Физическая оптика

Открытое образование: Онлайн-курс

Физическая оптика

  • 10 недель
  • около 10 часов в неделю
  • 3 зачётных единицы

В курсе рассматривается излучение света и его распространение в вакууме и в материальных средах на базе волновой теории и в рамках корпускулярного подхода, а также обзор технических приложений основных идей классической оптики. Курс посвящен всем, кто планирует будущую работу в областях информационных технологий, механики и оптики.

Курс посвящен теоретическому анализу и экспериментальным демонстрациям основных явлений, связанных с излучением света и его распространением в вакууме и в материальных средах на базе волновой теории (на количественном уровне) и в рамках корпускулярного подхода (на качественном уровне), а также обзору технических приложений основных идей классической оптики. Дополнительными целями курса являются демонстрация глубокой связи законов волновой оптики с классической (неквантовой) электродинамикой, аналогий между оптическими и квантовомеханическими явлениями и постепенная подготовка слушателей к восприятию современных концепций квантовой механики, квантовой электродинамики и всей микро- и нанофизики.

При решении перечисленных задач используются апробированные автором в очном учебном процессе образовательные методики, основанные на реализации дополнительных возможностей, открываемых компьютерными, информационными, мультимедийными и телекоммуникационными технологиями.

В результате прохождения курса слушатели должны овладеть навыками использования в профессиональной деятельности основных законов оптики и электродинамики, применения методов математического анализа и моделирования; приобрести компетенции в области проведения самостоятельных исследований, обработки и представления экспериментальных данных, выполнения математического и численного моделирования процессов и объектов на базе готовых пакетов и в результате самостоятельного программирования.

Освоение курса внесет существенный вклад в формирование у слушателей базы для успешной профессиональной деятельности в области современных нано-, оптических, наукоемких исследований и технологий и позволит им построить весьма полезную для жителей и будущих специалистов ХХI века систему адекватных представлений о механизмах и законах получения человеком основного объема информации об окружающем мире через оптические каналы восприятия.

Формат

В состав курса входят видеолекции с опросами, упражнения и виртуальные лаборатории. Длительность курса составляет 10 недель. Трудоемкость курса – 3 зачетных единицы. Средняя недельная нагрузка на обучающегося – 10 часов.

  1. Бутиков Е.И. Оптика. Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н. И. Калитеевского. — М.: Высш. шк., 2012. — 608 с: ил.
  2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1995. — 463 с: ил.
  3. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики. Учеб. пособие для вузов. — СПб.: Питер, 2006. — 336 с: ил.
  4. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие для вузов. — 6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 848 с.
  5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., стереот. — М.: Физматлит, МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с.
  6. Чирцов А.С. Электромагнитные взаимодействия: Классическая электродинамика. Учеб. пособие. — СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2005. — 370 с.
  7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Справочное пособие. — М.: Наука, 1973 г. — 848 с.

Требования

Знание основ геометрической и волновой оптики в рамках школьного курса. Для прохождения курса дополнительного программного обеспечения не требуется.

Программа курса

В курсе рассматриваются следующие темы:

  1. Электромагнитные волны в вакууме. Поляризация
  2. Излучение света. Спектры
  3. Распространение света в веществе, поведение на границе сред
  4. Распространение света в различных средах
  5. Дифракция Гюйгенса-Френеля-Кирхгофа и дифракция Фраунгофера
  6. Интерференция
  7. Уравнение эйконала, принцип Ферма, геометрическая оптика
  8. Оптические приборы и голография

Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели. На 5-й и 10-й неделях запланированы промежуточная и итоговая аттестации соответственно.

В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;

– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.

Результаты обучения

  • знания в области фундаментальной и прикладной физики (геометрической, электромагнитной и волновой оптики) (РО-1)
  • умения и навыки применения эффективных методов геометрической и волновой оптики, а так же классической электродинамики для решения типовых задач (РО-2)

