Оптика- це розділ фізики, що вивчає природу світлового випромінювання, його поширення та взаємодія з речовиною. Світлові хвилі - це електромагнітні хвилі. Довжина хвилі світлових хвиль укладена в інтервалі. Хвилі такого діапазону сприймаються людським оком.

Світло поширюється уздовж ліній, званих променями. У наближенні променевої (або геометричної) оптики нехтують кінцівкою довжин хвиль світла, вважаючи, що λ → 0. Геометрична оптика в багатьох випадках дозволяє досить добре розрахувати оптичну систему. Найпростішою оптичною системою є лінза.

При вивченні інтерференції світла слід пам'ятати, що інтерференція спостерігається тільки від когерентних джерел і що інтерференція пов'язана з перерозподілом енергії в просторі. Тут важливо вміти правильно записувати умову максимуму і мінімуму інтенсивності світла і звернути увагу на такі питання, як кольори тонких плівок, смуги рівної товщини і рівного нахилу.

При вивченні явища дифракції світла необхідно усвідомити принцип Гюйгенса-Френеля, метод зон Френеля, розуміти, як описати дифракційну картину на одній щілині і на дифракційної решітці.

При вивченні явища поляризації світла потрібно розуміти, що в основі цього явища лежить поперечності світлових хвиль. Слід звернути увагу на способи отримання поляризованого світла і на закони Брюстера і Малюса.

Таблиця основних формул з оптики

Фізичні закони, формули, змінні	формули оптики
Абсолютний показник заломлення де с - швидкість світла у вакуумі, з = 3 · 108 м / с, v - швидкість поширення світла в середовищі.
Відносний показник заломлення де n 2 і n 1 - абсолютні показники заломлення другого і першого середовища.
закон заломлення де i - кут падіння, r - кут заломлення.
Формула тонкої лінзи де F - фокусна відстань лінзи, d - відстань від предмета до лінзи, f - відстань від лінзи до зображення.
Оптична сила лінзи де R 1 і R 2 - радіуси кривизни сферичних поверхонь лінзи. Для опуклої поверхні R> 0. Для увігнутої поверхні R<0.
Оптична довжина шляху: де n - показник заломлення середовища; r - геометрична довжина шляху світлової хвилі.
Оптична різниця ходу: L 1 і L 2 - оптичні шляхи двох світлових хвиль.
Умова интерференционного максимуму: мінімуму: де λ 0 - довжина світлової хвилі у вакуумі; m - порядок інтерференційного максимуму або мінімуму.
Оптична різниця ходу в тонких плівках у відбитому світлі: в світлі: де d - товщина плівки; i - кут падіння світла; n - показник заломлення.
Ширина інтерференційних смуг в досвіді Юнга: де d - відстань між когерентними джерелами світла; L - відстань від джерела до екрану.
Умова головних максимумів дифракційної решітки: де d - постійна дифракційної решітки; φ - кут дифракції.
Роздільна здатність дифракційної решітки: де Δλ - мінімальна різниця довжин хвиль двох спектральних ліній, дозволених гратами;

Вступ................................................. .................................................. ............................... 2

Глава 1. Основні закони оптичних явищ ...................................... 4

1.1 Закон прямолінійного поширення світла ............................................. .......... 4

1.2 Закон незалежності світлових пучків ............................................. ...................... 5

1.3 Закон відбиття світла .............................................. .................................................. . 5

1.4 Закон заломлення світла .............................................. ............................................... 5

Глава 2. Ідеальні оптичні системи ............................................ ......... 7

Глава 3. Складові оптичних систем ............................................ .. 9

3.1 Діафрагми і їх роль в оптичних системах .......................................... .................. 9

3.2 Вхідний і вихідний зіниці ............................................. ............................................ 10

Глава 4. Сучасні оптичні системи ............................................ . 12

4.1 Оптична система ............................................... .................................................. ..... 12

4.2 Фотографічний апарат ............................................... ............................................. 13

4.3 Око як оптична система ............................................. ........................................ 13

Глава 5. Оптичні системи, озброює око .............................. 16

5.1 Лупа ................................................ .................................................. .................................. 17

5.2 Мікроскоп ................................................ .................................................. ...................... 18

5.3 Зорові труби ............................................... .................................................. ........... 20

5.4 Проекційні пристрої ............................................... ............................................ 21

5.5 Спектральні апарати ............................................... ................................................. 22

5.6 Оптичний вимірювальний прилад .............................................. .............................. 23

Висновок ................................................. .................................................. ...................... 28

Список літератури................................................ .................................................. ..... 29

Вступ.

Оптика - розділ фізики, в якому вивчається природа оптичного випромінювання (світла), його поширення та явища, які спостерігаються при взаємодії світла і речовини. Оптичне випромінювання являє собою електромагнітні хвилі, і тому оптика - частина загального вчення про електромагнітне поле.

Оптика - це вчення про фізичні явища, пов'язаних з поширенням коротких електромагнітних хвиль, довжина яких становить приблизно 10 -5 -10 -7 м. Значення саме цієї області спектра електромагнітних хвиль пов'язано з тим, що всередині неї у вузькому інтервалі довжин хвиль від 400 760 нм лежить ділянку видимого світла, безпосередньо сприйманого людським оком. Він обмежений з одного боку рентгенівськими променями, а з іншого - мікрохвильовим діапазоном радіовипромінювання. З точки зору фізики процесів, що відбуваються виділення настільки вузького спектру електромагнітних хвиль (видимого світла) не має особливого сенсу, тому в поняття "оптичний діапазон" включає зазвичай ще й інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання.

Обмеження оптичного діапазону умовно і в значній мірі визначається спільністю технічних засобів і методів дослідження явищ в зазначеному діапазоні. Для цих засобів і методів характерні засновані на хвильових властивостях випромінювання формування зображень оптичних предметів за допомогою приладів, лінійні розміри яких багато більше довжини λ випромінювання, а так само використання приймачів світла, дія яких заснована на його квантових властивостях.

За традицією оптику прийнято поділяти на геометричну, фізичну і фізіологічну. Геометрична оптика залишає питання про природу світла, виходить з емпіричних законів його поширення і використовує уявлення про світлові промені, переломлюється відбивається на кордонах середовищ з різними оптичними властивостями і прямолінійних в оптично однорідному середовищі. Її завдання - математично досліджувати хід світлових променів в середовищі з відомою залежністю показника заломлення n від координат або, навпаки, знайти оптичні властивості і форму прозорих і відображають середовищ, при яких промені відбуваються по заданому шляху. Найбільше значення геометричної оптики має для розрахунку і конструювання оптичних приладів - від очкових лінз до складних об'єктивів і величезних астрономічних інструментів.

Фізична оптика розглядає проблеми, пов'язані з природою світла і світлових явищ. Твердження, що світло є поперечні електромагнітні хвилі, засноване на результатах величезного числа експериментальних досліджень дифракції світла, інтерференції, поляризації світла і поширення в анізотропних середовищах.

Одна з найважливіших традиційних завдань оптики - отримання зображень, відповідних оригіналам як по геометричній формі, так і за розподілом яскравості вирішується головним чином геометричною оптикою з залученням фізичної оптики. Геометрична оптика дає відповідь на питання, як слід будувати оптичну систему для того, щоб кожна точка об'єкту зображалася б також у вигляді точки при збереженні геометричного подібності зображення об'єкту. Вона вказує на джерела спотворень зображення і їх рівень в реальних оптичних системах. Для побудови оптичних систем істотна технологія виготовлення оптичних матеріалів з необхідними властивостями, а також технологію обробки оптичних елементів. З технологічних міркувань найчастіше застосовують лінзи і дзеркала з сферичними поверхнями, але для спрощення оптичних систем і підвищення якості зображень при високій світлосилі використовують оптичні елементи.

Глава 1. Основні закони оптичних явищ.

Уже в перші періоди оптичних досліджень були на досвіді встановлені наступні чотири основних закони оптичних явищ:

1. Закон прямолінійного поширення світла.

2. Закон незалежності світлових пучків.

3. Закон відбиття від дзеркальної поверхні.

4. Закон заломлення світла на межі двох прозорих середовищ.

Подальше вивчення цих законів показало, по-перше, що вони мають набагато глибший зміст, ніж може здаватися на перший погляд, і по-друге, що їх застосування обмежене, і вони є лише наближеними законами. Встановлення умов і меж застосування основних оптичних законів означало важливий прогрес в дослідженні природи світла.

