Предмет и задачи оптики

Оптика — Физика для всех

Предмет и задачи оптики

О́птика (от др.-греч. ὀπτική, optike' появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное иультрафиолетовое излучение).

Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности,офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.

Природа света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

  • Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину  , где частота  соответствует частоте излучённого света, а  есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.
  • Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматическихэлектромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работахМаксвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Характеристики света

Длина световой волны  зависит от скорости распространения волны в среде  и связана с нею и частотой  соотношением:

где  — показатель преломления среды. В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: . Зависимость показателя преломления от длины волны проявляется в виде явления дисперсии света.

Характеристиками света являются:

Скорость света

Универсальным понятием в физике является скорость света .

Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения информации или любого воздействия на материальные объекты.

При распространении света в различных средах фазовая скорость света  обычно уменьшается: , где  есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: .

В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше . Последнее утверждение не входит в противоречие с теорией относительности, поскольку передача информации с помощью света происходит не с фазовой, а, как правило, с групповой скоростью.

Оптика других диапазонов

Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей природе, а по способу генерации и приёма излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

Волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. В зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения.

Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только видимую область спектра, отделённую от других областей чёткими границами.

Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в видимой области спектра и наоборот.

Аналогичные явления встречаются в распространении рентгеновского излучения и радиоволн, в микроволновых печах и т. п. Оптика, таким образом, может рассматриваться как разделэлектромагнетизма.

Некоторые оптические явления зависят от квантовой природы света, что связывает некоторые области оптики с квантовой механикой.

Практически, огромное большинство оптических явлений могут рассматриваться, как электромагнитные колебания, описанные Уравнениями Максвелла.

Классическая оптика

До появления квантовой оптики оптика в целом основывалась на классическом электромагнетизме. Классическая оптика делится на две главные ветви: геометрическая оптика и физическая оптика.

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика или оптика луча, описывает распространение света термином луч. Работы Гюйгенса «Волновая теория света», которые были написаны под влиянием фундаментальных работ Ньютона, и вошли потом в «Оптику», оказали большое влияние на современников.

Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришёл к выводу, что «явление окрашивания остаётся ещё весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма».

Поэтому он счёл наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своём трактате.

В своем небольшом трактате первым он рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части — отражение, в третьей — преломление, в четвёртой — атмосферную рефракцию, в пятой — двойное лучепреломление и в шестой — формы линз.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения — явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона усложнять свою теорию, нагромождая одну теорию на другую. По существу, эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в более плотной среде.

«Луч» в геометрической оптике — абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Приняв это абстрактное понятие и связанные с ним правила, мы существенно упрощаем задачу оптики, но не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, напримердифракцию и поляризацию.

Параксиальное приближение

Следующее упрощение в геометрической оптике — параксиальное приближение, или «приближение малых углов». Математически поведение луча становится линейным, позволяя представить оптические компоненты простыми матрицами. Применение методов Гауссовской оптики позволяет найти свойства первого порядка оптических систем.

Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики, описывающее более точную модель поведения лучей.

Используя параксиальное приближение и явление дифракции, данный набор методов описывает расширение светового пучка с расстоянием и минимальный размер светового пятна, в которое может быть сосредоточен световой пучок. Тем самым эта модель является промежуточной между геометрической и физической оптикой.

Физическая оптика

Наглядное изображение дисперсии света в призме

Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, аберрацию и природу других сложных эффектов.

В этом разделе оптики также используются приближения, а не полная электромагнитная модель распространения света. Однако в простых случаях, а по мере роста доступных вычислительных мощностей и в более сложных, становится возможным полный расчёт по точной теории.

Современная оптика

Физиологическая оптика

Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в XX столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но включают и другие области.

Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия.

Рентгеновская оптика

Рентгеновская оптика — отрасль прикладной оптики, изучающая процессы распространения рентгеновских лучей в средах, а также разрабатывающая элементы для рентгеновских приборов. Рентгеновская оптика в отличие от обычной рассматривает электромагнитные волны в диапазоне длин волн рентгеновского 10−4 до 100 Å (от 10−14 до 10−8 м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

Источник: https://www.sites.google.com/site/fizikadlavseh1/home/razdely-fiziki/optika

1.1. Предмет оптики

Предмет и задачи оптики

Оптика (от греческого optike — наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Длины волн оптического излучения заключены в диапазоне с условными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра (диапазон частот 3×1017 – 3×1011 Гц).