Формируемые компетенции

  • 12.03.01 Приборостроение
    1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, владение культурой мышления (ОК-1)
    2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
    3. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
    4. Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
    5. Способность выполнять математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований (ПК-23)
    6. Способность разрабатывать программы и их блоки, проводить их отладку и настройку для решения отдельных задач приборостроения (ПК-24)
  • 12.03.02 Оптотехника
    1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения владеет культурой мышления (ОК-1)
    2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, создавать тексты профессионального назначения (ОК-2)
    3. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
    4. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию по тематике исследования, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
    5. Способность к проведению эксперимента, к обработке и представлению экспериментальных данных (ПК-4)
    6. Способность к расчёту и проектированию элементов и устройств, основанных на различных физических принципах действия (ПК-7)
  • 12.03.03 Фотоника и оптоинформатика
    1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, владеть культурой мышления (ОК-1)
    2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, создавать тексты профессионального назначения (ОК-2)
    3. Способность применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12)
    4. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
    5. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
    6. Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
    7. Способность проектировать элементы и устройства, основанные на различных физических принципах действия (ПК-7)
    8. Готовность формулировать цели и задачи научных исследований (ПК-10)
    9. Способность предлагать пути решения, выбирать методику и средства проведения научных исследований (ПК-11)
    10. Способность владеть методикой разработки математических и физических моделей исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере (ПК-12)
    11. Способность планировать и проводить эксперименты, обрабатывать и анализировать их результаты (ПК-13)
    12. Способность применять современные методы проектирования типовых объектов фотоники и оптинформатики (ПК-22)
  • 12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии
    1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, способностью владеть культурой мышления (ОК-1)
    2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
    3. Способность использовать компьютер как средство управления информацией, формализовать задачу и строить алгоритм её решения, работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ПК-3)
    4. Способность проводить эксперименты, обработку и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
    5. Способность рассчитывать и проектировать элементы и устройства, основанные на различных физических принципах действия (ПК-7)
    6. Готовность моделировать процессы и объекты на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований, разрабатывать, отладить и настроить компьютерные программы и их отдельные блоки для решения задач лазерной техники и лазерных технологий (ПК-10)
    7. Способность проводить оптические, фотометрические, тепловые и электрические измерения и исследования различных объектов по заданной методике с выбором технических средств и обработкой результатов (ПК-11)
  • 16.03.01 Техническая физика
    1. Владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу и восприятию информации, к постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1)
    2. Умение логически верно, аргументированно и ясно строить литературную и деловую устную и письменную речь, свободное владение навыками публичной дискуссии, умение создавать и редактировать тексты профессионального назначения (ОК-2)
    3. Готовность и способность использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности (ПК-2)
    4. Готовность использовать физико-математический аппарат, способность применять методы математического анализа, моделирования, оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК-3)
    5. Способность и готовность к теоретическим и экспериментальным исследованиям в избранной области технической физики, готовность учитывать современные тенденции развития технической физики в своей профессиональной деятельности (ПК-4)
    6. Способность применять современные методы исследования физико-технических объектов, процессов и материалов, проводить стандартные и сертификационные испытания технологических процессов и изделий с использованием современных аналитических средств технической физики (ПК-11)
    7. Способность применять современные информационные технологии, пакеты прикладных программ, сетевые компьютерные технологии и базы данных в своей предметной области для расчета технологических параметров (ПК-15)
    8. Готовность использовать информационные технологии при разработке и проектировании новых изделий, технологических процессов и материалов технической физики (ПК-20)

Источник: https://openedu.ru/course/ITMOUniversity/PHYOPT/

Основные законы геометрической оптики

Физическая оптика
Определение 1

Оптика – один из разделов физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществами.

Данный раздел делят на три, приведенные ниже, части:

  • геометрическая или, как ее еще называют, лучевая оптика, которая базируется на понятии о световых лучах, откуда и исходит ее название;
  • волновая оптика, исследует явления, в которых проявляются волновые свойства света;
  • квантовая оптика, рассматривает такие взаимодействия света с веществами, при которых о себе дают знать корпускулярные свойства света.

В текущей главе нами будут рассмотрены два подраздела оптики. Корпускулярные свойства света будут рассматриваться в пятой главе.

Геометрическая оптика. Основные законы геометрической оптики

Задолго до возникновения понимания истинной физической природы света человечеству уже были известны основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Определение 1

Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Подтверждением этому служат резкие тени, которые отбрасываются непрозрачными телами при освещении с помощью источника света сравнительно малых размеров, то есть так называемым «точечным источником».

Иное доказательство заключается в достаточно известном эксперименте по прохождению света далекого источника сквозь малое отверстие, с образующимся в результате узким световым пучком. Данный опыт подводит нас к представлению светового луча в виде геометрической линии, вдоль которой распространяется свет.