Сутність цих законів зводиться до наступного.

В однорідному середовищі світло поширюється по прямих лініях.

Закон цей зустрічається в творах з оптики, приписуваних Евклиду і, ймовірно, був відомий і застосовувався набагато раніше.

Досвідченим доказом цього закону можуть служити спостереження над різкими тінями, що даються точковими джерелами світла, або отримання зображень за допомогою малих отворів. Мал. 1 ілюструє отримання зображення за допомогою малого отвору, причому форма і розмір зображення показують, що проектування відбувається за допомогою прямолінійних променів.

Рис.1 Прямолінійне поширення світла: отримання зображення за допомогою малого отвору.

Закон прямолінійного поширення може вважатися міцно встановленому на досвіді. Він має досить глибокий зміст, бо саме поняття про пряму лінію, мабуть виникло з оптичних спостережень. Геометричне поняття прямий як лінії, що представляє найкоротша відстань між двома точками, є поняття про лінії, по якій поширюється світло в однорідному середовищі.

Більш детальне дослідження описуваних явищ показує, що закон прямолінійного поширення світла втрачає силу, якщо ми переходимо до дуже малим отворів.

Так, в досвіді, зображеному на рис. 1, ми отримаємо гарне зображення при розмірі отвору близько 0,5 мм. При подальшому зменшенні отвору - зображення буде недосконалим, а при отворі близько 0,5-0,1 мкм зображення зовсім не вийде і екран буде освітлений практично рівномірно.

Світловий потік можна розбити на окремі світлові пучки, виділяючи їх, наприклад, за допомогою діафрагм. Дія цих виділених світлових пучків виявляється незалежним, тобто ефект, вироблений окремим пучком, не залежить від того, чи діють одночасно інші пучки або вони усунені.

Промінь падаючий, нормаль до поверхні, що відбиває і промінь відбитий лежать в одній площині (рис. 2), причому кути між променями і нормаллю рівні між собою: кут падіння i дорівнює куту відбиття i ". Цей закон також згадується в творах Евкліда. Встановлення його пов'язано з вживанням полірованих металевих поверхонь (дзеркал), відомих уже в дуже віддалену епоху.

Мал. 2 Закон відображення.

Мал. 3 Закон заломлення.

Діафрагма - непрозора перепона, що обмежує поперечний переріз світлових пучків в оптичних системах (в телескопах, далекомірах, мікроскопах, кіно- і фотоапаратах і т.д.). роль діафрагм часто грають оправи лінз, призм, дзеркал, і інших оптичних деталей, зіниця ока, кордони освітленого предмета, в спектроскопах - щілини.

Будь-яка оптична система - око озброєний і неозброєний, фотографічний апарат, проекційний апарат - в кінцевому рахунку малює зображення на площині (екран, фотопластинка, сітківка ока); об'єкти же в більшості випадків тривимірні. Однак навіть ідеальна оптична система, не будучи обмеженою, не давала б зображень тривимірного об'єкту на площині. Дійсно, окремі точки тривимірного об'єкту знаходяться на різних відстанях від оптичної системи, і їм відповідають різні пов'язані площині.

Крапка, що світиться О (рис. 5) дає різке зображення О `в площині ММ 1 поєднаної з ЇЇ. Але точки А і В дають різкі зображення в A` і B`, а в площині ММ проектуються світлими кружками, розмір яких залежить від обмеження ширини пучків. Якби система не була нічим не обмежена, то пучки від А і В висвітлювали б площину ММ рівномірно, від є не вийшло б всякої подоби предмета, а лише зображення окремих точок його, що лежать в площині ЇЇ.

Чим вже пучки тим, тим чіткіше зображення простору предмета на площині. Точніше, на площині змальовується сам просторовий предмет, а та плоска картина, яка є проекцією предмета на деяку площину ЇЇ (площину установки), пов'язану щодо системи з площиною зображення ММ. Центром проекції служить одна з точок системи (центр вхідного зіниці оптичного інструменту).

Розміри і положення діафрагми визначають освітленість і якість зображення, глибину різкості і роздільну здатність оптичної системи, поле зору.

Діафрагма найбільш сильно обмежує світловий пучок, називається апертурними або діючої. Її роль може виконувати оправа будь-якої лінзи або спеціальна діафрагма ВВ, якщо ця діафрагма сильніше обмежує пучки світла, ніж оправи лінз.

Мал. 6. ВВ - апертурная діафрагма; В 1 В 1 - вхідна зіниця; В 2 В 2 - вихідна зіниця.

Апертурна діафрагма ВВ нерідко розташовується між окремими компонентами (лінзами) складної оптичної системи (рис.6), але її можна помістити і перед системою або після її.

Якщо ВВ - дійсна апертурная діафрагма (рис. 6), а В 1 В 1 і В 2 В 2 - її зображення в передній і задній частинах системи, то всі промені, що пройшли через ВВ, пройдуть через В 1 В 1 і В 2 В 2 і на оборот, тобто будь-яка з діафрагм ВВ, В 1 В 1, В 2 В 2 обмежує активні пучки.

Вхідним зіницею називається то з дійсних отворів або їх зображень, яке найсильніше обмежує вхідний пучок, тобто видно під найменшим кутом з точки перетину оптичної осі з площиною предмета.

Вихідною зіницею називається отвір або його зображення, що обмежує виходить з системи пучок. Вхідний і вихідний зіниці є сполученими по відношенню до всієї системи.

Роль вхідного зіниці може грати ту чи іншу отвір або його зображення (дійсне або уявне). У деяких важливих випадках зображуваний предмет є освітлене отвір (наприклад, щілину спектрографа), причому освітлення забезпечується безпосередньо джерелом світла, розташованим недалеко від отвору, або за допомогою допоміжного конденсора. В такому випадку в залежності від розташування роль вхідної зіниці може грати межа джерела або його зображення, або межа конденсора і т.д.

Якщо апертурная діафрагма лежить перед системою, то вона збігається з вхідним зіницею, а вихідним зіницею з'явиться її зображення в цій системі. Якщо вона лежить ззаду системи, то вона збігається з вихідними зіницею, а вхідним зіницею з'явиться її зображення в системі. Якщо апертурная діафрагма ВВ лежить всередині системи (рис. 6), то її зображення В 1 В 1 в передній частині системи служить вхідним зіницею, а зображення В 2 В 2 в задній частині системи - вихідним. Кут, під яким видно радіус вхідної зіниці з точки перетину осі з площиною предмета, називається «апертурним кутом», а кут, під яким видно радіус вихідної зіниці з точки перетину осі з площиною зображення, є кут проекції або вихідний апертурний кут. [3]

Глава 4. Сучасні оптичні системи.

Тонка лінза представляє найпростішу оптичну систему. Прості тонкі лінзи застосовуються головним чином у вигляді стекол для окулярів. Крім того, загальновідомо застосування лінзи як збільшувального скла.

Дія багатьох оптичних приладів - проекційного ліхтаря, фотоапарата та інших приладів - може бути схематично уподібнено дії тонких лінз. Однак тонка лінза дає гарне зображення тільки в тому порівняно рідкісному випадку, коли можна обмежитися вузьким одноколірним пучком, що йде від джерела уздовж головної оптичної осі або під великим кутом до неї. У більшості ж практичних задач, де ці умови не виконуються, зображення, що дається тонкою лінзою, досить не досконале. Тому в більшості випадків вдаються до побудови більш складних оптичних систем, що мають велике число заломлюючих поверхонь і не обмежених вимогою близькості цих поверхонь (вимога, якій задовольняє тонка лінза). [4]

В цілому око людини - це кулясте тіло діаметром близько 2,5 см, яке називають очним яблуком (рис.10). Непрозору і міцну зовнішню оболонку ока називають склерою, а її прозору і більш опуклу передню частину - рогівкою. З внутрішньої сторони склера вкрита сосудістойоболочкой, що складається з кровоносних судин, що живлять очей. Проти роговиці судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, неоднаково забарвлену в різних людей, яка відокремлена від рогівки камерою з прозорою водянистою масою.

