№6 оптика

1.

Лекция №1
Геометрическая оптика
1. Основные законы геометрической оптики
2. Линзы. Формула тонкой линзы. Построение
изображения в тонкой линзе.

2.

1.
Основные законы геометрической оптики.
Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую
природу света, а также его взаимодействие с веществом.
Учение о свете принято делить на три части:
1)геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит
представление о световых лучах;
2)волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются
волновые свойства света;
3)квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с
веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства
света.

3.

1)Закон прямолинейного распространения света: в
оптически однородной среде свет распространяется
прямолинейно.
2)Закон независимости световых лучей: в оптически
однородной среде световые лучи при пересечении не возмущают
друг друга. Пересечение лучей не мешает каждому из них
распространяться независимо друг от друга.
3)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.
4)Закон преломления света: 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:

4.

1
2
n1
n2
3
n2
sin
n
sin
n1
Постоянную величину n называют относительным показателем
преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления
среды относительно вакуума называют абсолютным показателем
преломления.

5.

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c
в вакууме к скорости света в среде:
n
n2
c 1 1
n
n1 2 c 2
c
n
1
2

6.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют
оптически менее плотной.
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически
менее плотную n2 n1 (например, из стекла в воздух) можно
наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение
преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения,
превышающих некоторый критический угол пр , который называется
предельным углом полного внутреннего отражения.
1
sin пр
n

7.

Явление полного внутреннего отражения
находит применение во многих оптических
устройствах.
Наиболее
интересным
и
практически важным применением является
создание волоконных световодов, которые
представляют собой тонкие (от нескольких
микрометров до миллиметров) произвольно
изогнутые нити из оптически прозрачного
материала (стекло, кварц). Свет, попадающий
на торец световода, может распространяться
по нему на большие расстояния за счет
полного внутреннего отражения от боковых
поверхностей
(рис).
Научно-техническое
направление, занимающееся разработкой и
применением
оптических
световодов,
называется волоконной оптикой.
При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения
нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую
поверхность.

8.

2. Тонкие линзы
Линзы - это прозрачные тела, ограниченные двумя поверхностями,
преломляющими световые лучи, способные формировать
оптические изображения предметов.
Материалом для линз служат стекло, кварц, кристаллы, пластмассы и т.п.
По внешней форме линзы делятся на:
1) Двояковыпуклые
4) Плосковогнутые
2) Плосковыпуклые
5) выпукло-вогнутые
3) Двояковогнутые
6) вогнуто-выпуклые
По оптическим свойствам линзы делятся на собирающие и
рассеивающие.
Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая
линза, наоборот, в средней части тоньше.

9.

Линза называется тонкой, если ее толщина (расстояние между
ограничивающими поверхностями) значительно меньше по
сравнению с радиусом поверхностей, ограничивающих линзу.
O
O1
F
F
O2
Прямая, проходящая через центры кривизны O1 и O2 сферических
поверхностей, называется главной оптической осью линзы. Точка О
оптический центр линзы. Луч света проходит через оптический центр
линзы, не отклоняясь от первоначального направления.
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
собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые.

10.

Уравнение тонкой линзы
1 1
1
N 1 Ф D
f
R1 R2
- оптическая сила линзы.
1
1 дптр
1м
1 1 1
f a b

11.

б) построение изображений в линзах
Построение изображения в собирающей линзе.

12.

Построение изображения в рассеивающей линзе.

13.

Волновая оптика .
1. Интерференция света. Условия max и min
интерференционной картины. Методы наблюдения
интерференции света.
2. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля.
3. Дисперсия света.
4. Поляризация света.

14.

1 вопрос - Интерференция света. Условия max и min
интерференционной картины.
Интерференция света – это явление, возникающее при
наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в
результате чего происходит пространственное
перераспределение светового потока и в одних местах
пространствах возникают максимумы, а в других минимумы
интенсивности света
С интерференционными
явлениями мы сталкиваемся
довольно часто: цвета
масляных пятен на асфальте,
окраска замерзающих
оконных стекол,
причудливые цветные
рисунки на крыльях
некоторых бабочек и жуков –
все это проявление
интерференции света.

15.

условие интерференционного максимума.
m 0
m 0,1, 2,... ,
оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме
условие интерференционного минимума.
оптическая разность хода равна не целому числу волн в вакууме
2m 1
0
2
m 0,1, 2,... ,

16.

Методы наблюдения интерференции света.
Метод Юнга.

17.

2. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Дифракцией называется огибание волнами препятствий,
встречающихся на их пути, или в более широком смысле –
любое
отклонение
распространения
волн
вблизи
препятствий от законов геометрической оптики.
Явление дифракции волн может быть объяснено с
помощью принципа Гюйгенса. Согласно этому
принципу, каждая точка до которой доходит волна,
служит центром вторичных волн, а огибающая
этих волн дает положение волнового фронта в
следующий момент времени.

18.

Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить
только положения волновых фронтов в последующие моменты
времени, т. е. определять направление распространения волны.
Гипотезу Гюйгенса об огибающей вторичных волн Френель заменил
физически ясным положением, согласно которому вторичные
волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом.

19.

Дифракционная решетка – это
система
параллельных
щелей
равной ширины, лежащих в одной
плоскости и разделенных равными
по
ширине
непрозрачными
промежутками.
При прохождении через дифракционную решетку световая
волна длиной λ на экране будет давать последовательность
минимумов и максимумов интенсивности. Максимумы
интенсивности будут наблюдаться под углом φ:
d sin m
где m – целое число, называемое порядком дифракционного
максимума.

20.

Положение главных max зависит от длины волны . Поэтому
при пропускании белого света через решетку все max, кроме
центрального (m=0), разложатся в спектр, фиолетовой
областью внутрь, красной – наружу. Это свойство
дифракционной решетки используется для исследования
спектрального состава спектра (определение длин волн и
интенсивностей всех монохроматических компонентов).

21.

3 вопрос – Дисперсия света.
Зависимость показателя преломления n вещества от частоты
(длины волны) света или фазовой скорости c / n
световых волн от его частоты называется дисперсией света:
n f ( )
Следствием дисперсии света является разложение белого
света в спектр при прохождении через призму
Угол отклонения лучей призмой
зависит от показателя преломления
n, а n от , поэтому лучи разных
длин волн после прохождения
призмы отклоняются на разные
углы (т.е. белый свет разлагается в
спектр).

22.

Объяснение дисперсии света дает электронная теория Лоренца, в
которой дисперсия света рассматривается как результат
взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами,
входящими в состав вещества и совершающими вынужденные
колебания в переменном электромагнитном поле волны.
Структура спектров испускания и поглощения определяется
составом и строением молекул, поэтому изучение спектров
является одним из основных методов количественного и
качественного исследования вещества.

23.

4 вопрос – Поляризация света. Закон Малюса.
Следствием теории Максвелла является поперечность
световых волн: Е H
Для описания поляризации достаточно знать поведение
одного из векторов – светового ( E )

24.

Естественный свет – это свет со всевозможными
равновероятными направлениями колебаний вектора
напряженности электрического поля (значит и вектора
напряженности магнитного поля).
Свет, в котором направления колебаний светового вектора
каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.
Свет с преимущественным (но не исключительным!)
направлением колебаний вектора Е называется частично
поляризованным светом.
Свет, в котором световой вектор колеблется только в одном
направлении, перпендикулярно лучу называется
плоскополяризованным светом.

25.

25

26.

Степенью поляризации называется величина
I max I min
Р
I max I min
Где I max и I min - максимальная и минимальная интенсивности
частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.
Для естественного света I max I min и Р 0
Для плоскополяризованного
I min 0
Р 1