Оптика. Что такое оптика. Что такое оптика
 Скачать 264.81 Kb.
|
|
Что такое оптика В обыденной речи слово «свет» мы используем в самых разных значениях: свет мой, солнышко, скажи; ученье – свет, а неученье – тьма. В физике этот термин имеет более определённое значение. Свет или видимое излучение – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения. Такой способностью обладают волны только с определёнными частотами: 4·1014 – 8·1014 Гц (см. § 11-е). Однако, например, пчёлы способны видеть ультрафиолет из диапазона 8·1014 – 300·1014 Гц. А специальные приборы «ночного видения» воспринимают окружающий мир благодаря его инфракрасному излучению с частотой менее 4·1014 Гц. Три названных вида излучения обладают многими схожими свойствами. Поэтому видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения объединяют общим названием оптические излучения, а раздел физики, занимающийся их изучением, называют оптикой. По способу происхождения излучения все источники света разделяют на тепловые и люминесцентные. Тепловые источники имеют высокую температуру. Например, всякое тело, нагретое выше 500 °С, испускает свет красного цвета, выше 1000 °С – жёлтого, выше 1500 °С – белого. В отличие от тепловых, люминесцентные источники света имеют невысокую температуру, например, дисплей мобильного телефона, экран телевизора, насекомые-светлячки, а также специальные твёрдые и жидкие вещества. Обычно источники испускают свет одновременно во всех направлениях, как, например, свеча или лампа. Но если её закрыть непрозрачным корпусом с отверстием, то свет будет распространяться в виде светового пучка, расширяющегося по мере удаления от источника. Например, на фотографии справа вы видите пучок света от шахтёрского фонаря. Строго говоря, пучки света невидимы. Однако на обеих фотографиях на этой странице мы явственно «их» различаем. Почему? Дело в том, что воздух в комнате, а, тем более, в шахте, всегда содержит мелкие частицы влаги и пыли. Ярко освещённые, они сливаются в полупрозрачную пелену: желтоватую – если свет жёлтый, розовую – если свет красный и голубую – если свет синий. Если на пучок посмотреть вблизи, то можно разглядеть отдельные пылинки, а промежутки между ними будут тёмными. Как вы думаете, оказывают ли влияние друг на друга пересекающиеся пучки света? Чтобы ответить на вопрос, проделаем опыт. Возьмём два проектора, расположив их так, чтобы световые пучки пересекались. Вы видите, что синие лучи правого проектора проходят сквозь красные лучи левого, однако это не приводит к искажениям на экране: ни по цвету, ни по очертаниям проецируемых объектов. Итак, закон независимости распространения света утверждает, что световые пучки, пересекаясь, не влияют друг на друга. Этот закон справедлив для световых пучков небольшой интенсивности (к ним относятся свет большинства окружающих нас источников). Пучки света, например, от мощных лазеров промышленного или научного назначения, могут оказывать влияние друг на друга: для них закон независимости распространения света не всегда будет справедливым. § 14-б. Прямолинейное распространение света Изображая распространение света на чертежах, световые пучки заменяют лучами. Световой луч – это линия, указывающая преобладающее направление распространения энергии электромагнитной волны в пучке света. Световой луч является геометрической моделью пучка света. Характерной особенностью светового луча является его прямолинейность, если свет распространяется в однородной среде. Проделаем опыт. В аквариум нальём воды, добавим каплю молока и перемешаем воду, чтобы она стала мутной. Направим на аквариум луч лазера. Мы увидим, что луч прямолинеен, пока он распространяется в однородной среде – в воздухе или в воде (см. рис. «а»). Теперь при помощи шланга, опущенного в нижнюю часть аквариума, вольём раствор соли. Его плотность больше плотности воды, поэтому раствор заполнит нижнюю часть аквариума. Однако жидкости частично смешаются друг с другом, и в аквариуме образуется неоднородная среда: плотность его содержимого будет возрастать сверху вниз. Снова включим лазер. Мы обнаружим, что пока луч идёт в воздухе, то есть однородной среде, он распространяется прямолинейно. На границе раздела сред (воздуха и аквариума) луч преломляется. В неоднородной среде луч распространяется криволинейно, и чем ближе к дну аквариума, тем заметнее искривление луча. Однако после выхода в однородную среду, воздух, луч опять становится прямолинейным (см. рис. «б»). Итак, закон прямолинейного распространения