У райдужній оболонці є круглий отвір,

зване зіницею, діаметр якого може змінюватися. Таким чином, райдужна оболонка відіграє роль діафрагми, яка регулює доступ світла в око. При яскравому освітленні зіниця зменшується, а при слабкому освітленні - збільшується. Усередині очного яблука за райдужною оболонкою розташований кришталик, який представляє собою двоопуклоюлінзу з прозорої речовини з показником заломлення близько 1,4. Кришталик облямовує кільцевий м'яз, яка може змінювати кривизну його поверхонь, а значить, і його оптичну силу.

Судинна оболонка з внутрішньої сторони ока покрита розгалуженнями світлочутливого нерва, особливо густими напроти зіниці. Ці розгалуження утворять сітчасту оболонку, на якій виходить дійсне зображення предметів, створюване оптичною системою ока. Простір між сітківкою і кришталиком заповнено прозорим склоподібним тілом, що має драглисте будову. Зображення предметів на сітківці ока виходить перевернуте. Однак діяльність мозку, що одержує сигнали від світлочутливого нерва, дозволяє нам бачити всі предмети в натуральних положеннях.

Коли кільцевий м'яз ока розслаблений, то зображення далеких предметів виходить на сітківці. взагалі пристрій очі таке, що людина може бачити без напруги предмети, розташовані не ближче 6 м від ока. Зображення більш близьких предметів в цьому випадку виходить за сітківкою ока. Для отримання чіткого зображення такого предмета кільцева м'яз стискає кришталик все сильніше доти, поки зображення предмета не опиниться на сітківці, а потім утримує кришталик в стислому стані.

Таким чином, «наведення на фокус» ока людини здійснюється зміною оптичної сили кришталика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати виразні зображення предметів, що знаходять на різних відстанях від нього, називають акомодацією (від латинського «акомодації» - пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів в око попадають рівнобіжні промені. У цьому випадку говорять, що око акомодувати на нескінченність.

Акомодація ока не нескінченна. За допомогою кільцевого м'яза оптична сила очі може збільшуватися не більше ніж на 12 діоптрій. При боргом розгляданні близьких предметів око утомлюється, а кільцева м'яз починає розслаблятися і зображення предмета розпливається.

Очі людини дозволяють добре бачити предмети не тільки при денному освітленні. Здатність ока пристосовуватися до різного ступеня роздратування закінчень світлочутливого нерва на сітківці ока, тобто до різного ступеня яскравості спостережуваних об'єктів називають адаптацією.

Зведення зорових осей очей на певній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при пере воді око з одного предмета на інший між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко, то осі очей розташовуються паралельно, і людина не може навіть визначити, рухається предмет чи ні, на який він дивиться. Деяку роль у визначенні положення тіл грає і зусилля кільцевого м'яза, яка стискає кришталик при розгляданні предметів, розташованих недалеко від людини. [2]

Глава 5. Оптичні системи, озброює око.

Хоча очей і не представляє собою тонку лінзу, в ньому можна все ж знайти точку, через яку промені проходять практично без заломлення, тобто точку, що грає роль оптичного центру. Оптичний центр очі знаходиться всередині кришталика поблизу задньої поверхні його. Відстань h від оптичного центру до сітчастої оболонки, зване глибиною очі, складає для нормального ока 15 мм.

Знаючи положення оптичного центру, можна легко побудувати зображення будь-якого предмета на сітчастій оболонці ока. Зображення завжди дійсне, зменшене і зворотне (рис.11, а). Кут φ, під яким видно предмет S 1 S 2 з оптичного центра О, називається кутом зору.

Сітчаста оболонка має складну будову і складається з окремих світлочутливих елементів. Тому дві точки об'єкта, розташовані настільки близько один до одного, що їх зображення на сітківці потрапляють в один і той же елемент, сприймаються оком, як одна точка. Мінімальний кут зору, під яким дві світяться точки або дві чорні точки на білому тлі сприймаються оком ще роздільно, становить приблизно одну хвилину. Око погано розпізнає деталі предмета, які він бачить під кутом менше 1 ". Це кут, під яким видно відрізок, довжина якого 1 см на відстані 34 см від ока. При поганому освітленні (в сутінках) мінімальний кут дозволу підвищується і може дійти до 1º .

Наближаючи предмет до ока, ми збільшуємо кут зору і, отже, отримуємо

можливість краще розрізняти дрібні деталі. Однак дуже близько до ока наблизити ми не можемо, так як здатність очі до акомодації обмежена. Для нормального ока найбільш сприятливим для розглядання предмета виявляється відстань близько 25 см, при якому око досить добре розрізняє деталі без надмірного стомлення. Ця відстань називається відстанню найкращого зору. для короткозорого очі це відстань дещо менше. тому короткозорі люди, поміщаючи розглянутий предмет ближче до ока, ніж люди з нормальним зором або далекозорі, бачать його під великим кутом зору і можуть краще розрізняти дрібні деталі.

Значне збільшення кута зору досягається за допомогою оптичних приладів. За своїм призначенням оптичні прилади, озброює око, можна розбити на наступні великі групи.

1. Прилади, службовці для розглядання дуже дрібних предметів (лупа, мікроскоп). Ці прилади як би «збільшують» розглядаються предмети.

2. Прилади, призначені для розглядання віддалених об'єктів (зорова труба, бінокль, телескоп і т.п.). ці прилади як би «наближають» розглядаються предмети.

Завдяки збільшенню кута зору при використанні оптичного приладу розмір зображення предмета на сітківці збільшується в порівнянні із зображенням в неозброєному оці і, отже, зростає здатність розпізнавання деталей. Відношення довжини b на сітківці в разі збройного очі b "до довжини зображення для неозброєного ока b (рис.11, б) називається збільшенням оптичного приладу.

За допомогою рис. 11, б легко бачити, що збільшення N дорівнює також відношенню кута зору φ "при розгляданні предмета через інструмент до кута зору φ для неозброєного ока, бо φ" і φ невеликі. [2,3] Отже,

N = b "/ b = φ" / φ,

де N - збільшення предмета;

b "- довжина зображення на сітківці для збройного очі;

b - довжина зображення на сітківці для неозброєного ока;

φ "- кут зору при розгляданні предмета через оптичний інструмент;

φ - кут зору при розгляданні предмета неозброєним оком.

Одним з найпростіших оптичних приладів є лупа - збирає лінза, призначена для розглядання збільшених зображень малих об'єктів. Лінзу підносять до самого оці, а предмет поміщають між лінзою і головним фокусом. Око побачить уявне і збільшене зображення предмета. Зручніше за все розглядати предмет через лупу абсолютно ненапруженим оком, акомодувати на нескінченність. Для цього предмет поміщають в головній фокальній площині лінзи так, що промені, що виходять з кожної точки предмета, утворюють за лінзою паралельні пучки. На рис. 12 зображено два таких пучка, що йдуть від країв предмета. Потрапляючи в акомодувати на нескінченність очей, пучки паралельних променів фокусуються на сітківці і дають тут виразне зображення предмета.

Відносна збільшення.Око знаходиться дуже близько до лінзи, тому за кут зору можна прийняти кут 2γ, утворений променями, що йдуть від країв предмета через оптичний центр лінзи. Якби лупи не було, нам довелося б поставити предмет на відстані найкращого зору (25 см) від ока і кут зору був би рівний 2β. Розглядаючи прямокутні трикутники з катетами 25 см і F см і позначаючи половину предмета Z, можемо написати:

,

де 2γ - кут зору, при спостереженні через лупу;

2β - кут зору, при спостереженні неозброєним оком;

F - відстань від предмета до лупи;

Z - половина довжини розглянутого предмета.

Беручи до уваги, що через лупу розглядають зазвичай дрібні деталі і тому кути γ і β малі, можна тангенси замінити кутами. Таким чином вийде такий вираз для збільшення лупи = =.

Отже, збільшення лупи пропорційно 1 / F, тобто її оптичній силі.

Прилад, що дозволяє отримати велике збільшення при розгляданні малих предметів, називається мікроскопом.

Найпростіший мікроскоп складається з двох збирають лінз. Дуже короткофокусний об'єктив L 1 дає сильно збільшене дійсне зображення предмета P "Q" (рис. 13), яке розглядається окуляром, як лупою.

Позначимо лінійне збільшення, що дається об'єктивом, через n 1, а окуляром через n 2, це означає, що = n 1 і = n 2,

де P "Q" - збільшене дійсне зображення предмета;

PQ - розмір предмета;

Перемноживши ці вирази, отримаємо = n 1 n 2,

де PQ - розмір предмета;

P "" Q "" - збільшене уявне зображення предмета;

n 1 - лінійне збільшення об'єктива;

n 2 - лінійне збільшення окуляра.

