesko.
Základné ustanovenia.
- Svetlo sa vyžaruje, šíri a absorbuje v diskrétnych častiach - kvantách.
- kvantum svetla - fotón nesie energiu úmernú frekvencii vlny, s ktorou je opísaný elektromagnetickou teóriou E = h n .
- Fotón má hmotnosť (), hybnosť a moment hybnosti ().
– Fotón ako častica existuje len v pohybe, ktorého rýchlosť je rýchlosťou šírenia svetla v danom prostredí.
– Pre všetky interakcie, na ktorých sa zúčastňuje fotón, platia všeobecné zákony zachovania energie a hybnosti.
– Elektrón v atóme môže byť len v niektorých diskrétnych stabilných stacionárnych stavoch. V stacionárnych stavoch atóm nevyžaruje energiu.
– Pri prechode z jedného stacionárneho stavu do druhého atóm emituje (absorbuje) fotón s frekvenciou, (kde E1 a E2 sú energie počiatočného a konečného stavu).
S príchodom kvantovej teórie sa ukázalo, že korpuskulárne a vlnové vlastnosti sú len dve strany, dva vzájomne prepojené prejavy podstaty svetla. Neodrážajú sa dialektická jednota diskrétnosť a spojitosť hmoty, vyjadrená v súčasnom prejave vlnových a korpuskulárnych vlastností. Rovnaký proces žiarenia možno opísať ako pomocou matematického aparátu pre vlny šíriace sa v priestore a čase, tak aj pomocou štatistických metód na predpovedanie výskytu častíc v danom mieste a v daný čas. Oba tieto modely je možné používať súčasne a v závislosti od podmienok je preferovaný jeden z nich.
Úspechy v posledných rokoch v oblasti optiky boli možné vďaka rozvoju kvantovej fyziky a vlnovej optiky. Dnes sa teória svetla naďalej rozvíja.
Optika je oblasť fyziky, ktorá študuje vlastnosti a fyzikálnu povahu svetla, ako aj jeho interakciu s hmotou.
Najjednoduchšie optické javy, ako je vytváranie tieňov a vytváranie obrazov v optických prístrojoch, možno chápať v rámci geometrickej optiky, ktorá pracuje s konceptom jednotlivých svetelných lúčov, ktoré sa riadia známymi zákonmi lomu a odrazu a sú nezávislé. navzájom. Na pochopenie zložitejších javov je potrebná fyzikálna optika, ktorá tieto javy uvažuje v súvislosti s fyzikálnou podstatou svetla. Fyzikálna optika umožňuje odvodiť všetky zákony geometrickej optiky a stanoviť hranice ich použiteľnosti. Bez znalosti týchto limitov môže formálna aplikácia zákonov geometrickej optiky v špecifických prípadoch viesť k výsledkom, ktoré sú v rozpore s pozorovanými javmi. Preto sa nemožno obmedziť na formálnu konštrukciu geometrickej optiky, ale treba sa na ňu pozerať ako na odvetvie fyzickej optiky.
Koncept svetelného lúča je možné získať z uvažovania skutočného svetelného lúča v homogénnom médiu, z ktorého je pomocou clony oddelený úzky paralelný lúč. Čím menší je priemer týchto otvorov, tým je lúč užší a v limite, ktorý prechádza do otvorov ľubovoľne malých, by sa zdalo, že svetelný lúč možno získať ako priamku. Ale takýto proces oddelenia ľubovoľne úzkeho lúča (lúča) je nemožný kvôli fenoménu difrakcie. Nevyhnutná uhlová expanzia skutočného svetelného lúča prechádzajúceho cez clonu s priemerom D je určená difrakčným uhlom j ~ l / D. Len v obmedzujúcom prípade kedy l=0, k takémuto rozpínaniu by nedošlo a o lúči by sa dalo hovoriť ako o geometrickej priamke, ktorej smer určuje smer šírenia svetelnej energie.
Svetelný lúč je teda abstraktný matematický pojem a geometrická optika je približný obmedzujúci prípad, do ktorého sa vlnová optika dostane, keď vlnová dĺžka svetla klesne na nulu.
Oko ako optický systém.
Orgánom ľudského zraku sú oči, ktoré v mnohých ohľadoch predstavujú veľmi dokonalú optickú sústavu.
Vo všeobecnosti je ľudské oko guľovité teleso s priemerom asi 2,5 cm, ktoré sa nazýva očná guľa (obr. 5). Nepriehľadná a pevná vonkajšia škrupina oka sa nazýva skléra a jej priehľadná a vypuklejšia predná časť sa nazýva rohovka. Na vnútornej strane je skléra pokrytá cievnatkou, pozostávajúcou z krvných ciev, ktoré vyživujú oko. Proti rohovke prechádza cievnatka do u rôznych ľudí nerovnako sfarbenej dúhovky, ktorá je od rohovky oddelená komôrkou s priehľadnou vodnatou hmotou.
