Оптика развитие представлений о природе света




Скачать 368.88 Kb.
НазваниеОптика развитие представлений о природе света
страница2/4
Дата конвертации21.12.2012
Размер368.88 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4


Из двух сред, та, у которой абсолютный показатель больше, называется оптически более плотной средой.

Показатель преломления воздуха, как видно из таблицы 1, весьма близок к единице, и во многих случаях его можно принять за единицу. Если же обсуждать точное значение этого показателя, то надо иметь в виду следующие два обстоятельства.

Во-первых, значение показателя преломления воздуха зависит от его состава. Если, к примеру, меняется в воздухе концентрация углекислого газа – меняется и показатель преломления, и высокоточные измерения показателя преломления воздуха можно рассматривать как способ контроля экологической обстановки.

Во-вторых, плотность воздуха, а значит и значение показателя преломления, зависят от температуры и от высоты. Земная атмосфера существенно неоднородна.

На границе раздела любых двух умозрительных слоев воздуха с несколько различными показателями преломления произойдет плавное преломление лучей от слоя к слою, чуть заметное искривление светового луча.

В неоднородной атмосфере закон прямолинейного распространения света перестает выполняться. Неоднородность атмосферы в вертикальном и наклонных направлениях порождает «астрономическую рефракцию» - причину головной боли астрономов: как тут составишь точные карты звездного неба, если наблюдение ведется в кривых лучах? Неоднородность атмосферы в горизонтальных направлениях порождает «геодезическую рефракцию». Геодезисты производят съемку местности оптическими методами, и как тут составишь точную карту протяженных участков местности, если световые лучи – кривые?
6. Дисперсия света.

Усредненный характер данных в таблице 1 соответствует тому обстоятельству, что показатель преломления вещества константой не является, и зависит от длинны световой волны. Тот факт, что показатель преломления вещества является некоторой функцией от длины световой волны, в физике называется дисперсией света. Она проявляется в том, что свет сложного состава распадается при преломлении на простые компоненты, зрительно воспринимаемые как разноцветные лучи близких направлений, то есть происходит их дисперсия в том смысле, в каком этот термин обсуждался в курсе математической статистики: разброс.




Таблица № 2.

Зависимость показателя преломления от длины световой волны

для некоторых веществ.


Длина волны

 (нм)

и цвет

Абсолютный показатель преломления

Вода

Стекло

(тяжелый флинт)

Стекло

(легкий крон)

656 (красный)

589 (желтый)

486 (сине-зеленый)

405 (фиолетовый)

1,3311

1,3330

1,3371

1,3428

1,6444

1,6499

1,6657

1,6852

1,5145

1,5170

1,5230

1,5318


Из этой таблицы видно, что отклонения значений показателя преломления от средних значений невелики. Из приведенных здесь веществ они наименее заметны у воды, но увидев на небе радугу, имейте в виду, что вы наблюдаете проявления дисперсии света в мелких капельках дождя.
7. Полное внутреннее отражение света.
Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха; nвозд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломления nст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света. Закон преломления для этих условий запишется:



Отсюда следует, что , то есть синус угла преломления  меньше, чем синус угла падения , в 1,5 раза. А если sin  < sin , то и  < ; то есть световой луч, преломляясь в этих обстоятельствах, как бы старается прижаться к нормали (см. схему на рис.3).

Если же световой луч пустить из оптически более плотного стекла в оптически менее плотный воздух, то угол преломления окажется, наоборот, больше угла падения,   . Для обсуждаемого обратного хода луча закон преломления:



следовательно, sin  = 1,5 sin;   

Эта ситуация иллюстрируется схемой А на рисунке 4

Рисунок 4
Если угол падения  увеличить до некоторого предельного значения пр, то угол преломления  >  достигает наибольшего значения =900: см. схему В на рисунке 4. Преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. При углах падения  >пр явление преломления не происходит, а вместо частичного отражения на границе раздела фаз происходит полное отражение света внутрь оптически более плотной среды, или полное внутреннее отражение. Это оптическое явление составляет основу целого физико-технического направления, которое называется волоконная оптика.