Звідси видно, що збільшення мікроскопа дорівнює добутку збільшень, даються об'єктивом і окуляром окремо. Тому можливо побудувати інструменти, що дають дуже великі збільшення - до 1000 і навіть більше. У хороших мікроскопах об'єктив і окуляр - складні.

Окуляр зазвичай складається з двох лінз об'єктив ж набагато складніше. Бажання отримати великі збільшення змушують вживати короткофокусні лінзи з дуже великою оптичною силою. Розглянутий об'єкт ставиться дуже близько від об'єктива і дає широкий пучок променів, що заповнює всю поверхню першої лінзи. Таким чином, створюються дуже невигідні умови для отримання різкого зображення: товсті лінзи і нецентральних промені. Тому для виправлення всіляких недоліків доводиться вдаватися до комбінаціям з багатьох лінз різних сортів скла.

В сучасних мікроскопах теоретичну межу вже майже досягнуто. Бачити в мікроскоп можна і дуже малі об'єкти, але їх зображення представляються у вигляді маленьких цяток, що не мають ніякої схожості з об'єктом.

При розгляданні таких маленьких частинок користуються так званим ультрамікроскопа, який являє собою звичайний мікроскоп з конденсором, що дає можливість інтенсивно висвітлювати даний об'єкт збоку, перпендикулярно осі мікроскопа.

За допомогою ультрамікроскопа вдається виявити частинки, розмір яких не перевищує міллімікронов.

Найпростіша зорова труба складається з двох збирають лінз. Одна лінза, звернена до предмету, називається об'єктивом, а інша, звернена до ока спостерігача - окуляром.

Об'єктив L 1 дає дійсне зворотне і сильно зменшене зображення предмета P 1 Q 1, що лежить біля головного фокуса об'єктива. Окуляр поміщають так, щоб зображення предмета знаходилося в його головному фокусі. У цьому положенні окуляр грає роль лупи, за допомогою якої розглядається дійсне зображення предмета.

Дія труби, так само як і лупи, зводиться до збільшення кута зору. За допомогою труби зазвичай розглядають предмети, що знаходяться на відстанях, у багато разів перевищують її довжину. Тому кут зору, під яким предмет видно без труби, можна прийняти кут 2β, утворений променями, що йдуть від країв предмета через оптичний центр об'єктива.

Зображення видно під кутом 2γ і лежить майже в самому фокусі F об'єктива і в фокусі F 1 окуляра.

Розглядаючи два прямокутних трикутника із загальним катетом Z ", можемо написати:

,

F - фокус об'єктива;

F 1 - фокус окуляра;

Z "- половина довжини розглянутого предмета.

Кути β і γ-не великі, тому можна з достатнім наближенням замінити tgβ і tgγ кутами і тоді збільшення труби = ,

де 2γ - кут під яким видно зображення предмета;

2β - кут зору, під яким видно предмет неозброєним оком;

F - фокус об'єктива;

F 1 - фокус окуляра.

Відносна збільшення труби визначається відношенням фокусної відстані об'єктиву до фокусної відстані окуляра. Щоб отримати велике збільшення, треба брати довгофокусний об'єктив і короткофокусний окуляр. [1]

Для показу глядачам на екрані збільшеного зображення малюнків, фотознімків чи креслень застосовують проекційний апарат. Малюнок на склі або на прозорій плівці називають діапозитивів, а сам апарат, призначений для показу таких малюнків, - діаскопію. Якщо апарат призначений для показу непрозорих картин і креслень, то його називають Епіськопі. Апарат, призначений для обох випадків називається Епідіаскоп.

Лінзу, яка створює зображення знаходиться перед нею предмета, називають об'єктивом. Зазвичай об'єктив являє собою оптичну систему, у якій усунуті найважливіші недоліки, властиві окремим лінз. Щоб зображення предмета на було добре видно глядачам, сам предмет повинен бути яскраво освітлений.

Схема пристрою проекційного апарату показана на рис.16.

Джерело світла S міститься в центрі увігнутого дзеркала (рефлектора) Р. світло йде безпосередньо від джерела S і відбитий від рефлектора Р,потрапляє на конденсор К, який складається з двох плосковипуклих лінз. Конденсор збирає ці світлові промені на

У трубі А, званої коллиматором є вузька щілина, ширину якої можна регулювати поворотом гвинта. Перед щілиною поміщається джерело світла, спектр якого необхідно досліджувати. Щілина розташовується в фокальній площині коліматора, і тому світлові промені з коліматора виходять у вигляді паралельного пучка. Пройшовши через призму, світлові промені направляються в трубу В, через яку спостерігають спектр. Якщо спектроскоп призначений для вимірювань, то на зображення спектра за допомогою спеціального пристрою накладається зображення шкали з поділками, що дозволяє точно встановити положення колірних ліній в спектрі.

При дослідженні спектра часто буває доцільніше сфотографувати його, а потім вивчати за допомогою мікроскопа.

Прилад для фотографування спектрів називається спектрографом.

Схема спектрографа показана на рис. 18.

Спектр випромінювання за допомогою лінзи Л 2 фокусується на матове скло АВ, яке при фотографуванні замінюють фотопластинки. [2]

Оптичний вимірювальний прилад - засіб вимірювання, в якому візування (суміщення межами контрольованого предмета з візирної лінією, перехрестям і т.п.) або визначення розміру здійснюється за допомогою пристрою з оптичним принципом дії. Розрізняють три групи оптичних вимірювальних приладів: прилади з оптичним принципом візування і механічним способом звіту переміщення; прилади з оптичним способом візування і звіту переміщення; прилади, що мають механічний контакт з вимірювальним приладом, з оптичним способом визначення переміщення точок контакту.

З приладів першої поширення набули проектори для вимірювання і контролю деталей, що мають складний контур, невеликі розміри.

Найбільш поширений прилад другий - універсальний вимірювальний мікроскоп, в якому вимірювана деталь переміщається на подовжній каретці, а головний мікроскоп - на поперечній.

Прилади третьої групи застосовують для порівняння вимірюваних лінійних величин з мірками або шкалами. Їх об'єднують зазвичай під загальною назвою компаратори. До цієї групи приладів відносяться Оптиметри (оптікатори, вимірювальна машина, контактний інтерферометр, оптичний далекомір і ін.).

Оптичні вимірювальні прилади також широко поширені в геодезії (нівелір, теодоліт і ін.).

Теодоліт - геодезичний інструмент для визначення напрямів і виміру горизонтальних і вертикальних кутів при геодезичних роботах, топографічної та маркшейдерських зйомках, в будівництві і т.п.

Нівелір - геодезичний інструмент для вимірювання перевищень точок земної поверхні - нівелювання, а також для завдання горизонтальних напрямів при монтажних і т.п. роботах.

В навігації широко поширений секстант - кутомірний дзеркально-відбивний інструмент для вимірювання висот небесних світил над горизонтом або кутів між видимими предметами з метою визначення координат місця спостерігача. Найважливіша особливість секстанта - можливість суміщення в поле зору спостерігача одночасно двох предметів, між якими вимірюється кут, що дозволяє користуватися секстантом на літаку і на кораблі без помітного зниження точності навіть під час качки.

Перспективним напрямком в розробці нових типів оптичних вимірювальних приладів є оснащення їх електронними відлічує пристроями, що дозволяють спростити відлік показань і візування, і т.п. [5]

Глава 6. Застосування оптичних систем в науці і техніці.

Застосування, а так само роль оптичних систем в науці і техніці дуже велике. Чи не вивчаючи оптичні явища і не розвиваючи оптичні інструменти людство не було б на такому високому рівні розвитку техніки.

Майже всі сучасні оптичні прилади призначені для безпосереднього візуального спостереження оптичних явищ.

Закони побудови зображення служать основою для побудови різноманітних оптичних приладів. Основною частиною будь-якого оптичного приладу є деяка оптична система. В одних оптичних приладах зображення виходить на екрані, інші прилади призначені для роботи з оком. в останньому випадку прилад і очей представляють як би єдину оптичну систему і зображення виходить на сітчастій оболонці ока.