К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и УФ-излучение.

Оптический диапазон длин волн l охватывает около 20 октав и, следовательно, ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения.

Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне.

Для оптических методов исследования характерно формирование направленных потоков оптического излучения с помощью оптических систем, формирование оптических изображений предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны l излучения.

В оптическом диапазоне отчетливо проявляются одновременно и волновые и корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Волновые свойства оптического излучения позволяют дать объяснение явлениям дифракции, интерференции, поляризации.

В то же время процессы фотоэлектрической эмиссии, тепловое излучение невозможно понять, не привлекая представлений об оптическом излучении как о потоке частиц-фотонов.

Эта двойственность природы оптического излучения находит общее объяснение в квантовой механике.

Виды оптического излучения классифицируются по следующим признакам:

По природе возникновения — тепловое, люминесцентное, синхротронное.

По особенностям испускания атомов и молекул — спонтанное и вынужденное.

По степени однородности спектрального состава — монохроматическое, немонохроматическое.

По степени пространственной и временной когерентности.

Упорядоченности ориентации векторов и естественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически поляризованное.

По традиций оптику принято подразделять на геометрическую, физическую, физиологическую.

Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, а исходит из эмпирических законов его распространения. Здесь используется представление о световых лучах, которые преломляются и отражаются на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптического изображения объекта как совокупность изображений отдельных его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления — миражи, радуга).

Наибольшее значение геометрическая оптика с частичным привлечением волновой оптики имеет для расчета и конструирования оптических приборов, от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов.

Благодаря развитию и вычислительной математики и применению современной вычислительной техники такие расчеты достигли высокого совершенства, и сформировалось отдельное направление, получившее название вычислительной оптики.

Физическая оптика рассматривает вопросы, связанные с процессами испускания света, природы света и световых явлений.

Волновая оптика изучает совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света. Ее математическим основанием служит общее уравнение классической электродинамики — уравнение Максвелла.

Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами: значением диэлектрической проницаемости e и магнитной проницаемости m, входящими в уравнение Максвелла в виде коэффициентов.

Эти значения однозначно определяет показатель преломления среды N.

Феноменологическая волновая оптика оставляет в стороне вопрос о связи величин e и m, определяемых экспериментально, со структурой вещества. Она позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы ее применимости.

Но в отличие от геометрической оптики она дает возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих световые пучки систем, значительно больше длины волны излучения, но и при любом соотношении между ними.

Во многих случаях решение конкретных задач методов волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным.

Поэтому получила развитие квазиоптика, в которой процессы распространения, преломления и отражения волновых пучков с сечением > l описываются геометрически, но учитываются дифракционные вклады и, тем самым, волновая природа излучения.

Огромную роль в развитии волновой оптики сыграло установление связи e и m с молекулярной и кристаллической структурой вещества.

Это позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ раздела, а также зависимость от e оптических свойств сред, влияние на световые явления температуры, давления, звука, электрических, магнитных полей и многих других факторов.

В классической волновой оптике e и m, N считаются независимыми от интенсивности света. Соответствующие оптические процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Однако во многих случаях это утверждение несправедливо, что приводит к совершенно новым явлениям и закономерностям, таким как изменение угла преломления светового луча на границе двух сред при изменении интенсивности, сжатие и расширение световых пучков (самофокусировка и самодифракция света), изменение спектрального состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник, взаимодействие световых пучков в результате модуляции светом величины e) и появление в излучении комбинированных частот (параметрические явления). Все эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей большое практическое значение в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в различных материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследования этих процессов (фотоэффект, фотохимическое превращение молекул, закономерности оптических спектров) и т. д.

и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения.

По этому световому потоку сопоставляется поток квантов света, распространяющихся в вакууме со скоростью c. Эффекты, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются методами квантовой оптики.

Эти методы развиты в квантовой механике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света, то есть наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам и частицам, является частным случаем корпускулярно-волнового дуализма.