света утверждает, что лучи света, распространяющегося в прозрачной однородной среде, являются прямыми линиями. Образование тени и полутени. Для знакомства с этими явлениями проделаем опыты. Электрическую лампу с прозрачным стеклом, мяч и экран подвесим на одной линии. Включив лампу, мы увидим на экране тень мяча (рис. «а»). При этом правее мяча между ним и экраном находится область тени, в которую световые лучи не проникают вообще. Возьмём теперь лампу с «матовым» стеклом. Мы увидим, что теперь на экране есть не только тень, но и полутень (рис. «б»). Аналогично, между мячом и экраном существует как область тени, куда лучи не проникают вообще, так и область полутени, куда проникают лишь некоторые лучи света. Почему же возникла полутень? В первом опыте источником света служила спираль лампы. Она имела небольшие размеры по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами. Поэтому спираль можно считать точечным источником. Во втором опыте свет испускался уже не спиралью, а баллоном лампы. Его размерами по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами уже нельзя пренебрегать. Поэтому баллон следует считать протяжённым источником. От каждой его точки исходят лучи, некоторые из которых попадают в прежнюю область тени, подсвечивая её края и превращая в полутень. Она расположена между красной и синей линиями (рис. «в»). Как видите, оба рассмотренных явления: образование тени и образование полутени являются экспериментальными подтверждениями закона прямолинейного распространения света. § 14-в. Отражение света В предыдущем параграфе мы изучили распространение света в одной и той же оптической среде. Теперь перейдём к изучению явлений, связанных с распространением света на границе раздела двух сред. Проделаем опыт. На зеркало, лежащее на столе, поставим полуоткрытую книгу и слева направим пучок света (см. рисунок). В темноте мы увидим падающий и отражённый пучки света. Накроем зеркало листом бумаги. Теперь мы будем видеть падающий пучок, а отражённого пучка не будет. Получается, что свет не отражается от бумаги? Приглядимся к рисункам внимательнее. Заметьте, когда свет падает на открытое зеркало, книга освещена очень слабо. Но когда свет падает на лист бумаги, книга освещается гораздо ярче, особенно в нижней части. Следовательно, книгу освещают лучи, отражённые бумагой. Как следует из этого опыта, при отражении света возможны два варианта. 1. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею также в виде пучка (см. левый чертёж). Такое явление называют зеркальным отражением. 2. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во множестве направлений. Такое явление называют рассеянным отражением или просто рассеянием света (см. правый чертёж). Зеркальное отражение возникает на очень гладких поверхностях, их называют зеркальными (например, ровное стекло, поверхность воды на озере в безветренную погоду). Если же поверхности шероховатые, их называют матовыми, и они обязательно будут рассеивать свет. Это мы и наблюдали, накрывая зеркало бумагой. Она отражала свет, рассеивая его по всевозможным направлениям, в том числе и на книгу, освещая её. Закон отражения света. Чтобы сформулировать закон, которому подчиняется отражение света, введём несколько определений.
При отражении света всегда выполняются две закономерности, вместе составляющие закон отражения света: а) луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча лежат в одной плоскости; б) угол падения равен углу отражения. Каждое из утверждений закона отражения света подтверждается многочисленными опытами, одним из которых служит опыт с зеркалом, описанный в начале параграфа. С помощью транспортира вы легко убедитесь, что угол падения равен углу отражения. А, подняв бумагу с зеркала, легко увидеть, что падающий и отражённый лучи вместе с перпендикуляром к зеркалу в точке излома луча лежат в одной плоскости – листа бумаги, если его расположить перпендикулярно зеркалу. Закон отражения является справедливым как для зеркального, так и для рассеянного отражения света. Обратимся ещё раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, они расположены так, что углы отражения равны углам падения. Закон отражения света выполняется не только в воздухе, но и в вакууме, а также внутри жидкостей и твёрдых тел, которые прозрачны для оптических излучений. Например, надев маску для ныряния и сев на дно мелководного озера или реки, в солнечный день мы увидим отражение дна или проплывающих мимо рыб от поверхности воды под водой.