Вивчаючи деякі хімічні властивості речовин, вчені винайшли спосіб закріплення зображення на твердих поверхнях, а для проектування зображень на цю поверхню стали використовувати оптичні системи, що складаються з лінз. Таким чином, світ отримав фото- і кіноапарати, а з подальшим розвитком електроніки з'явилися відео- та цифрові камери.

Для дослідження малих об'єктів, практично непомітних оку використовують лупу, а якщо її збільшення мало, тоді застосовують мікроскопи. Сучасні оптичні мікроскопи дозволяють збільшувати зображення до 1000 разів, а електронні мікроскопи в десятки тисяч разів. Це дає можливість досліджувати об'єкти на молекулярному рівні.

Сучасні астрономічні дослідження не були б можливими без «труби Галілея» і «труби Кеплера». Труба Галілея, нерідко застосовується в звичайному театральному біноклі, дає пряме зображення предмета, труба Кеплера - перевернуте. Внаслідок цього, якщо труба Кеплера повинна служити для земних спостережень, то її постачають обертаючою системою (додаткової лінзою або системою призм), в результаті чого зображення стає прямим. Прикладом подібного приладу може служити призменний бінокль.

Перевагою труби Кеплера є те, що в ній є додаткове проміжне зображення, в площину якого можна помістити вимірювальну шкалу, фотопластинку для виробництва знімків і т.п. Внаслідок цього в астрономії і у всіх випадках, пов'язаних з вимірюваннями, застосовується труба Кеплера.

Поряд з телескопами, побудованими за типом зорової труби - рефракторами, вельми важливе значення в астрономії мають дзеркальні (відбивні) телескопи, або рефлектори.

Можливості спостереження, які дає каждиё телескоп, визначаються діаметром його отвори. Тому з давніх часів науково технічна думка спрямована на відшукання

способів виготовлення великих дзеркал і об'єктивів.

З будівництвом кожного нового телескопа розширюється радіус спостерігається нами Всесвіту.

Зорове сприйняття зовнішнього простору є складним процесом, в якому істотним обставиною є те, що в нормальних умовах ми користуємося двома очима. Завдяки великій рухливості очей ми швидко фіксуємо одну точку предмета за іншою; при цьому ми можемо оцінювати відстань до розглянутих предметів, а також порівнювати ці відстані між собою. Така оцінка дає уявлення про глибину простору, про об'ємному розподілі деталей предмета, робить можливим стереоскопічний зір.

Стереоскопічні знімки 1 і 2 розглядаються за допомогою лінз L 1 і L 2, поміщених кожна перед одним оком. Знімки розташовуються в фокальних площинах лінз, і отже, їх зображення лежать в нескінченності. Обидва очі акомодувати на нескінченність. Зображення обох знімків сприймаються як один рельєфний предмет, що лежить в площині S.

Стереоскоп в даний час широко застосовується для вивчення знімків місцевості. Виробляючи фотографування місцевості з двох точок, отримують два знімка, розглядаючи які в стереоскоп можна ясно бачити рельєф місцевості. Велика гострота стереоскопічного зору дає можливість застосовувати стереоскоп для виявлення підробок документів, грошей і т.п.

У військових оптичних приладах, призначених для спостережень (біноклі, стереотруби), відстані між центрами об'єктивів завжди значно більше, ніж відстань між очима, і віддалені предмети здаються значно більш рельєфними, ніж при спостереженні без приладу.

Вивчення властивостей світла, що йде в тілах з великим показником заломлення привело до відкриття повного внутрішнього відображення. Це властивість широко застосовується при виготовленні і використанні оптоволокна. Оптичне волокно дозволяє проводити будь-оптичне випромінювання без втрат. Використання оптоволокна в системах зв'язку дозволило отримати високошвидкісні канали для отримання і відправки інформації.

Повне внутрішнє віддзеркалення дозволяє використовувати призми замість дзеркал. На цьому принципі побудовані призматичні біноклі і перископи.

Використання лазерів і систем фокусоровкі дозволяє фокусувати лазерне випромінювання в одній точці, що застосовується в різанні різних речовин, в пристроях для читання і запису компакт-дисків, в лазерних далекомірах.

Оптичні системи широко поширені в геодезії для вимірювання кутів і перевищень (нівеліри, теодоліти, секстанти і ін.).

Використання призм для розкладання білого світла на спектри призвело до створення спектрографів і спектроскопії. Вони дозволяють спостерігати спектри поглинання і випускання твердих тіл і газів. Спектральний аналіз дозволяє дізнатися хімічний склад речовини.

Використання найпростіших оптичних систем - тонких лінз, дозволило багатьом людям з дефектами зорової системи нормально бачити (окуляри, очні лінзи і т.д.).

Завдяки оптичним системам було вироблено багато наукових відкриттів і досягнень.

Оптичні системи використовуються у всіх сферах наукової діяльності, від біології до фізики. Тому, можна сказати, що сфера застосування оптичних систем в науці і техніці - безмежна. [4,6]

Висновок.

Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання винятково великі. Винахід телескопа і спектроскопа відкрило перед людиною дивовижний і багатющий світ явищ, що відбуваються в неосяжному Всесвіті. Винахід мікроскопа зробило революцію в біології. Фотографія допомогла і продовжує допомагати чи ледве не всім галузям науки. Одним з найважливіших елементів наукової апаратури є лінза. Без неї не було б мікроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоапарата, кіно, телебачення і т.п. не було б очок, і багато людей, яким перевалило за 50 років, були б позбавлені можливості читати і виконувати багато роботи, пов'язані із зором.

Область явищ, досліджувана фізичною оптикою, дуже велика. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому не дивно, що оптиці протягом тривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних поглядів. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися й у значній мірі розвинулися на грунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрило нові найширші можливості не тільки в оптиці, але і в її додатках у різних галузях науки і техніки.

Список літератури.

1. Арцибишев С.А. Фізика - М .: Медгиз, 1950. - 511с.

2. Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Фізика для середніх навчальних закладів - М .: Наука, 1981. - 560с.

3. Ландсберг Г.С. Оптика - М .: Наука, 1976. - 928с.

4. Ландсберг Г.С. Елементарний підручник фізики. - М .: Наука, 1986. - Т.3. - 656с.

5. Прохоров А.М. Велика Радянська Енциклопедія. - М .: Радянська енциклопедія, 1974. - т.18. - 632с.

6. Сивухин Д.В. Загальний курс фізики: Оптика - М .: Наука, 1980. - 751с.

Геометрична оптика - гранично простий випадок оптики. По суті, це спрощена версія хвильової оптики, яка не розглядає і просто не передбачає таких явищ, як інтерференція і дифракція. Тут все спрощено до краю. І це добре.

Основні поняття

геометрична оптика- розділ оптики, в якому розглядаються закони поширення світла в прозорих середовищах, закони відбиття світла від дзеркальних поверхонь, принципи побудови зображень при проходженні світла через оптичні системи.

Важливо!Всі ці процеси розглядаються без урахування хвильових властивостей світла!

У житті геометрична оптика, будучи вкрай спрощеною моделлю, проте, знаходить широке застосування. Це як класична механіка і теорія відносності. Провести потрібний розрахунок найчастіше набагато легше в рамках класичної механіки.

Основне поняття геометричної оптики - світловий промінь.

Відзначимо, що реальний світловий пучок не поширюється уздовж лінії, а має кінцеве кутовий розподіл, яке залежить від поперечного розміру пучка. Геометрична оптика нехтує поперечними розмірами пучка.

Закон прямолінійного поширення світла

Цей закон говорить нам про те, що в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Іншими словами, з точки А в точку Б світло рухається по тому шляху, який вимагає мінімального часу на подолання.

Закон незалежності світлових променів

Поширення світлових променів відбувається незалежно один від одного. Що це означає? Це означає, що геометрична оптика передбачає, що промені не впливають один на одного. І поширюються так, ніби інших променів і зовсім немає.

Закон відбиття світла

Коли світло зустрічається із дзеркальною (відбиває) поверхнею, відбувається відображення, тобто зміна напрямку поширення світлового променя. Так ось, закон відображення свідчить, що падаючий і відбитий промінь лежать в одній площині разом з проведеної до точки падіння нормаллю. Причому кут падіння дорівнює куту відбиття, тобто нормаль ділить кут між променями на дві рівні частини.