Вам, вероятно, встречались декоративные светильники, представляющие собой «букет» свободно изогнувшихся тонких прозрачных волокон. В непрозрачном корпусе светильника находится плотный жгут из этих волокон, их торцы освещены обычной электрической лампочкой. Свет, проникающий в волокна с торца, испытывая многократное полное внутреннее отражение, распространяется вдоль этого волокна, каким бы изогнутым оно ни оказалось, и выходит из волокна, только достигнув его противоположного торца. А поскольку диаметр волокна составляет десятые доли миллиметра, а длина световой волны составляет десятые доли микрометра, получается, что свет выходит из конца волокна в большом телесном угле, и светящийся конец волокна похож на яркую звездочку, видимую со всех сторон.

В этом примере «высветились» основные особенности волоконной оптики. Каждое прозрачное волокно с помощью света передает информацию с одного своего конца на другой. Тонкие волокна хороши сразу в двух отношениях. Во-первых, чем они тоньше, тем выше качество изображения, которое волокна сообща передают. Во-вторых, тонкие волокна хорошо изгибаются, даже если изготовлены из хрупкого материала.

В медицине волоконная оптика нашла применение в эндоскопах - устройствах для осмотра внутренних полостей (например, желудка). Световод, представляющий собой жгут из большого числа тонких стеклянных волокон, помещенных в общую защитную оболочку, вводится в исследуемую полость. Часть волокон используется для организации освещения полости от источника света, расположенного вне тела пациента. Световод может использоваться и для передачи во внутреннюю полость лазерного излучения в лечебных целях.

Полное внутреннее отражение происходит и в некоторых структурах сетчатки глаза.

8. Прохождение света через линзы. Характеристики линз.
Симметричная форма линз порождает симметрию в ходе световых потоков, проходящих через неё. Благодаря этому каждой точке предмета, помещенного перед линзой, ставится в соответствие изображение этой точки.

Важнейшая характеристика линз - фокусное расстояние, может быть легко определена с помощью пучка параллельных лучей, направленных на линзу вдоль ее оси симметрии (рисунок 5).

Рисунок 5
С помощью схемы рис.5 формулируем некоторые определения.

1. Ось симметрии линзы принято называть её главной оптической осью.

2. Точка О, находящаяся на главной оптической оси в центре линзы, называется оптическим центром линзы.

3. Световые лучи, параллельные главной оптической оси, после прохождения линзы пересекаются в точке F, которая называется главным фокусом линзы.

4. Расстояние от оптического центра О линзы до точки главного фокуса, называется фокусным расстоянием F линзы.

5. Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой D линзы:



Если в эту формулу подставляется значение F, измеренное в метрах, то получаем значение оптической силы D, измеренное в диоптриях. 1 дптр=1/1м = м -1.

6. Любой луч, параллельный главной оптической оси, пройдя через линзу, пересечет главную оптическую ось в точке фокуса.

7. Параллельный поток лучей можно считать, хотя бы формально, исходящим из бесконечно удаленной точки, находящейся на главной оптической оси. Тогда точка фокуса F - это изображение точечного источника, удаленного, как говорят, «на бесконечность».

8. Любая прямая, проведенная через оптический центр О линзы, называется оптической осью линзы. Таким образом, оптических осей – великое множество, но лишь одна из них - главная.

9. Световой луч, лежащий на любой оптической оси, после прохождения линзы не меняет направления своего движения. Участок линзы в малых окрестностях оптического центра подобен плоскопараллельной стеклянной пластинке, в которой происходит лишь параллельное смещение преломленного луча (рисунок 6)



Рисунок 6
В тонких линзах, где их толщина много меньше их фокусного расстояния, параллельным смещением лучей, проходящих через оптический центр, можно пренебречь.

10. Плоскость, проходящая через фокус F линзы перпендикулярно главной оптической оси, называется фокальной плоскостью.

Линза, показанная на рис.5, относится к собирающим линзам: лучи, пройдя линзу, оказались собранными в сходящийся световой поток, пересеклись в точке фокуса F, затем они снова разошлись, но точка их действительного схождения F, зрительно воспринимаемая как точечный источник света, называется действительным фокусом.

Если лучи, параллельные главной оптической оси, направлены на рассеивающую линзу, то на выходе из линзы получается расходящийся поток лучей (рисунок 7).



Рисунок 7
В этом случае наблюдатель так же будет воспринимать расходящиеся лучи вышедшими из светящейся точки F, но в ней пересекаются не сами лучи, а их продолжения. Поэтому точку F называют мнимым фокусом, фокусное расстояние F и оптическая сила рассеивающей линзы - величины отрицательные.