Кроме плоских зеркал, существуют сферические, параболические, эллиптические и другие зеркала. Они применяются в прожекторах и телескопах. Сферические зеркала представляют собой часть шарообразной поверхности и могут быть выпуклыми или вогнутыми (см. рисунок-чертёж).
Направим параллельные лучи на выпуклое зеркало (левый чертёж). После отражения лучи станут расходящимися. Поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим зеркалом. Направим теперь лучи на вогнутое зеркало (правый чертёж). Сразу же после отражения лучи станут сходящимися. Поэтому вогнутое зеркало называют собирающим зеркалом. Точки F и F' называют главными фокусами зеркала. Фокус выпуклого (рассеивающего) зеркала является мнимым, так как световые лучи через него не проходят. Фокус вогнутого (собирающего) зеркала является действительным, так как через него лучи проходят Изображения предметов в выпуклом зеркале всегда уменьшенные. Например, на левом рисунке видно, что размеры изображений чашек значительно меньше размеров самих чашек. При помощи вогнутого зеркала можно получить увеличенные изображения предметов. Взгляните на правый рисунок. Размеры всех изображений больше размеров самих предметов. Наряду с изменением размеров изображений аналогичным образом изменяются расстояния между ними. На среднем рисунке для сравнения показано отражение в плоском зеркале.
Закон преломления света. Чтобы рассмотреть этот закон, введём определения. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом падения (a). Аналогично, угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом преломления (g). При преломлении света всегда выполняются закономерности, составляющие закон преломления света: 1. Луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к границе раздела сред в точке излома луча лежат в одной плоскости. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – постоянная величина, не зависящая от углов: 
Применяют и качественную трактовку закона преломления света: при переходе света в оптически более плотную среду луч отклоняется к перпендикуляру к границе раздела сред. И наоборот.
Линзой можно не только собирать или рассеивать лучи. При помощи линз можно получать увеличенные и уменьшенные изображения предметов. Например, благодаря собирающей линзе на экране получается увеличенное и перевёрнутое изображение золотой статуэтки (см. рисунок).
Ситуация, когда расстояние d от предмета до линзы больше её фокусного расстояния F, но меньше двойного фокусного расстояния 2F, описана во второй строке таблицы. Именно это мы и наблюдаем со статуэткой: её изображение действительное, перевёрнутое и увеличенное.
Если изображение действительное, его можно спроецировать на экран. При этом изображение будет видно из любого места комнаты, из которого виден экран. Если изображение мнимое, то его нельзя спроецировать на экран, а можно лишь увидеть глазом, располагая его определённым образом по отношению к линзе (нужно смотреть «в неё»). Опыты показывают, что рассеивающие линзы дают уменьшенное прямое мнимое изображение при любом расстоянии от предмета до линзы.
Поскольку фокус собирающей линзы всегда действительный, а фокус рассеивающей линзы всегда мнимый, оптическую силу определяют так:
Другими словами, оптическая сила линзы равна обратному значению её фокусного расстояния, взятому с «+», если линза собирающая, и взятому с «–», если линза рассеивающая. Единица оптической силы – диоптрия (1 дптр = 1/м). С учётом введённого обозначения получим:
Это равенство называют формулой тонкой линзы.Опыты по её проверке показывают, что она справедлива только в том случае, если линза относительно тонкая, то есть её толщина в средней части мала по сравнению с расстояниями d и f. Кроме того, если изображение, даваемое линзой, мнимое, перед величиной f необходимо использовать знак «–». Задача. Линзу с оптической силой 2,5 дптр поместили на расстоянии 0,5 м от ярко освещённого предмета. На каком расстоянии следует поместить экран, чтобы увидеть на нём чёткое изображение предмета? Решение. Поскольку оптическая сила линзы положительна, следовательно, линза является собирающей. Определим её фокусное расстояние: F = 1/D = 1 : 2,5 дптр = 0,4 м, что больше, чем F. Поскольку F < d < 2F , линза даст действительное изображение, то есть его можно увидеть на экране (см. таблицу § 14-е). Вычисляем:
Ответ: экран необходимо поместить на расстоянии 2х метров от линзы. Примечание: задача решена алгебраически, однако мы получим тот же результат и геометрическим путём, приложив к чертежу линейку.