Закон заломлення (Снеллиуса)

На кордоні розділу середовищ поряд з відображенням відбувається і переломлення, тобто промінь розділяється на відбитий і заломлений.

До речі! Для всіх наших читачів зараз діє знижка 10% на будь-який вид роботи.

Ставлення синусів кутів падіння і заломлення є постійною величиною і дорівнює відношенню показників заломлення цих середовищ. Ще ця величина називається показником заломлення другого середовища відносно першого.

Тут варто окремо розглянути випадок повного внутрішнього відображення. При поширенні світла з оптично більш щільного середовища в менш щільну кут заломлення за величиною більше кута падіння. Відповідно, при збільшенні кута падіння буде збільшуватися і кут заломлення. При деякому граничному куті падіння кут заломлення стане рівним 90 градусів. При подальшому збільшенні кута падіння світло не буде переломлюватися в другу середу, а інтенсивність падаючого і відбитого променів дорівнюватимуть. Це називається повним внутрішнім віддзеркаленням.

Закон оборотності світлових променів

Уявімо, що промінь, поширюючись в якомусь напрямку, сталося чимало змін і заломлень. Закон оборотності світлових променів свідчить, що якщо пустити назустріч цьому променю інший промінь, то він піде тим самим шляхом, що і перший, але в зворотному напрямку.

Ми продовжимо вивчати основи геометричної оптики, а в майбутньому ми обов'язково розглянемо приклади розв'язання задач на застосування різних законів. Ну а якщо зараз у вас є які-небудь питання, ласкаво просимо за вірними відповідями до фахівців студентського сервісу. Ми допоможемо вирішити будь-яке завдання!

- Історія розвитку оптики.

- Основні положення нової теорії Ньютона.

- Основні положення хвильової теорії Гюйгенса.

- Погляди на природу світла в XIX – XX століття.

-

- Основні положення оптики.

- Хвильові властивості світла і геометричної оптики.

- Око як оптична система.

- Спектроскоп.

- Оптичний вимірювальний прилад.

- Висновок.

- Список використаної літератури.

Історія розвитку оптики.

Оптика - вчення про природу світла, світлових явищах і взаємодії світла з речовиною. І майже вся її історія - це історія пошуку відповіді: що таке світло?

Одна з перших теорій світла - теорія зорових променів - була висунута грецьким філософом Платоном близько 400 р. До н.е. е. Дана теорія передбачала, що з ока виходять промені, які, зустрічаючись з предметами, висвітлюють їх і створюють видимість навколишнього світу. Погляди Платона підтримували багато вчених давнини і, зокрема, Евклід (3 ст до н. Е.), Виходячи з теорії зорових променів, заснував вчення про прямолінійності поширення світла, встановив закон відображення.

У ті ж роки були відкриті такі факти:

- прямолінійність поширення світла;

- явище відбиття світла і закон відображення;

- явище заломлення світла;

- фокусує дію увігнутого дзеркала.

Стародавні греки поклали початок галузі оптики, що отримала пізніше назву геометричної.

Найцікавішою роботою з оптики, яка дійшла до нас із середньовіччя, є робота арабського вченого Альгазена. Він займався вивченням відбиття світла від дзеркал, явища заломлення і проходження світла в лінзах. Альгазена вперше висловив думку про те, що світло має кінцевою швидкістю поширення. Ця гіпотеза стала великим

кроком в розумінні природи світла.

В епоху Відродження було скоєно безліч різних відкриттів і винаходів; став затверджуватися експериментальний метод, як основа вивчення і пізнання навколишнього світу.

На базі численних досвідчених фактів в середині XVII століття виникають дві гіпотези про природу світлових явищ:

- корпускулярна, яка передбачала, що світло є потік частинок, які викидаються з великою швидкістю світяться тілами;

- хвильова, що стверджувала, що світ представляється собою поздовжні коливальні рухи особливої ​​світлоносний середовища - ефіру - порушуємо коливаннями частинок світиться тіла.

Весь подальший розвиток вчення про світло аж до наших днів - це історія розвитку та боротьби цих гіпотез, авторами яких були І. Ньютон і Х. Гюйгенс.

Основні положення нової теорії Ньютона:

1) Світло складається з малих частинок речовини, що випускаються у всіх напрямках по прямих лініях, або променів, що світиться тілом, наприклад, запаленою свічкою. Якщо ці промені, що складаються з корпускул, потрапляють в наше око, то ми бачимо їх джерело (рис. 1).

2) Світлові корпускули мають різні розміри. Найбільші частки, потрапляючи в око, дають відчуття червоного кольору, найдрібніші - фіолетового.

3) Білий колір - суміш всіх кольорів: червоного, помаранчевого, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

4) Віддзеркалення світла від поверхні відбувається внаслідок відображення корпускул від стінки по закону абсолютного пружного удару (рис. 2).

5) Явище заломлення світла пояснюється тим, що корпускули притягуються частинками середовища. Ніж середовище щільніше, тим кут заломлення менше кута падіння.

6) Явище дисперсії світла, відкрите Ньютоном в 1666 р, він пояснив наступним чином. Кожен колір вже присутній в білому світі. Всі кольори передаються через міжпланетний простір і атмосферу спільно і дають ефект у вигляді білого світла. Білий світ - суміш різноманітних корпускул - відчуває переломлення, пройшовши через призму. З точки зору механічної теорії, заломлення зобов'язане силам з боку частинок скла, чинним на світлові корпускули. Ці сили різні для різних корпускул. Вони найбільші для фіолетового і найменші для червоного кольору. Шлях корпускул в призмі для кожного кольору буде переломлюватися по-своєму, тому білий складний промінь розщепиться на кольорові складові промені.

7) Ньютон накреслив шляхи пояснення подвійного променезаломлення, висловивши гіпотезу про те, що промені світла мають «різними сторонами» - особливу властивість, що обумовлює їх різну преломляемость при проходженні двоякопреломляющіе тіла.

Корпускулярна теорія Ньютона задовільно пояснила багато оптичні явища, відомі в той час. Її автор користувався в науковому світі колосальним авторитетом, і в скоре теорія Ньютона придбала багатьох прихильників у всіх країнах.

Основні положення хвильової теорії світла Гюйгенса.

1) Світло - це поширення пружних періодичних імпульсів в ефірі. Ці імпульси поздовжніх і схожі на імпульси звуку в повітрі.

2) Ефір - гіпотетичне середовище, що заповнює небесний простір і проміжки між частинками тел. Вона невагома, не підкоряється закону всесвітнього тяжіння, має велику пружністю.

3) Принцип поширення коливань ефіру такий, що кожна його точка, до якої доходить збудження, є центром вторинних хвиль. Ці хвилі слабкі, і ефект спостерігається тільки там, де проходить їх огинає

поверхню - фронт хвилі (принцип Гюйгенса) (рис.3).

Світлові хвилі, що приходять безпосередньо від джерела, викликають відчуття бачення.

Дуже важливим пунктом теорії Гюйгенса стало допущення кінцівки швидкості поширення світла. Використовуючи свій принцип, ученому вдалося пояснити багато явищ геометричної оптики:

- явище відбиття світла і його закони;

- явище заломлення світла і його закони;

- явище повного внутрішнього відображення;

- явище подвійного променезаломлення;

- принцип незалежності світлових променів.

Теорія Гюйгенса давала такий вислів для показника заломлення середовища:

З формули видно, що швидкість світла повинна залежати обернено пропорційно від абсолютного показника середовища. Цей висновок був протилежний висновку, що випливає з теорії Ньютона. Невисокий рівень експериментальної техніки XVII століття виключав можливість встановити, яка з теорій вірна.

Багато хто сумнівався в хвильової теорії Гюйгенса, але серед нечисленних прихильників хвильових поглядів на природу світла були М. Ломоносов і Л. Ейлер. З досліджень цих вчених теорія Гюйгенса почала оформлюватися як теорія хвиль, а не просто апериодических коливань, що поширюються в ефірі.

Погляди на природу світла в XIX - XX століттях.

У 1801 році Т. Юнг виконав експеримент, який здивував учених світу (рис.4)

S - джерело світла;

Е - екран;

В і С - дуже вузькі щілини, віддалені один від одного на 1-2 мм.

