Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
 Скачать 4.41 Mb.
|
|
21.4. Недостатки (аберрации) оптических систем. При построении изображения малого предмета в тонкой линзе мы пользовались параксиальным пучком света. Кроме того, лучи параксиального пучка составляли небольшие углы с главной оптической осью. Далее, падающий свет считали монохроматическим, а показатель преломления материала линзы – не зависящим от длины волны падающего света. На практике все эти условия не соблюдаются и возникают соответствующие недостатки оптических систем. Коротко остановимся на некоторых из них. Если же пучок света, исходящий из источника S, составляет большой угол с главной оптической осью, то лучи, составляющие разные углы, пересекают оптическую ось не в одной точке, а в разных точках. расстояниях от центра линзы. Тогда на экране, расположенном перпендикулярно главной оптической оси, вместо стигматического точечного изображения получается расплывчатое пятно. Такая погрешность, связанная со сферичностью преломляющих поверхностей, называется сферической аберрацией. Из-за явления дисперсии (зависимости показателя преломления от длины волны) для данной линзы фокусы для разных цветов будут смещены друг относительно друга. В результате этого изображение белого пятна получается цветным. Чередование цветов зависит от положения экрана наблюдения, а соответствующее искажение носит название хроматической аберрации. В случае, когда лучи, участвующие в построении изображения, образуют достаточно большие углы с главной оптической осью, увеличение системы зависит от угла между пучком и главной оптической осью. В этом случае изображение не является подобным предмету. Поэтому, например, предмет в виде правильного квадрата изображается в искаженном виде – в виде подушки, бочки или еще более сложной фигуры. Недостатки такого рода называются дисторсией. Лучи, идущие от точечного объекта, лежащего вне оптической оси системы, могут образовывать в плоскости изображения в двух взаимно перпендикулярных направлениях сложное несимметричное пятно рассеяния, напоминающее по виду комету с хвостом. Поэтому подобная аберрация во внеосевых пучках была названа комой. Кома обусловлена как сферичностью поверхности, так и удаленностью точки от оси, в результате чего построение изображения производится внеосевыми (наклонными) пучками. Астигматизм наклонных пучков заключается в том, что лучи одного и того же пучка, исходящие из точки и идущие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после преломления в оптической системе, теряя гомоцентричность, не собираются в одну точку, а образуют две точки схода. В результате этого изображение точки имеет вид пятна рассеяния, форма которого зависит от положения экрана наблюдения. Вопросы для самоконтроля: 1. Сформулируйте закон прямолинейного распространения света. 2. Что такое световой луч? 3. Что называют углом падения? углом отражения? 4. Сформулируйте законы отражения света, законы преломления света. 5. Что называют абсолютным (относительным) показателем преломления? 6. Что называют предельным углом полного отражения? 7. В чем различие собирающих и рассеивающих линз? 8. Какая линза называется тонкой? 9. Что такое фокусное расстояние линзы, оптическая сила линзы? 10. Как осуществляется построение изображения предметов в линзах? 11. Напишите формулу тонкой линзы. Лекция № 22. Волновая оптика Цель: рассмотреть оптические явления, связанные с волновой природой света и дать им объяснение. Основные понятия: Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения двух когерентных световых волн. Когерентность – согласованность во времени двух волновых процессов, проявляющаяся при их сложении. Дифракция света – отклонение света от направления прямолинейного распространения при прохождении вблизи препятствий. Зоны Френеля – участки, на которые можно разбить поверхность световой волны для вычисления результатов дифракции света. Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора. Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя вещества от частоты (или длины волны) света. Спектр – многоцветная полоса, получающаяся при прохождении светового луча через призму или другую преломляющую свет среду; распределение энергии светового излучения по частотам или длинам волн. 22.1. Интерференция света. Свет представляет сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света, изучается разделом оптики – волновой оптикой. Волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. После открытия этих явлений на них даже смотрели сначала как на доказательство исключительно волновой природы света. Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой колеблются два вектора – напряженности электрического и напряженности магнитного полей. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора, о котором говорят как о световом векторе. Явление интерференции света состоит в сложении световых пучков, что ведет к образованию системы светлых и темных полос. Из явления интерференции следует, что два световых потока, накладываясь, могут не только усиливать, но и ослаблять друг друга. Это свойство световых потоков непосредственно указывает на их волновую природу: две системы волн усиливают друг друга там, где гребни волн одной системы попадают на гребни другой и провалы на провалы, и ослабляют друг друга в тех местах, где гребни накладываются на провалы. Рассмотрим два световых пучка. Пусть  – напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком в произвольной точке C области перекрытия, а  – вторым. Согласно принципу суперпозиции, результирующая напряженность поля в той же точке C, создаваемая обоими пучками, будет представляться векторной суммой  . Все приемники света могут измерять только усредненные по времени величины, квадратичные по полю. Такая величина в оптике называется интенсивностью света и обозначается через I  .Найдем теперь интенсивность света в точке С. Возведя равенство в квадрат и произведя усреднение по времени, получим  ,где I1 – интенсивность света первого пучка, а I2 – второго. Последнее слагаемое  , учитывающее взаимодействие пучков, называется интерференционным членом. Если взять независимые источнику света, например две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что  , т. е. результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в нуль. Тогда говорят, что пучки не коррелированны или не когерентны между собой. Однако, если накладывающиеся пучки не независимы, например один получается отражением другого от зеркала, то в некоторых случаях интерференционный член I12 не обращается в нуль, а потому  . В одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других меньше суммы интенсивностей I1 и I2. Вообще говоря, колебания, удовлетворяющие условиям, при которых разность фаз остается постоянной величиной называются когерентным. Ясно, что колебания, происходящие с разными частотами, не могут быть когерентными. Однако не все колебания, частоты которых одинаковы, являются когерентными. Когерентные световые пучки были впервые использованы Юнгом в следующем опыте: малое отверстие А в непрозрачном экране освещалось интенсивным источником. Согласно принципу Гюйгенса, оно становится новым источником полусферических волн. Эти волны падают на два следующих малых отверстия В1 и В2, которые, в свою очередь, становятся источниками волн, пер  екрывающих друг друга в области D. Так как колебания в отверстиях В1 и В2 вызываются одной и той же падающей на них волной, то они совершаются в одинаковой фазе и с одинаковыми амплитудами. Волны, исходящие из точек В1 и В2 сходятся в каждой точке области D с разностью хода, определяемой пройденными ими путями. В зависимости от этой разности хода они усиливают или ослабляют друг друга. Таким образом, наблюдается чередование светлых и темных полос. Рассмотрим этот эксперимент подробнее. Пусть имеем два когерентных источника, расположенных в точках В1 и В2 на расстоянии d друг от друга, колеблющихся с одинаковой частотой и в одной фазе. Когерентные волны, исходящие из этих источников, встретятся в некоторой точке экрана С. Р  ассматриваемые в точке С колебания описываются уравнениями:  , ,где E0 – амплитуды колебаний в точке C (для простоты считаем их равными). Положим, что оба колебания происходят перпендикулярно плоскости чертежа. После сложения колебаний в точке C имеем  ,где  – амплитуда колебания в точке С. По известной амплитуде можно определить результирующую интенсивность: .Данная формула выражает зависимость результирующей интенсивности в каждой точке экрана DD от разности хода слагаемых волн. Причем, максимальная освещенность наблюдается, когда волны одинаковых периодов максимально усиливают друг друга при разности хода , равной целому числу длин волн :  , где m – целое число, а минимальная освещенность – когда волны максимально ослабляют друг друга при разности хода, равной нечетному числу длин волн:  . |