Глаз. Орган зрения человека является сложным оптическим прибором. Основные части глаза: 1 – склера (плотная наружная оболочка), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (светочувствительная внутренняя задняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.
Одним из особенных свойств хрусталика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталик растягивается и становится менее выпуклым. При этом его преломляющая способность уменьшается, и мы можем чётко видеть более удалённые предметы.
Для исправления близорукости поместим перед глазом рассеивающую линзу (чертёж «в»). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся. В результате он станет похожим на тот пучок, который попадал в глаз в случае «а». Следовательно, изображения окажутся на сетчатке, и близорукий человек отчетливо увидит далёкие предметы. Для дальнозорких людей нужны очки с собирающими линзами.
Цвета тел. На средней фотографии ракетки и теннисный шарик освещены белым светом. Посмотрим на них сквозь зелёное стекло: белый шарик стал зелёным, малиновая ракетка чёрной, а зелёная сохранила свой цвет (фото слева). Если же мы используем красное стекло, то белый шарик станет красным, зелёная ракетка чёрной, а малиновая красной (фото справа). Правая ракетка видится нам зелёной, так как из всего спектра падающего на неё белого света она отражает лишь жёлто-зелёно-голубые лучи, дающие в смеси зелёный цвет. Лучи остальных цветов ракетка не отражает, а поглощает. Аналогично, если левая ракетка видится нам красной, значит, из всего спектра падающего на неё белого света она отражает только жёлто-красно-оранжевые лучи. Лучи других цветов ракетка поглощает.
Теперь объясним, почему ракетки поочерёдно выглядят чёрными: малиновая при рассматривании через зелёное стекло и зелёная – при рассматривании через красное. Оно потому и красное, что поглощает лучи всех цветов, пропуская лишь красно-оранжевые. А поскольку от зелёной ракетки таких лучей не исходит, она выглядит чёрной – от этой ракетки в наши глаза свет не поступает вообще, что наш мозг считает чёрным цветом. Аналогично, зелёное стекло поглощает лучи всех цветов, кроме сине-зелёно-жёлтых. Поэтому, наблюдая красную ракетку сквозь него, мы не видим испускаемого ею света – она выглядит чёрной. Подтверждением такого объяснения поглощения цветного света служат опыты по измерению количества теплоты (см. § 6-в). Например, при пропускании красного цвета через красное и зелёное стёкла, в зелёном выделится больше теплоты, что говорит о более интенсивном поглощении им энергии света. И наоборот. Вместо цветных стёкол можно использовать и цветные фонари. Результат будет аналогичным: зелёный предмет, освещаемый красным светом, будет поглощать больше энергии. СПЕКТРЫ И СПЕКТР, ПРИБОРЫ
Для наблюдения спектров служит прибор спектроскоп (см. рисунок). Он состоит из двух труб: щелевой (2) и зрительной (6), а также округлой коробочки с треугольной призмой (4). Первая труба имеет щель (1), выделяющую узкую полоску изучаемого света, и линзу (3), направляющую лучи параллельно на призму. Вторая труба содержит линзу (5), позволяющую спроецировать спектр на матовый экран (7).
Применяя призмы из кварца или каменной соли, можно изучать спектральные линии не только в видимой, но и в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Cпектроскопы используют для анализа выбрасываемых в атмосферу газов, состава полезных ископаемых, изучения небесных тел и во многих других случаях.
На эти и другие вопросы ответы смогла дать только квантовая физика, к изучению которой мы приступаем в следующей теме. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