Определение 2

Стоит отметить тот факт, что само понятие светового луча вместе с законом прямолинейного распространения света утрачивают весь свой смысл, в случае если свет проходит через отверстия, размеры которых аналогичны с длиной волны.

Исходя из этого, геометрическая оптика, которая опирается на определение световых лучей – это предельный случай волновой оптики при λ→0, рамки применения которой рассмотрим в разделе, посвященном дифракции света.

На грани раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться таким образом, что некоторая часть световой энергии будет рассеиваться после отражения по уже новому направлению, а другая пересечет границу и продолжит свое распространение во второй среде.

Закон отражения света

Определение 3

Закон отражения света, основывается на том, что падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости (плоскость падения). При этом углы отражения и падения, γ и α – соответственно, являются равными величинами.

Закон преломления света

Определение 4

Закон преломления света, базируется на том, что падающий и преломленный лучи, также как перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение sin угла падения α к sin угла преломления β является величиной, неизменной для двух приведенных сред:

sin αsin β=n.

Ученый В. Снеллиус экспериментально установил закон преломления в 1621 году.

Определение 5

Постоянная величина n – является относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Определение 6

Показатель преломления среды относительно вакуума имеет название – абсолютный показатель преломления.

Определение 7

Относительный показатель преломления двух сред – это отношение абсолютных показателей преломления данных сред, т.е.: 

n = n2n1.

Свое значение законы преломления и отражения находят в волновой физике. Исходя из ее определений, преломление является результатом преобразования скорости распространения волн в процессе перехода между двумя средами.

Определение 8

Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости во второй υ2:

n=υ1υ2.

Определение 9

Абсолютный показатель преломления эквивалентен отношению скорости света в вакууме c к скорости света υ в среде: 

n=cυ.

На рисунке 3.1.1 проиллюстрированы законы отражения и преломления света.

Рисунок 3.1.1. Законы отражения υ преломления: γ = α; n1 sin α=n2 sin β.

Определение 10

Среда, абсолютный показатель преломления которой является меньшим, является оптически менее плотной.

Определение 11

В условиях перехода света из одной среды, уступающей в оптической плотности другой (n2

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/geometricheskaja-optika/osnovnye-zakony-geometricheskoj-optiki/

Физическая оптика

Физическая оптика

Определение 1

Физическая оптика или оптика волны — раздел науки, основывающийся на принципе Гюйгенса и моделирующий распространение достаточно сложных фронтов внутреннего импульса через оптические системы, включая фазу и амплитуду волны.

Рисунок 1. Физическая оптика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Согласно принципу Гюйгенса, абсолютно каждая точка волновой поверхности является признаком возникновения вторичных волн. Для того чтобы найти ее положение в определенный период времени, зная только изначальное положение фронта волны, необходимо каждую материальную точку фронтовой среду рассматривать как главный источник данного явления.

Физическая оптика в виде современной техники обычно изучается в цифровой форме на компьютере, а также может объяснять такие процессы:

  • дисперсию;
  • дифракцию;
  • интерференцию;
  • эффекты поляризации;
  • поляризацию;
  • аберрацию;
  • электромагнитную волну.

У истоков становления науки об оптике находится зрение, зрительное восприятие, строение глаза.

Биологическая линза представляет собой ни что иное, как хрусталик глаза, а его сетчатка — основа возникновения светочувствительных фотоэлементов, глаз — главный фотоаппарат.

Указанное научное направление активно исследует и описывает взаимодействие спектра примыкающих к ним электромагнитных лучей, а также видимых материалов, взаимосвязанных со средой и веществом.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

История возникновения научной дисциплины “оптика”

В третьем столетии до нашей эры древнегреческий мыслитель Евклид сформулировал первые законы распространения световых лучей в научном трактате «Оптика».

По сути, эту работу ученого можно считать зарождением линейной или геометрической оптики.

После появления такой попытки систематизировать знания о свойствах света прошло много времени прежде, чем набор законов и теорий оформился в полноценную науку.

Замечание 1

Нерешаемым вопросом в течение длительного периода времени оставалась сущность природы происхождения цвета.

