конспекты по физикке. 15. 1 Упругие волны

• Название: 15. 1 Упругие волны
• Анкор: конспекты по физикке
• Дата: 22.01.2023
• Размер: 0.98 Mb.
• Имя файла: FIZIKA.docx
• Тип: Документы; #898940
• страница: 3 из 5

17.13 Построение изображений в тонкой линзе.

1. Пусть точка А находится на расстоянии d > 2F от тонкой собирающей линзы MN (рис. 1). Из этой точки выходит световой пучок; часть его, заштрихованная на рисунке, вырезается линзой. Этот пучок собирается в точке А', которая служит изображением точки А. Чтобы найти положение точки А', выберем два луча, ход которых нам известен:

• 
  луч AM, параллельный главной оптический оси; после преломления в линзе он пройдет через ее задний фокус F'
  
• 
  луч AN, проходящий через передний фокус линзы F; после преломления в ней он окажется параллельным ее главной оптической оси. На пересечении этих лучей и находится точка А'.
  

рис.1

2. Итак, имеется три характерных луча, ход которых нам известен:

• 
  луч, параллельный главной оптической оси линзы, после преломления в ней идет через ее фокус;
  
• 
  луч, идущий через фокус линзы, после преломления в ней идет параллельно ее главной оптической оси;
  
• 
  луч, проходящий через центр тонкой линзы (побочная оптическая ось), идет далее не преломляясь.
  

С помощью любых двух лучей из этих трех можно построить изображение А или В' любой точки А или В и тем самым изображение А В' предмета АВ как совокупности точек.

17.14 Глаз как оптическая система.

1. Органом зрения является глаз. Его устройство схематически изображено на рис. 1

Наружную оболочку глазного яблока образует склера 7; она защищает внутреннее содержимое глаза и сохраняет его жесткость. На передней поверхности склера переходит в тонкую прозрачную роговицу 3, через которую в глаз проникает свет. За роговицей расположена радужная оболочка 2 с отверстием — зрачком 4. Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окрашенное пигментом. Это кольцо, растягиваясь или сжимаясь, меняет размеры зрачка и тем самым световой поток, попадающий в глаз.

рис.1

Сетчатка 8 представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток, имеющих форму колбочек или палочек. Всего в глазу 125 млн. палочек и 6,5 млн. колбочек. Эти светочувствительные клетки находятся на задней поверхности сетчатки, которая лежит на сосудистой оболочке 9. В некоторой области сбоку от оптической оси нервные клетки сетчатки объединяются и образуют зрительный нерв 12, выходящий из глаза. В этом месте нет ни палочек, ни колбочек, поэтому оно образует нечувствительное к свету слепое пятно 11. В центре сетчатки, на оптической оси, находится центральная ямка 10 — область наибольшей остроты зрения. Здесь сосредоточены светочувствительные колбочки, с помощью которых глаз ощущает цвета. В остальных участках сетчатки расположены в основном палочки.

2. Глаз должен одинаково хорошо видеть предметы, расположенные на разных расстояниях от него. При изменении расстояния от предмета до глаза на сетчатке должно получиться четкое изображение. Согласно формуле линзы, такое возможно лишь в том случае, если одновременно с этим меняется фокусное расстояние / оптической системы. Изменение оптической силы глаза D и его фокусного расстояния происходит за счет изменения радиусов кривизны поверхности хрусталика. Это явление называют аккомодацией.

3. Две точки изображения будут восприниматься раздельно, если они попадут на две разные светочувствительные клетки сетчатки. В противном случае они будут возбуждать лишь одну клетку. Принято говорить, что глаз не разрешает две разные точки предмета, если их изображения получаются на одном светочувствительном элементе сетчатки. Разрешающая способность глаза оценивается по минимальному углу зрения <р0, под которым при хорошем освещении две точки еще видны отдельно.

рис.2

17.15 Телескоп.

1. Телескоп служит для увеличения утла зрения при рассмотрении деталей удаленных предметов. Существуют различные конструкции телескопов. Рассмотрим ход лучей в трубе Кеплера (рис. 1).

Пусть предмет ЛВ расположен далеко от объектива с фокусным расстоянием foQ, причем точка В расположена на оптической оси системы, точка А — над осью. Предмет виден невооруженным глазом под углом зрения (р0. Изображение А'В' предмета возникает практически в фокальной плоскости объектива. Пусть h — размер этого изображения (АВ' = И).