Dúhovka má okrúhly otvor nazývaný zrenica, ktorej priemer sa môže meniť. Dúhovka teda zohráva úlohu clony, ktorá reguluje prístup svetla k oku. Pri jasnom svetle sa zrenica zmenšuje a pri slabom osvetlení sa zväčšuje. Vo vnútri očnej gule za dúhovkou je šošovka, čo je bikonvexná šošovka z priehľadnej látky s indexom lomu asi 1,4. Šošovka je ohraničená prstencovým svalom, ktorý môže meniť zakrivenie jej povrchov a tým aj jej optickú silu.
Cievnatka na vnútornej strane oka je pokrytá vetvami fotosenzitívneho nervu, obzvlášť hrubými oproti zrenici. Tieto vetvy tvoria sietnicu, na ktorej sa získava reálny obraz predmetov vytvorený optickým systémom oka. Priestor medzi sietnicou a šošovkou je vyplnený priehľadným sklovcom, ktorý má želatínovú štruktúru. Obraz predmetov na sietnici je prevrátený. Činnosť mozgu, ktorý prijíma signály z fotosenzitívneho nervu, nám však umožňuje vidieť všetky predmety v prirodzených polohách.
Keď je prstencový sval oka uvoľnený, na sietnici sa získa obraz vzdialených predmetov. Vo všeobecnosti je zariadenie oka také, že človek môže bez napätia vidieť predmety umiestnené nie bližšie ako 6 metrov od oka. Obraz bližších predmetov sa v tomto prípade získava za sietnicou. Aby sa získal jasný obraz takéhoto predmetu, prstencový sval stláča šošovku viac a viac, až kým sa obraz predmetu nedostane na sietnicu, a potom šošovku udržiava v stlačenom stave.
„Zaostrovanie“ ľudského oka sa teda uskutočňuje zmenou optickej mohutnosti šošovky pomocou prstencového svalu. Schopnosť optického systému oka vytvárať zreteľné obrazy predmetov nachádzajúcich sa v rôznych vzdialenostiach od neho sa nazýva ubytovanie (z latinského "akomodácia" - prispôsobenie). Pri pozorovaní veľmi vzdialených predmetov vstupujú do oka paralelné lúče. V tomto prípade sa hovorí, že oko je prispôsobené do nekonečna.
Akomodácia oka nie je nekonečná. Pomocou kruhového svalu sa optická mohutnosť oka môže zvýšiť najviac o 12 dioptrií. Pri dlhom pohľade na blízke predmety sa oko unaví, prstencový sval sa začne uvoľňovať a obraz predmetu sa rozmaže.
Ľudské oči umožňujú dobre vidieť predmety nielen za denného svetla. Schopnosť oka adaptovať sa na rôzne stupne podráždenia zakončení fotosenzitívneho nervu na sietnici, t.j. na rôzne stupne jasu pozorovaných objektov sa nazýva adaptácia.
Konvergencia zrakových osí očí v určitom bode sa nazýva konvergencia. Keď sú predmety umiestnené v značnej vzdialenosti od osoby, potom pri pohybe očí z jedného objektu na druhý sa vzdialenosť medzi osami očí prakticky nemení a človek stráca schopnosť správne určiť polohu objektu. . Keď sú predmety veľmi vzdialené, osi očí sú rovnobežné a človek ani nedokáže určiť, či sa predmet, na ktorý sa pozerá, hýbe alebo nie. Určitú úlohu pri určovaní polohy tiel zohráva aj sila prstencového svalu, ktorý stláča šošovku pri pohľade na predmety nachádzajúce sa blízko človeka. ovce.
Spektrum rozsah.
Na pozorovanie spektier sa používa spektroskop.
Najbežnejší prizmatický spektroskop pozostáva z dvoch trubíc, medzi ktorými je umiestnený trojstenný hranol (obr. 7).
V trubici A, nazývanej kolimátor, je úzka štrbina, ktorej šírku je možné nastaviť otáčaním skrutky. Pred štrbinou je umiestnený zdroj svetla, ktorého spektrum je potrebné skúmať. Štrbina je umiestnená v rovine kolimátora, a preto svetelné lúče z kolimátora vychádzajú vo forme paralelného lúča. Po prechode hranolom smerujú svetelné lúče do trubice B, cez ktorú sa pozoruje spektrum. Ak je spektroskop určený na meranie, potom sa na spektrálny obraz pomocou špeciálneho zariadenia prekryje mierkový obraz s dielikmi, ktorý umožňuje presne určiť polohu farebných čiar v spektre.