За теорією Ньютона на екрані повинні з'явитися дві світлі смужки, насправді з'явилися кілька світлих і темних смуг, а прямо проти проміжку між щілинами В і С з'явилася світла лінія Р. Досвід показав, що світло явище хвилеве. Юнг розвинув теорію Гюйгенса уявленнями про коливання частинок, про частоту коливань. Він сформулював принцип інтерференції, грунтуючись на якому, пояснив явище дифракції, інтерференції і кольору тонких платівок.

Французький фізик Френель з'єднав принцип хвильових рухів Гюйгенса і принцип інтерференції Юнга. На цій основі розробив строгу математичну теорію дифракції. Френель зумів пояснити всі оптичні явища, відомі в той час.

Основні положення хвильової теорії Френеля.

- Світло - поширення коливань в ефірі зі швидкістю, де модуль пружності ефіру, r- щільність ефіру;

- Світлові хвилі є поперечними;

- Світовий ефір має властивості пружно-твердого тіла, абсолютно не стискаємо.

При переході з одного середовища в іншу пружність ефіру не змінюється, але змінюється його щільність. Відносний показник заломлення речовини.

Поперечні коливання можуть відбуватися одночасно в усіх напрямках, перпендикулярних напрямку поширенню хвилі.

Робота Френеля завоювала визнання вчених. Незабаром з'явився цілий ряд експериментальних і теоретичних робіт, що підтверджують хвильову природу світла.

В середині XIX століття почали виявлятися факти, що вказують на зв'язок оптичних і електричних явищ. У 1846 р М. Фарадей спостерігав обертання площин поляризації світла в тілах, поміщених в магнітне поле. Фарадей ввів уявлення про електричному і магнітному полях, як про своєрідні наложениях в ефірі. З'явився новий «електромагнітний ефір». Першим на ці погляди звернув увагу англійський фізик Максвел. Він розвинув ці уявлення і побудував теорію електромагнітного поля.

Електромагнітна теорія світла не закреслила механічну теорію Гюйгенса- Юнга- Френеля, а поставила її на новий рівень. У 1900 р німецький фізик Планк висунув гіпотезу про квантовий характер випромінювання. Суть її полягала в наступному:

- випромінювання світла носить дискретний характер;

- поглинання відбувається теж дискретно-порціями, квантами.

Енергія кожного кванта представляється за формулою E = h n, де h- постійна Планка, а n- це частота світла.

Через п'ять років після Планка вийшла робота німецького фізика Ейнштейна про фотоефекті. Ейнштейн вважав:

- світло, ще не вступив у взаємодію з речовиною, має зернисту структуру;

- структурним елементом дискретного світлового випромінювання є фотон.

Таким чином, з'явилася нова квантова теорія світла, яка народилася на базі нової теорії Ньютона. У ролі корпускули виступає квант.

Основні положення.

- Світло випромінюється, поширюється і поглинається дискретними порціями - квантами.

- Квант світла - фотон несе енергію, пропорційну частоті тієї хвилі, за допомогою якої він описується електромагнітної теорією E = h n .

- Фотон, має масу (), імпульс і момент кількості руху ().

- Фотон, як частка, існує тільки в русі швидкість якого - це швидкість поширення світла в даному середовищі.

- При всіх взаємодіях, в яких бере участь фотон, справедливі загальні закони збереження енергії і імпульсу.

- Електрон в атомі може знаходитися тільки в деяких дискретних стійких стаціонарних станах. Перебуваючи в стаціонарних станах, атом не випромінює енергію.

- При переході з одного стаціонарного стану в інший атом випромінює (поглинає) фотон із частотою, (де Е1і Е2- енергії початкового і кінцевого стану).

З виникненням квантової теорії з'ясувалося, що корпускулярні і хвильові властивості є лише двома сторонами, двома взаємопов'язаними проявами сутності світла. Вони не відображають діалектичну єдність дискретності і континуальности матерії, що виражається в одночасному прояві хвильових і корпускулярних властивостей. Один і той же процес випромінювання може бути описаний, як за допомогою математичного апарату для хвиль, що поширюються в просторі і в часі, так і за допомогою статистичних методів передбачення появи частинок в даному місці і в даний час. Обидві ці моделі можуть бути використані одночасно, і в залежності від умов перевага віддається одній з них.

Досягнення останніх років в області оптики виявилися можливими завдяки розвитку, як квантової фізики, так і хвильової оптики. В наші дні теорія світла продовжує розвиватися.

Оптика - розділ фізики, що вивчає властивості і фізичну природу світла, а також його взаємодія з речовиною.

Найпростіші оптичні явища, наприклад виникнення тіней і отримання зображень в оптичних приладах, можуть бути зрозумілі в рамках геометричної оптики, яка оперує поняттям окремих світлових променів, що підкоряються відомим законам заломлення і відображення і незалежних один від одного. Для розуміння більш складних явищ потрібна фізична оптика, яка розглядає ці явища в зв'язку з фізичною природою світла. Фізична оптика дозволяє вивести всі закони геометричній оптики і встановити межі їх застосовності. Без знання цих кордонів формальне застосування законів геометричної оптики може в конкретних випадках привести до результатів, таким, що суперечить піднаглядним явищам. Тому не можна обмежуватися формальним побудовою геометричної оптики, а необхідно дивитися на неї як на розділ фізичної оптики.

Поняття світлового променя можна отримати з розгляду реального світлового пучка в однорідному середовищі, з якого за допомогою діафрагми виділяється вузький паралельний пучок. Чим менше діаметр цих отворів, тим вже виділяється пучок, і в межі, переходячи до отворів як завгодно малим, можна здавалося б отримати світловий промінь як пряму лінію. Але подібний процес виділення як завгодно вузького пучка (променя) неможливий внаслідок явища дифракції. Неминуче кутовий розширення реального світлового пучка, пропущеного через діафрагму діаметра D, визначається кутом дифракції j ~ l / D. Тільки в граничному випадку, коли l= 0, подібне розширення не мало б місця, і можна було б говорити про промені як про геометричній лінії, напрямок якої визначає напрямок поширення світлової енергії.

Таким чином, світловий промінь - це абстрактне математичне поняття, а геометрична оптика є наближеним граничним випадком, в який переходить хвильова оптика, коли довжина світлової хвилі прагне до нуля.

Око як оптична система.

Органом зору людини є очі, які у багатьох відношеннях є вельми досконалу оптичну систему.

В цілому око людини - це кулясте тіло діаметром близько 2,5 см, яке називають очним яблуком (рис.5). Непрозору і міцну зовнішню оболонку ока називають склерою, а її прозору і більш опуклу передню частину - рогівкою. З внутрішньої сторони склера вкрита судинною оболонкою, що складається з кровоносних судин, що живлять очей. Проти роговиці судинна оболонка переходить у райдужну оболонку, неоднаково забарвлену в різних людей, яка відокремлена від рогівки камерою з прозорою водянистою масою.

У райдужній оболонці є круглий отвір, який називається зіницею, діаметр якого може змінюватися. Таким чином, райдужна оболонка відіграє роль діафрагми, яка регулює доступ світла в око. При яскравому освітленні зіниця зменшується, а при слабкому освітленні - збільшується. Усередині очного яблука за райдужною оболонкою розташований кришталик, який представляє собою двоопуклоюлінзу з прозорої речовини з показником заломлення близько 1,4. Кришталик облямовує кільцевий м'яз, яка може змінювати кривизну його поверхонь, а значить, і його оптичну силу.

Судинна оболонка з внутрішньої сторони ока покрита розгалуженнями світлочутливого нерва, особливо густими напроти зіниці. Ці розгалуження утворять сітчасту оболонку, на якій виходить дійсне зображення предметів, створюване оптичною системою ока. Простір між сітківкою і кришталиком заповнено прозорим склоподібним тілом, що має драглисте будову. Зображення предметів на сітківці ока виходить перевернуте. Однак діяльність мозку, що одержує сигнали від світлочутливого нерва, дозволяє нам бачити всі предмети в натуральних положеннях.

Коли кільцевий м'яз ока розслаблений, то зображення далеких предметів виходить на сітківці. Взагалі пристрій очі таке, що людина може бачити без напруги предмети, розташовані не ближче 6 метра від ока. Зображення більш близьких предметів в цьому випадку виходить за сітківкою ока. Для отримання чіткого зображення такого предмета кільцева м'яз стискає кришталик все сильніше доти, поки зображення предмета не опиниться на сітківці, а потім утримує кришталик в стислому стані.