Расположим теперь окуляр с фокусным расстоянием f0K таким образом, чтобы передний фокус окуляра совпал с задним фокусом объектива Уоб. Тогда через окуляр в глаз попадает параллельный пучок света под углом зрения (р > (р0.

Угловое увеличение телескопа



Для получения значительных увеличений в телескопах используют длиннофокусные объективы и короткофокусны окуляры. рис.1

2. Весь световой поток, выходящий из окуляра, должен попасть на сетчатку. Следовательно, нужно подобрать такие диаметры объектива и окуляра, чтобы выходящий из трубы пучок света перекрыл либо весь зрачок глаза, либо его часть. Если пучок окажется шире зрачка, то часть энергии будет бесполезно рассеиваться радужной оболочкой глаза и фактически изображение будет давать не весь объектив, а лишь часть его.

3. Телескопы, объективом которых служат линзы, называют рефракторами (от лат. refractus — преломленный). Рефракторы изготавливаются с максимальным диаметром 1 м. Изготовление линз с большими диаметрами наталкивается на огромные технические трудности.

Телескопы с зеркальным объективом называют рефлекторами (от лат. reflecte — отражать). Первый зеркальный телескоп построил Ньютон в 1671—1672 гг. Схема телескопа Ньютона показана на рис.2. Параллельный пучок света от далекого источника попадает на зеркало 3 отразившись от него, а затем от вспомогательного зеркала С, которое поворачивает лучи на 90°, пучок фокусируется в точке F, где возникает действительное изображение. Окуляр О работает так же, как и в рефракторе.

рис.2

4. Обычно справедливо говорят, что телескоп нужен «для увеличения». Попытаемся уточнить, что он увеличивает в разных случаях.

Оказывается, что если рассматривается удаленный земной предмет или планета, то действие телескопа сводится к увеличению угла зрения, а это, в свою очередь, приводит к увеличению разрешающей способности

Пусть на линзу падает свет от удаленных точечных источников. Если угловое расстояние между двумя источниками мало, то дифракционные изображения обоих источников частично перекроют- ся и может случиться, что мы не сможем различать картины, относящиеся к разным точкам. На рис.3, а сфотографированы три источника и два из них дают сливающееся изображение.

В этом случае говорят, что линза не разрешает (не позволяет различить) изображения двух точек. Заметим, что последующее увеличение этого изображения уже ничего не дает. если изображения двух или нескольких точек не разрешаются хотя бы в одной линзе, то и весь прибор их не разрешает. Однако если увеличить диаметр линзы, то разрешающая способность увеличится

рис.3

17.16 Призма.

1. Представим себе, что на грань призмы падает параллельный пучок света. Пусть призма изготовлена из вещества оптически более плотного, чем окружающая среда. Тогда пучок, дважды преломившись в призме, отклонится от первоначального направления на некоторый угол в сторону основания призмы.

Рис.1

Рис.2

этого случая изображен на рис. 1, а. Если призма изготовлена из вещества, оптическая плотность которого меньше, чем у окружающей среды, то пучок отклонится в сторону вершины, как это показано на рис. 1, б.

В предыдущем изложении мы полагали, что луч падает на вторую грань призмы под углом, меньшим предельного. Если же окажется, что этот угол больше предельного, то свет от второй грани полностью отразится . Явление полного отражения применяют в оборотных призмах, ход лучей в которых изображен на рис. 2. Призмы с полным внутренним отражением широко применяют в оптических приборах вместо зеркал.

2. Призма является основной частью спектроскопа. Спектроскопом (рис.3) называют прибор, предназначенный для визуального исследования спектрального состава света, испускаемого некоторым источником. Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называют спектрографом. Спектральное разложение производится либо с помощью дифракционной решетки , либо с помощью призмы. Для исследований в видимой области спектра применяют стеклянную оптику, а для ультрафиолетовой или инфракрасной области — оптику из кварца, флюорита или каменной соли.



17.17 Голография

Для получения голограммы пучок света 1 направляют на полупрозрачное зеркало М, которое разделяет его на два пучка. Опорный пучок 2 попадает непосредственно на фотопластинку F предметный пучок 3 освещает объект S и рассеивается на нем. Часть рассеянного света попадает на фотопластинку, где он интерферирует с опорным пучком. Возникающую интерференционную картину фиксируют на фотоэмульсии. Это и есть голограмма.