Optické meracie zariadenie je merací prostriedok, pri ktorom sa zameriavanie (spojenie hraníc kontrolovaného objektu so zámerom, zameriavacím krížom atď.) alebo určovanie veľkosti vykonáva pomocou zariadenia s optickým princípom činnosti. Existujú tri skupiny optických meracie prístroje: prístroje s optickým princípom zameriavania a mechanicky správa o pohybe; zariadenia s optickým zameriavaním a hlásením pohybu; zariadenia, ktoré majú mechanický kontakt s meracím zariadením, s optickou metódou na určenie pohybu kontaktných bodov.
Z prístrojov sa ako prvé rozšírili projektory na meranie a ovládanie súčiastok so zložitým obrysom a malými rozmermi.
Druhým najrozšírenejším zariadením je univerzálny merací mikroskop, pri ktorom sa meraná časť pohybuje na pozdĺžnom vozíku a hlavový mikroskop sa pohybuje na priečnom.
Prístroje tretej skupiny slúžia na porovnávanie nameraných lineárnych veličín s meraniami alebo stupnicami. Zvyčajne sú zoskupené pod spoločný názov komparátorov. Do tejto skupiny prístrojov patrí optimeter (optika, merací stroj, kontaktný interferometer, optický diaľkomer a pod.).
Optické meracie prístroje majú široké využitie aj v geodézii (niveleta, teodolit a pod.).
Teodolit je geodetický nástroj na určovanie smerov a meranie vodorovných a zvislých uhlov pri geodetických prácach, topografickom a banskom meračstve, v stavebníctve a pod.
Niveleta - geodetický nástroj na meranie prevýšení bodov zemského povrchu- nivelácia, ako aj pre nastavenie vodorovných smerov pri montáži a pod. Tvorba.
V navigácii má široké využitie sextant – goniometrický zrkadlovo odrážajúci prístroj na meranie výšok nebeských telies nad horizontom alebo uhlami medzi viditeľnými objektmi s cieľom určiť súradnice miesta pozorovateľa. Najdôležitejšia vlastnosť sextant - schopnosť súčasne kombinovať dva objekty v zornom poli pozorovateľa, medzi ktorými sa meria uhol, čo umožňuje použitie sextantu v lietadle a na lodi bez citeľného zníženia presnosti aj počas pitchingu.
Sľubným smerom vo vývoji nových typov optických meracích prístrojov je ich vybavenie elektronickými čítacími zariadeniami, ktoré umožňujú zjednodušiť čítanie indikácií a zameriavanie atď.
Záver.
Praktický význam optiky a jej vplyv na ostatné oblasti poznania sú mimoriadne veľké. Vynález ďalekohľadu a spektroskopu otvoril človeku najúžasnejšie a najbohatší svet javy vyskytujúce sa v obrovskom vesmíre. Vynález mikroskopu spôsobil revolúciu v biológii. Fotografia pomáhala a pomáha takmer všetkým vedným odborom. Jedným z najdôležitejších prvkov vedeckého vybavenia je objektív. Bez nej by neexistoval mikroskop, teleskop, spektroskop, kamera, kino, televízia atď. neexistovali by okuliare a mnohí ľudia starší ako 50 rokov by boli zbavení možnosti čítať a vykonávať mnohé úlohy súvisiace so zrakom.
Oblasť javov skúmaných fyzikálnou optikou je veľmi rozsiahla. Optické javy úzko súvisia s javmi skúmanými v iných odvetviach fyziky a metódy optického výskumu patria medzi tie najjemnejšie a najpresnejšie. Preto nie je prekvapujúce, že optika dlho zohrávala vedúcu úlohu v mnohých základných výskumoch a vývoji základných fyzikálnych pohľadov. Stačí povedať, že obe hlavné fyzikálne teórie minulého storočia – teória relativity aj teória kvanta – vznikli a rozvinuli sa do značnej miery na základe optického výskumu. Vynález laserov otvoril obrovské nové možnosti nielen v optike, ale aj v jej aplikáciách v rôznych odvetviach vedy a techniky.
Moskovský výbor pre vzdelávanie
Svet o R T
Moskovská technologická vysoká škola
Katedra prírodných vied
Záverečná práca z fyziky
K téme :
Dokončila študentka 14. skupiny: Oksana Ryazantseva
Prednáša: Gruzdeva L.N.
- Artsybyshev S.A. Fyzika - M.: Medgiz, 1950.
- Ždanov L.S. Ždanov G.L. Fyzika pre stredoškolákov vzdelávacie inštitúcie- M.: Nauka, 1981.
- Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976.
- Landsberg G.S. Základná učebnica fyziky. - M.: Nauka, 1986.
- Prochorov A.M. Veľká sovietska encyklopédia. - M.: Sovietska encyklopédia, 1974.
- Sivukhin D.V. Všeobecný kurz fyziky: Optika - M.: Nauka, 1980.