Линзы, которые в центре толще, чем на краях, являются собирающими. Если же толщина в центре меньше, чем на краях, то мы имеем дело с рассеивающей линзой.
9. Построение изображений. Формула тонкой линзы.
Отдавая дань восхищения способности линз создавать изображения помещенных перед ними предметов, и несколько идеализируя эти способности, рассмотрим принципы графического построения хода лучей, приводящих к получению изображения.

Необходимая при этом исходная информация: надо знать, какая это линза (собирающая или рассеивающая, каково её фокусное расстояние F и каково расположение по отношению к линзе рассматриваемого предмета).

Принципы построения изображений.

1. Чтобы построить для любой точки S её изображение S/, достаточно разобраться, где пересекутся, пройдя линзу, любые два луча, исходящие из точки S. Остальные лучи пересекутся в этой же точке.

2. Одни из лучей, удобных для построений - это луч, проходящий через оптический центр линзы и потому не меняющий своего направления (луч 1 на рис.8 и 9)

3. Луч, параллельный главной оптической оси, пройдя собирающую линзу, пересечет главную оптическую ось в точке фокуса F (луч 2 на рисунке 8). Если линза рассеивающая, то через мнимый фокус пройдет продолжение луча, а сам луч отклонится от оси (рисунок 9).


Рисунок 8

Рисунок 9
Изображение S/, полученное на рисунке 8, является действительным изображением точки S. На рисунке 9 получено мнимое изображение S/ точки S.

4. Если точка S находится на главной оптической оси, то предыдущим пунктом не воспользоваться, и тогда пригодится следующий прием (см. рисунок 10): на линзу направляется произвольный луч, и строится побочная оптическая ось, параллельная ему. Она пересечет фокальную плоскость в точке F/, через которую и пройдет преломленный луч. Изображение точки S, находящейся на главной оптической оси, получилось в точке S/, тоже находящейся на этой оптической оси, и это изображение - действительное.


Рисунок 10
5. На схемах рисунков 8,9,10 точки фокуса F равноудалены от линзы слева и справа. Это верно, если слева и справа от линзы находится одна и та же среда (например, воздух).

6. Ещё одно замечательное свойство линз, полезное для построения изображений, состоит в том, что в них ход лучей обратим. Например, если прямой эффект - лучи, параллельные главной оптической оси, пересекаются, пройдя линзу, в главном фокусе, то обратный эффект - лучи, исходящие из точки фокуса, пройдя линзу, образуют поток лучей, параллельных главной оптической оси. Следовательно, любой луч, прошедший через точку фокуса, преломившись в линзе, станет параллельным главной оптической оси (рисунок 11):



Рисунок 11
На рисунке 12 приведена схема хода лучей, дающих изображение ёлочки. Изображение вершины ёлочки получено на пересечении трёх лучей. Хватило бы и двух, но мы проиллюстрировали предыдущий пункт принципов построения. Зато изображение основания мы специально не строили, догадавшись, где оно должно быть.



Рисунок 12
На рисунке 12 введены следующие обозначения:

d - расстояние от линзы до предмета;

f - расстояние от линзы до изображения;

F - фокусное расстояние линзы;

y,y/ - размеры предмета и изображения, соответственно.

Из подобия треугольников, получившихся при построении хода лучей, вытекает весьма полезное соотношение, связывающее d, f и F, и известное как формула тонкой линзы:
(1)

Из этой же схемы видно, что отношение , называемое увеличением линзы, можно вычислить так:
(2)
Если собирающую линзу мы хотим использовать в качестве лупы, то мы рассчитываем на получение увеличенного изображения предмета, и оно получается, если предмет окажется между линзой и точкой фокуса (рисунок 113).

Рисунок 13
При столь близком к линзе расположении предмета, лупа даёт прямое (т.е. не перевернутое) увеличенное мнимое изображение предмета.

10. Поверхности линз.
Способность линз фокусировать световые лучи, исходящие из любой точки S объекта, в точке S/ его изображения, обусловлена не только показателем преломления материала линзы, но и формой поверхностей линзы.

Посмотрев ещё раз на рисунок 5, видим, что чем дальше падающий луч от главной оптической оси, тем сильнее его угловое отклонение в сторону точки фокуса по другую сторону линзы. Форма поверхности должна быть такой, чтобы для осевого луча угол падения был нулевым, а чем дальше луч от оси, тем больше его угол падения.