Заметим, что по своему внешнему виду голограмма нисколько не похожа на объект. Она представляет собой систему интерференционных максимумов и минимумов, аналогичных, например, системе колец Ньютона 



Когерентность и монохроматичность обычных источников света недостаточны для получения голограмм. Именно поэтому в течение полутора десятков лет голография, по словам Габора, находилась в длительной спячке. Лишь в 1960 г. были изобретены оптические квантовые генераторы — лазеры излучающие весьма когерентный свет с длиной цуга, в несколько тысяч раз большей длины цуга от обычных источников света ртутных ламп).

С помощью когерентного света от лазеров удается получить весьма качественные голограммы.

Метод получения цветных голограмм предложил в 1962 г. Ю. Н. Денисюк, удостоенный за эту работу Государственной премии.

Голограмму характеризует значительно большая емкость информации по сравнению с фотоснимком. Так, если на листке фотобумаги или на фотопленке размером 6x9 мм можно поместить одну страницу печатного текста, то на этой же площади можно (в зависимости от качества эмульсии) записать от 100 до

300 голограмм. В настоящее время, при резком росте объема печатной продукции, проблема компактных хранилищ информации становится острой и в будущем станет еще острее. Голографирование позволяет решить эту проблему.

18.1 КВАНТОВАЯ ОПТИКА. Тепловое излучение

Все тела, нагретые до высокой температуры, начинают светиться. Излучение, испускаемое нагретыми телами, называют тепловым. Всякое нагретое тело является источником теплового излучения. 

Каждое тело не только испускает, но и поглощает излучение. Опыты показывают, что в том случае, если температура тела остается постоянной, чем лучше тело излучает при данной температуре, тем лучше оно и поглощает, причем это справедливо для электромагнитных волн любой частоты. Этот результат соответствует закону сохранения энергии.

Спектральная плотность энергетической светимости по определению равна отношению интенсивности светового потока данной длины волны I, (см. § 14.4) к ширине спектрального интервала АХ, т. е. отношению мощности Р_х, излучаемой электромагнитными волнами данной длины, к ширине спектрального диапазона и площади S излучающей поверхности:



Полная лучеиспускательная способность тела R_T складывается из лучеиспускательных способностей всевозможных частот, испускаемых телом:



 Характеристикой способности любого тела поглощать энергию падающего па него света является поглощательная способность

Поглощательная способность показывает, какая доля энергии, доставляемой за единичное время на единичную площадь поверхности тела падающим на него светом с длиной волны X, поглощается телом.

 Тело, которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты, называют абсолютно черным телом.

Кирхгоф установил закон, носящий его имя. Закон Кирхгофа гласит:

отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от материала тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела для данной частоты (данной длины волны) при данной температуре:



18.2 Законы излучения абсолютно черного тела

В 1884 г. Больцман теоретически доказал, что

полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (интенсивность излучения) прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:



Этот закон называют законом Стефана — Больцмана. Экспериментально он был установлен Стефаном в 1879 г. Коэффициент пропорциональности а называют постоянной Стефана. Для абсолютно черного тела



Из закона Стефана — Больцмана следует, что излучение абсолютно черного тела определяется только его температурой.

длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре.



18.3 Фотоэлектрический эффект

 1887 г. Г. Герц обнаружил, что если осветить отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовым излучением, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильное объяснение этому явлению. Опыты В. Гальвакса и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова, проведенные в 1888—1889 гг., позволили выяснить сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом (внешним фотоэффектом или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.

Если от источника света S лучи направить на отрицательно заряженную пластину D, в цепи возникает электрический ток. Его называют фототоком.

 

Экспериментально установлены три закона внешнего фотоэффекта:

 максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

 для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота света v₀, при которой еще возможен внешний фотоэффект;

число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фото- ток насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.

Анализируя свойства электромагнитного излучения, он пришел к выводу, что сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов 

18.4 Фотоэлементы

Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение и технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакуум.



Сила фотототока в вакуумных фотоэлементах обычно мала (от 20 до 80 мкА ? лм’). Для усиления тока используют ударную ионизацию газа (см. § 10.10). С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под низким давлением около 1 — 10 Па. За счет ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз.

Существуют светочувчтвительные полупроводники, повышение электропроводности в которых вызывается облучением светом очень малых частот, лежащих в далекой инфракрасной области спектра. Такое тепловое излучение испускается нагретыми телами. Тем самым присутствие даже слабо нагретых тел может быть обнаружено на больших расстояниях по тому действию, которое оказывает их излучение: в электрической цепи со светочувствительным полупроводником возрастает электропроводность. С помощью усилителей такой ток может быть доведен до значений, позволяющих обнаружить нагретое и излучающее тело.