Эта концепция бала впервые сформулирована для оптического излучения, затем она утвердилась как универсальная для всех частиц микромира и затем была экспериментально подтверждена для радиоизлучения (квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиофизике во многом стерло резкую границу между радиофизикой и оптикой.

Сначала в радиофизике, а затем и в физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерацией вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов (мазеров и лазеров).

В отличие от излучения обычных источников света излучение лазеров обладает большой временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью) высокой монохроматичностью Dn/n » 10 – 14, предельно малой расходимостью, что позволяет получить при фокусировке недопустимые для каких-либо других устройств напряженности электрического поля, превышающее внутриатомное.

Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений в физической оптике.

Оказалось возможным реализовать практически идеи голографии, большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управление ими (когерентная оптика).

Дальнейшее развитие получили метода и средства автоматического управления системами, позволяющие компенсировать искажения световых пучков, проходящих через неоднородные среды (адаптивная оптика).

Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на вещество. Начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазерной техники потребовало разработки новых оптических материалов, пропускающих без их повреждения интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Физиологическая оптика изучает строение и функционирование всего аппарата зрения от глаза до коры головного мозга. Здесь разрабатывается теория зрения, восприятие света и цвета. Результаты используются в медицине, физиологии и в технике при разработке разнообразных устройств, от осветительных приборов и очков до цветного кино и телевидения.

Источник: https://www.webpoliteh.ru/1-1-predmet-optiki/

Предмет и задачи оптики

Предмет и задачи оптики

Оптика как раздел физики посвящена изучению законов, свойств, и принципов взаимодействия с веществом электромагнитного поля в оптическом диапазоне длин волн (света). Оптику как дисциплину иногда условно делят на геометрическую, физическую и физиологическую оптику.

Определение 1

Геометрическая оптика — наука о законах, по которым свет распространяется в оптических системах, происходит формирование изображения.

Данный раздел оптики не интересуется природой света, делает выводы из эмпирических законов, пользуется представлением о луче света (прямолинейном в однородной среде), который может отражаться и преломляться на границах разделах веществ, обладающих разными оптическими свойствами.

Еще до установления природы света были известны оптические законы:

  • закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде,
  • закон независимости световых пучков (для линейной оптики);
  • закон отражения и преломления света.

Определение 2

Физическая оптика — наука, которая исследует проблемы испускания света, природу света и световых явлений.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Под светом понимают не только видимый свет, но и достаточно широкие области электромагнитного излучения, такие как инфракрасная и ультрафиолетовая области спектра. Разные участки спектра излучения отличны друг от друга длинной волны ($\lambda $) и, соответственно, частотой ($u$).

Данные величины характеризуют не только волновые, а также квантовые свойства света. Электромагнитный спектр делят на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Данные участки спектра отличаются не физической природой, а способом их получения и приема.

Между данными видами волн не существует резких переходов, участки могут перекрываться, границы являются условными.

Определение 3

Физиологическая оптика — наука изучающая строение и функционирование аппарата зрения (от глаза до коры головного мозга), разрабатывающая теорию зрения, восприятия света и цвета.

Видимое и инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют оптическую область спектра. Выделение данной области определено близким расположением их участков спектров, а также однотипностью методов, приемов и средств их исследования.

Оптический спектр лежит в диапазоне от границы (условной) инфракрасного излучения ($\lambda =2мм,\ u =1,5\cdot {10}{11}Гц$) до условной границы ультрафиолетового излучения ($\lambda =10нм,\ u =3\cdot {10}{16}Гц$). Видимое излучение находится в диапазоне $\lambda =400-760нм$.

В оптической области спектра частоты уже нельзя считать малыми в сравнении с собственными частотами атомов и молекул. Из-за чего в области видимого спектра проявляются свойства связанные со строением вещества. В совокупности с волновыми свойствами, выявляются квантовые.

Энергия светового кванта при этом равна:

где $h$=$6,63\cdot {10}{-34}Дж\cdot с$ — постоянная Планка.

Примечание 1

Для рентгеновского и гама — излучения квантовые свойства излучения становятся более значимыми, чем волновые.