Высказывались многочисленные и разные мнения о том, что цвет — это всего лишь некая смесь света и тьмы в различных пропорциях, а также версия о неодинаковой скорости вращения активных световых частиц. Настоящим и официальным прорывом стали открытия исследователей 17 века в области волновой оптики.

Но комплексной теории о том, что же такое на самом деле оптика, объясняющей реальное существование интерференции, дифракции и других свойств света, не существовало. Господство и развитие корпускулярной гипотезы происхождения световых лучей пошатнул Ньютон.

Физик прекрасно осознавал все минусы и плюсы волновой и корпускулярной теорий.

Классификация и внедрение раздела оптика соответствует стремительному историческому развитию учения о главных свойствах света:

  • геометрическая – 3 столетие до нашей эры (Евклид);
  • физическая – 17 век (Гюйгенс);
  • квантовая – 20 век (Планк).

Стоит отметить, что основные понятия физической оптики были построены на ньютоновских законах и моделях. Описание распространения световых волн содержит известный принцип Гюйгенса-Френеля, который и стал фундаментом для развития данной теории.

Открытия в физической оптике

Основателем волновой гипотезы света считается Декарт. Согласно его идеям и взглядам, свет — это подобие давления, передающееся через тонкую, стабильную среду от светящегося вещества во всех направлениях.

Если любой материальное тело нагрето и продолжает светиться, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают определенное давление на элементы той системы, которая заполняет все пространство.

Этот параметр распространяется во все стороны и, доходя до человеческого глаза, вызывает в нем конкретные ощущение света. Однако нужно отметить то, что представления Декарта носили только умозрительный характер.

Первое открытие, которое свидетельствует о волновой природе света, было сделано итальянским изобретателем Франческо Гримальди (1618—1663 гг.

), который определил, что если на пути достаточно узкого пучка световых лучей поставить объект, то на поставленном сзади экране не появится резкой тени. Края тени будут размыты, кроме того, вдоль вектора формируются цветные полосы.

Открытое им явление исследователь назвал дифракцией. Гримальди описал этот процесс тем, что свет — это универсальный флюид, при встрече с которым в момент препятствий возникают волны.

Определение 2

Дифракцией света также называется явление вероятного огибания световыми волнами небольших препятствий, которые встречаются на пути их распространения.

Например, при прохождении светового луча через круглое малое отверстие на поверхности вокруг центрального светлого пятна появляются чередующиеся светлые и темные кольца. Чем меньше параметры экрана или отверстия, тем сильнее становится дифракция света.

Вторым важным открытием в области физической оптики является обнаружение интерференции света. Важная роль в исследовании данного явления принадлежит английскому физику-теоретику Роберту Гуку (1635-1703). Ученый считал, что свет — это систематические колебательные движения, распространяющиеся в определенном эфире.

Третье, но не менее важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано в начале 1669 года датским изобретателем Бартолином. Он открыл процесс двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата.

Бартолин утверждал, что если смотреть на какой-либо объект через указанный кристалл, то будет видно не одно, а сразу два ярких изображения, смещенные относительно осей друг друга.

Это явление затем тщательно исследовал Гюйгенс и в результате дал ему объяснение с точки зрения волновой гипотезы света.

Применение физической оптики

Значение физической оптики для практики и ее влияние на другие научные разделы весьма существенны и велики.

Так, создание современного спектроскопа и телескопа существенно расширила возможности человека в познании окружающего его мира, наполненного множеством тайн. Изобретение и внедрение микроскопа принципиально изменило такую область науки, как биология.

Фотография, которая появилась посредством методов физической оптики, также помогает почти всем научным отраслям, а отсутствие очков ухудшило бы качество человеческой жизни.

Явления, которые постоянно исследуются физической оптикой, составляют большой список.

Замечание 2

Оптические процессы связаны со многими эффектами, изучаемыми в других разделах физики, при этом способы их исследования относят к наиболее точным и тонким.

Благодаря этому оптика длительное время играла ведущую роль практически во всех разработках, была фундаментом для главных физических воззрений. Так, например, гипотеза относительности и квантовая теория сформировались и начали свое становление на базе оптических исследований.

Создание лазеров открыло новые невероятные возможности не только в оптике, но и во многих отраслях техники. Оптика — одна из важнейших и древнейших наук, которая и на сегодняшний день продолжает интенсивно развиваться.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskaya_optika/

Booksm
Добавить комментарий