Установлено, что все лучи пойдут так, как показано на схеме рисунке 5 и для всех последующих, если преломляющие поверхности, образующие линзу, будут поверхностями четвертого порядка (уравнения этих поверхностей содержат координаты их точек в четвертой степени). Такие поверхности не имеют специального названия, и достаточно сложны как математически, так и, к сожалению, технологически.

Линзы с такими поверхностями никто и не пытался изготавливать. Был найден компромисс: во всем мире линзы изготавливают с преломляющими поверхностями сферической формы. Сфера - это поверхность второго порядка. Изготавливать такие линзы и контролировать точность технологических операций оказалось значительно легче.

Заметим, что «природные технологии» в очередной раз оказываются более совершенными, чем нынешние промышленные: форма поверхности роговицы глаза - не сферическая, а более сложная, более близкая к идеальной.

Оптическая сила линзы определяется алгебраической суммой двух независимых слагаемых, соответственно двум поверхностям линзы. Поэтому кратко остановимся на описании особенностей перехода света через одну сферическую поверхность. На рис.14 выпуклая поверхность радиуса R фокусирует свет, исходящий из точки S, в точке S/ - изображении точки S.

Рисунок 14
Лучи, исходящие из S, будут фокусироваться в S/, если радиус кривизны R удовлетворяет следующему соотношению:
(3)
Здесь n-относительный показатель второй среды по отношению к первой; , где n1, n2 - соответствующие абсолютные показатели преломления.

Из этой формулы следует, что если точку S удалять от поверхности, то изображение S/ будет приближаться к ней, и наоборот. В частности, если точка S бесконечно удалена, то , а лучи, падающие на поверхность, параллельны. Параллельные лучи фокусируются в точке, которую мы называем главным фокусом. Формула (3) принимает частный вид:
(4)

Если свет падает на вогнутую поверхность (рисунок 15), то её центр кривизны находится слева от поверхности, и в формулы (3) и (4) необходимо подставлять радиус R как величину отрицательную. При этом отрицательным будет фокусное расстояние F (мнимый фокус) и оптическая сила D.

Рисунок 15
При анализе сложной оптической системы, последовательно применяя формулы (3) и (4) для всех следующих друг за другом поверхностей, можно заменить сложное простым - одной линзой, эквивалентной всей системе. Например, «приведенный редуцированный глаз» - это одна линза как модель всей оптической системы глаза.

Последовательное применение соотношений (3) и (4) требует внимательного отношения к знаку радиуса кривизны и значению относительного показателя преломления на каждой преломляющей поверхности.
1   2   3   4

Похожие:

Оптика развитие представлений о природе света iconСодержание: История развития оптики
Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска...
Оптика развитие представлений о природе света iconОптика. Основы квантовой механики. Физика атома и атомного ядра
Элементы волновой теории света. Интерференция света. Электромагнитная природа света. Когерентность и монохроматичность световых волн....
Оптика развитие представлений о природе света iconКурс лекций, II семестр, 34 часа Оптика. Физика атома
Электромагнитная природа света. Оптический и видимый диапазон электромагнитных волн. Волновое уравнение. Скорость света. Гармоническая...
Оптика развитие представлений о природе света icon"Дисперсия света."
Цель урока: сформировать у обучающихся единое, целое представление о физической природе явления дисперсии света, рассмотреть условия...
Оптика развитие представлений о природе света iconВведение предмет квантовой физики
Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света – дуализмом света, вторая – с невозможностью...
Оптика развитие представлений о природе света iconВолновая и квантовая оптика
Какое из явлений: дифракция, интерференция, дисперсия или поляризация света обуславливает: радужную окраску пленок нефти на водной...
Оптика развитие представлений о природе света iconКорпускулярно-волновой дуализм
Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две...
Оптика развитие представлений о природе света iconПервые художники Земли
Цель урока: формирование представлений о первобытной культуре, особенностях первобытного искусства, развитие навыков анализа представленных...
Оптика развитие представлений о природе света iconАкимкин Сергей Николаевич Начальник отдела отчетности по ценным бумагам ОАО "автоваз"
Оао "нпо "Оптика" (Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Оптика")
Оптика развитие представлений о природе света icon«вода. Круговорот воды в природе. Свойства воды»
Способствовать накоплению у детей конкретных представлений о свойствах, формах и видах воды
Разместите кнопку на своём сайте:
kk.convdocs.org



База данных защищена авторским правом ©kk.convdocs.org 2012-2019
обратиться к администрации
kk.convdocs.org
Главная страница