Необходимо отметить, что волновые и квантовые свойства имеются у всего спектра электромагнитного излучения, но в зависимости от длины волны один вид свойств превалирует по значимости над другим, соответственно, применяются различные в методы их исследования.

В зависимости от длины волны разные группы волн имеют различные виды практического применения. Следовательно, оптику не следует рассматривать как замкнутую дисциплину, которая изучает только оптическую часть спектра, отделяя другие области четкими границами.

Результаты и законы, полученные в других областях, иногда оказываются применимы в оптической области спектра и наоборот.

Определение 4

Итак, предмет изучения оптики: свойства оптического излучения, которые проявляются в процессах его генерации, распространения и взаимодействия с веществом.

Практическое значение оптики, ее влияние

Значение оптики для практики и ее влияние на другие области знания весьма существенны. Так, создание телескопа и спектроскопа значительно расширила возможности человека в познании окружающего его мира. Изобретение микроскопа принципиально изменило биологию. Фотография помогает почти всем отраслям науки. Отсутствие очков ухудшило бы качество жизни многих людей.

Явления, которые изучаются физической оптикой, составляют большой перечень. Оптические явления связаны со многими эффектами, исследуемыми в других разделах физики, при этом оптические методы их исследования относят к наиболее тонким и точным.

Из-за этого оптика очень долгое время играла ведущую роль во многих фундаментальных физических разработках, была основой для основных физических воззрений. Так, например, теория относительности и квантовая теория зародились и начали свое развитие на почве оптических исследований.

Создание лазеров открыло новые возможности не только в оптике, но и многих отраслях науки и техники.

Оптика — одна из древнейших наук, по настоящее время она продолжает интенсивно развиваться.

Задачи оптики

Наиболее важными задачами оптики являются:

  • открытие законов, которые определяют взаимовлияние оптического излучения и вещества, в котором происходит данный процесс;
  • создание методов и методик управления параметрами излучения;
  • поиск новых способов записи и передачи информации с использованием света.

Перспективными задачам оптики на сегодняшний день являются:

  • создание высокоэнергетических областей и плазменных каналов в мощных лазерах;
  • исследования нелинейной оптики фотонных кристаллов;
  • изучение лазерного возбуждения внутриядерных переходов;
  • исследования в области нелинейной поляризационной оптики;
  • разработки в области квантовой теории информации;
  • Исследование эффектов нелинейной поляризационной оптики и т.д.

Пример 1

Задание: Длины волн видимого диапазона заключен в пределах $0,38 — 0,76 мкм$, почему мы видим именно в этом диапазоне?

Решение:

Интенсивность излучения, отражения и поглощения зависит от частоты излучения, температуры, свойств веществ. Температура поверхности Солнца равна примерно $6000К$. Спектр его излучения подобен спектру излучения абсолютно черного тела. Максимум интенсивности излучения по длинам волн приходится на $\lambda \approx 0,5\ мк\ м.$

Решающее значения для хорошего видения имеет соотношение между потоком фотонов, которые несут информацию о предмете, и потоком тепловых фотонов, которые информации не несут, но создают фоновый шум. Чем больше превышение потока информационных фотонов, тем лучше зрение.

Видение предметов происходит посредством отраженного света.

Так, для зрения больше всего подходит интервал около длины волны, на которую приходит максимальная интенсивность излучения, то есть $\lambda \approx 0,5\ мк\ м$, при этом необходимо, чтобы интервал был таким, что на него приходится существенная доля полной энергии излучения.

Именно таким условиям удовлетворяет видимый диапазон электромагнитных волн. Поэтому в результате эволюции именно в таком диапазоне развивалась возможность человека видеть. На более короткие волны приходится слишком малая доля энергии, а на более длинных волнах большой объем тепловых шумов.

Ответ: Итак, видимый диапазон является наиболее подходящим для зрения, так как на меньшие длины волн днем около поверхности Земли приходится слишком малая доля энергии, тогда как на больших длинах волн возникают шумы, которые мешают зрению.

Пример 2

Задание: Каковы изменения спектра солнечного света при прохождении сквозь атмосферу?