Таким чином, «наведення на фокус» ока людини здійснюється зміною оптичної сили кришталика за допомогою кільцевого м'яза. Здатність оптичної системи ока створювати виразні зображення предметів, що знаходять на різних відстанях від нього, називають акомодацією (від латинського «акомодації» - пристосування). При розгляданні дуже далеких предметів в око попадають рівнобіжні промені. У цьому випадку говорять, що око акомодувати на нескінченність.

Акомодація ока не нескінченна. За допомогою кільцевого м'яза оптична сила очі може збільшуватися не більше ніж на 12 діоптрій. При боргом розгляданні близьких предметів око утомлюється, а кільцева м'яз починає розслаблятися і зображення предмета розпливається.

Очі людини дозволяють добре бачити предмети не тільки при денному освітленні. Здатність ока пристосовуватися до різного ступеня роздратування закінчень світлочутливого нерва на сітківці ока, тобто до різного ступеня яскравості спостережуваних об'єктів називають адаптацією.

Зведення зорових осей очей на певній точці називається конвергенцією. Коли предмети розташовані на значній відстані від людини, то при пере воді око з одного предмета на інший між осями очей практично не змінюється, і людина втрачає здатність правильно визначати положення предмета. Коли предмети знаходяться дуже далеко, то осі очей розташовуються паралельно, і людина не може навіть визначити, рухається предмет чи ні, на який він дивиться. Деяку роль у визначенні положення тіл грає і зусилля кільцевого м'яза, яка стискає кришталик при розгляданні предметів, розташованих недалеко від чол Овеков.

спектр оскопили.

Для спостереження спектрів користуються спектроскопом.

Найбільш поширений призматичний спектроскоп складається з двох труб, між якими поміщають тригранну призму (рис. 7).

У трубі А, званої коллиматором є вузька щілина, ширину якої можна регулювати поворотом гвинта. Перед щілиною поміщається джерело світла, спектр якого необхідно досліджувати. Щілина розташовується в площині коліматора, і тому світлові промені з коліматора виходять у вигляді паралельного пучка. Пройшовши через призму, світлові промені направляються в трубу В, через яку спостерігають спектр. Якщо спектроскоп призначений для вимірювань, то на зображення спектра за допомогою спеціального пристрою накладається зображення шкали з поділками, що дозволяє точно встановити положення колірних ліній в спектрі.

Оптичний вимірювальний прилад - засіб вимірювання, в якому візування (суміщення межами контрольованого предмета з візирної лінією, перехрестям і т.п.) або визначення розміру здійснюється за допомогою пристрою з оптичним принципом дії. Розрізняють три групи оптичних вимірювальних приладів: прилади з оптичним принципом візування і механічним способом звіту переміщення; прилади з оптичним способом візування і звіту переміщення; прилади, що мають механічний контакт з вимірювальним приладом, з оптичним способом визначення переміщення точок контакту.

З приладів першої поширення набули проектори для вимірювання і контролю деталей, що мають складний контур, невеликі розміри.

Найбільш поширений прилад другий - універсальний вимірювальний мікроскоп, в якому вимірювана деталь переміщається на подовжній каретці, а головний мікроскоп - на поперечній.

Прилади третьої групи застосовують для порівняння вимірюваних лінійних величин з мірками або шкалами. Їх об'єднують зазвичай під загальною назвою компаратори. До цієї групи приладів відносяться Оптиметри (оптікатори, вимірювальна машина, контактний інтерферометр, оптичний далекомір і ін.).

Оптичні вимірювальні прилади також широко поширені в геодезії (нівелір, теодоліт і ін.).

Теодоліт - геодезичний інструмент для визначення напрямів і виміру горизонтальних і вертикальних кутів при геодезичних роботах, топографічної та маркшейдерських зйомках, в будівництві і т.п.

Нівелір - геодезичний інструмент для вимірювання перевищень точок земної поверхні - нівелювання, а також для завдання горизонтальних напрямів при монтажних і т.п. роботах.

В навігації широко поширений секстант - кутомірний дзеркально-відбивний інструмент для вимірювання висот небесних світил над горизонтом або кутів між видимими предметами з метою визначення координат місця спостерігача. Найважливіша особливість секстанта - можливість суміщення в поле зору спостерігача одночасно двох предметів, між якими вимірюється кут, що дозволяє користуватися секстантом на літаку і на кораблі без помітного зниження точності навіть під час качки.

Перспективним напрямком в розробці нових типів оптичних вимірювальних приладів є оснащення їх електронними відлічує пристроями, що дозволяють спростити відлік показань і візування, і т.п.

Висновок.

Практичне значення оптики і її вплив на інші галузі знання винятково великі. Винахід телескопа і спектроскопа відкрило перед людиною дивовижний і багатющий світ явищ, що відбуваються в неосяжному Всесвіті. Винахід мікроскопа зробило революцію в біології. Фотографія допомогла і продовжує допомагати чи ледве не всім галузям науки. Одним з найважливіших елементів наукової апаратури є лінза. Без неї не було б мікроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоапарата, кіно, телебачення і т.п. не було б очок, і багато людей, яким перевалило за 50 років, були б позбавлені можливості читати і виконувати багато роботи, пов'язані із зором.

Область явищ, досліджувана фізичною оптикою, дуже велика. Оптичні явища найтіснішим чином пов'язані з явищами, що вивчаються в інших розділах фізики, а оптичні методи дослідження відносяться до найбільш тонким і точним. Тому не дивно, що оптиці протягом тривалого часу належала провідна роль в дуже багатьох фундаментальних дослідженнях і розвитку основних фізичних поглядів. Досить сказати, що обидві основні фізичні теорії минулого сторіччя - теорія відносності і теорія квантів - зародилися й у значній мірі розвинулися на грунті оптичних досліджень. Винахід лазерів відкрило нові найширші можливості не тільки в оптиці, але і в її додатках у різних галузях науки і техніки.

Московський комітет освіти

Всесвітній Про R Т

Московський технологічний коледж

Кафедра природничих наук

Підсумкова робота з фізики

На тему :

Виконала студентка 14 групи: Рязанцева Оксана

Викладач: Груздева Л.Н.

- Арцибишев С.А. Фізика - М .: Медгиз, 1950.

- Жданов Л.С. Жданов Г.Л. Фізика для середніх навчальних закладів - М .: Наука, 1981.

- Ландсберг Г.С. Оптика - М .: Наука, 1976.

- Ландсберг Г.С. Елементарний підручник фізики. - М .: Наука, 1986.

- Прохоров А.М. Велика Радянська Енциклопедія. - М .: Радянська енциклопедія, 1974.

- Сивухин Д.В. Загальний курс фізики: Оптика - М .: Наука, 1980.

Зі словом "оптика" ми стикаємося, наприклад, коли проходимо повз торгової точки, в якій продаються окуляри. Також багато хто пам'ятає, що вивчали оптику в школі. Що таке оптика?

Оптика - це розділ фізики, який вивчає природу світла, його властивості, закономірності поширення в різних середовищах, а також взаємодія світла з речовинами. Щоб краще зрозуміти, що таке оптика, слід розібратися з тим, що таке світло.

Уявлення про світло в сучасній фізиці

Фізика розглядає звичний нам світ як складне явище, що має подвійну природу. З одного боку, світло вважається потоком найдрібніших частинок - квантів світла (фотонів). З іншого боку, світло можна описати як вид електромагнітних хвиль, що мають певну довжину.

Окремі розділи оптики вивчають світ як фізичне явище з різних сторін.

розділи оптики

• Геометрична оптика. Розглядає закони поширення світла, а також відображення і заломлення світлових променів. Являє світло як промінь, що поширюється в однорідному середовищі прямолінійно (в цьому його схожість з геометричним променем). Не враховує хвильову природу світла.
• Хвильова оптика. Вивчає властивості світла як різновиду електромагнітних хвиль.
• Квантова оптика. Вивчає квантові властивості світла (досліджує фотоефект, фотохімічні процеси, лазерне випромінювання і т. Д.)

Оптика в житті людини

Вивчаючи природу світла і закономірності його поширення, людина використовує отримані знання собі на користь. Найбільш часто зустрічаються в нашому житті оптичні прилади - це окуляри, мікроскоп, телескоп, фотооб'єктив, а також оптико-волоконний кабель, який використовується для прокладки ЛВС (про це ви можете дізнатися в статті