Решение:

Самым интенсивным источником электромагнитного излучения на Земле является Солнце. Спектр его излучения такой же, как у абсолютно черного тела с температурой в $6000 К$.

При прохождении света через атмосферу Земли из-за рассеяния и поглощения состав солнечного спектра сильно изменяется, причём изменение его зависит от толщины слоя воздуха, который он преодолевает, его запыленности.

В конечном итоге спектр у поверхности Земли заканчивается на длине волны равной $\lambda $$\approx 0,3\ мкм.$ Волны с меньшей длиной волны от Солнца до Земли не доходят, так как они поглощаются азотным слоем в верхних слоях атмосферы Земли.

Ослабление волн зависит от высоты Солнца над уровнем горизонта. При прохождении атмосферы сильнее всего ослабляются короткие волны. Из-за поглощения в атмосфере доля энергии ультрафиолетовой части спектра уменьшается, соответственно инфракрасной и микроволновой растет.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/predmet_i_zadachi_optiki/

Оптика — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Оптические приборы

Предмет и задачи оптики

Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.

Что изучает оптика

Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как «наука о зрительных восприятиях». Оптика — раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением.

Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения.

И неудивительно: глаз — это сложная оптическая система.

История становления науки

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.

Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.

В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах — крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.

В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.

Разделы

Предмет исследований оптики — это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.

Это:

  • геометрическая оптика;
  • волновая;
  • квантовая.

Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.

Волновая оптика и ее понятия

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.

Основные понятия данного раздела оптики — это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.

Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета.

Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны.

Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.

Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как «разломанный». Дифракция в оптике — это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца — светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.

Последнее ключевое понятие волновой оптики — это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.

Квантовая оптика

Свет — это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.

Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός — «свет»). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc2 также применяется для изучения свойств света.

задача этого раздела — изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.

Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:

  • тепловое излучение;
  • фотоэффект;
  • фотохимические процессы;
  • вынужденное излучение и др.

В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики.

Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др.

Еще одно применение — квантовая криптография — секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному — 1.

В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?

Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.

Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.

Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.

Оптика и зрение

Глаз — это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением.

С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз.

Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название — оптика.

Можно подвести итог. Итак, оптика — это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

Источник: https://FB.ru/article/434756/optika---eto-razdel-fiziki-izuchayuschiy-povedenie-i-svoystva-sveta-opticheskie-priboryi

34)Предмет оптики. Геометрическая оптика

Предмет и задачи оптики

Оптика— раздел физики, в котором изучаютсяоптическое излучение (свет), егораспространение и явления, наблюдаемыепри взаимодействии света и вещества.

Оптическоеизлучение представляет собойэлектромагнитные волны и поэтому оптика— часть общего учения об электромагнитномполе. Длины волн оптического излучениязаключены в диапазоне с условнымиграницами от единиц нанометров додесятых долей миллиметра (диапазончастот 3×1017 – 3×1011 Гц).

К оптическомуизлучению помимо воспринимаемогочеловеческим глазом видимого излучения(обычно называемого светом) относятсяинфракрасное излучение и УФ-излучение.

Оптический диапазон длин волн l охватываетоколо 20 октав и, следовательно, ограниченс одной стороны рентгеновскими лучами,а с другой — микроволновым диапазономрадиоизлучения.

Такоеограничение условно и в значительнойстепени определяется общностьютехнических средств и методов исследованияявлений в указанном диапазоне.

Дляоптических методов исследованияхарактерно формирование направленныхпотоков оптического излучения с помощьюоптических систем, формированиеоптических изображений предметов спомощью приборов, линейные размерыкоторых много больше длины волны lизлучения.

Воптическом диапазоне отчетливопроявляются одновременно и волновые икорпускулярные свойства электромагнитногоизлучения. Волновые свойства оптическогоизлучения позволяют дать объяснениеявлениям дифракции, интерференции,поляризации.

В то же время процессыфотоэлектрической эмиссии, тепловоеизлучение невозможно понять, не привлекаяпредставлений об оптическом излучениикак о потоке частиц-фотонов.

Свойствокоторое характеризует свет в однихслучаях, как электромагнитную волну, ав других – как поток особых частиц,называется корпускулярно-волновымдуализмом.

Видыоптического излучения классифицируютсяпо следующим признакам:

  • По природе возникновения — тепловое, люминесцентное, синхротронное.

  • По особенностям испускания атомов и молекул — спонтанное и вынужденное.

  • По степени однородности спектрального состава — монохроматическое, немонохроматическое.

  • По степени пространственной и временной когерентности.

  • Упорядоченности ориентации векторов иестественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически поляризованное.

Потрадиций оптику принято подразделятьна геометрическую, физическую,физиологическую.

Геометрическаяоптикане рассматривает вопрос о природе света,а исходит из эмпирических законов егораспространения. Здесь используетсяпредставление о световых лучах, которыепреломляются и отражаются на границахсред с разными оптическими свойствамии прямолинейных в оптически однороднойсреде.

Методыгеометрической оптики позволяют изучатьусловия формирования оптическогоизображения объекта как совокупностьизображений отдельных его точек иобъяснить многие явления, связанные спрохождением оптического излучения вразличных средах, в том числе неоднородных(например, искривление лучей в земнойатмосфере вследствие непостоянства еепоказателя преломления — миражи,радуга).

Наибольшеезначение геометрическая оптика счастичным привлечением волновой оптикиимеет для расчета и конструированияоптических приборов, от очковых линздо сложных объективов и огромныхастрономических инструментов.

Благодаряразвитию и вычислительной математикии применению современной вычислительнойтехники такие расчеты достигли высокогосовершенства, и сформировалось отдельноенаправление, получившее названиевычислительной оптики

Формулатонкой линзы

Формулатонкой линзы связывает d (расстояние отпредмета до оптического центра линзы),f (расстояние от оптического центра доизображения) с фокусным расстоянием F

ТреугольникАВО подобен треугольнику OB1A1.Из подобия следует, что

ТреугольникOCF подобен треугольнику 1A1.Из подобия следует, что

Припадении световой волны на плоскуюграницу раздела двух оптически прозрачныхдиэлектриков волна испытывает отражениеот границы раздела (волна возвращаетсяв ту среду, из которой падала) и преломление(уходит во вторую среду). Таким образом,на границе раздела двух сред выполняютсязаконы отражения и преломления света(рис. 3.1).

Рис.3.1. Явлениеполного внутреннего отражения

При

.

(3.1)

Явлениеполноговнутреннего отражениязаключается в том, что преломленнаяволна отсутствует. Это возможно толькотогда, когда .

Пусть,тогда из (1),или.Но так как углыименяютсяв пределах от 0 до,то.И уголвсегда!Другими словами, преломленная волнавсегда существует.

Пусть,тогда из (1),или,или.Тогда при некотором значенииприметзначениеииз (1) получим:

.

(3.2)

Этои есть закон полного внутреннегоотражения. Он означает, что для всехуглов падения ,больших,свет во вторую среду не преломится, аполностью отразится.

Преломлениесвета–это  изменение направленияраспространения света при прохождениичерез границу раздела двух сред.

Преломлениесвета происходит по следующему закону:

Падающийи преломленный лучи и перпендикуляр,проведенный к границе раздела двух средв точке падения луча, лежат в однойплоскости. Отношение синуса угла паденияк синусу угла преломления есть величинапостоянная для двух сред:

,

гдеα— угол падения,

β— угол преломления,

n— постоянная величина, не зависящая отугла падения.

Приизменении угла падения изменяется иугол преломления. Чем больше уголпадения,

тембольше угол преломления.

Еслисвет идет из среды оптически менееплотной в более плотную среду, то уголпреломления всегда меньше угла падения:β < α.

Лучсвета, направленный перпендикулярно кгранице раздела двух сред, проходит изодной среды в другую безпреломления.

Показатель преломления света делитсяна :

  1. Абсолютный— величина равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде: . Зависит от химического состава среды, ее состояния (температуры, давления и т.п.) и частоты света (см. дисперсия света).

    2) Относительный — (Показатель преломления второй среды относительно первой) величина равная отношению фазовой скорости в первой среде к фазовой скорости во второй:.

    Показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления перовой среды.

Источник: https://studfile.net/preview/2455643/page:19/

Booksm
Добавить комментарий