Явления физической оптики

Явления физической оптики

Явления физической оптики

Первые научные представления о том, что такое на самом деле свет, ученые относят к древности.

Подавляющее большинство древних мыслителей рассматривало световое явление как универсальные лучи, соединяющие в одно целое человеческий глаз и светящееся тело.

При этом одни из них утверждали, что лучи исходят непосредственно из глаз человека, они как бы пытаются нащупать рассматриваемый объект. Однако позже, к началу XVII столетия, такое учение о природе света потеряло свое значение.

Определение 1

Физическая оптика – обширный и важный раздел физики, в котором исследуются свойства и природа электромагнитного излучения, активное взаимодействие разных видов излучения с окружающей средой, законы преобразования явления, наблюдаемого при прохождении его через оптические устройства.

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

Принципы построения оптико-физических концепций на сегодняшний день также относятся к сфере этой науки.

Физическая оптика тщательно изучает природу света, его основные законы, рассматривая такие его свойства:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • дифракцию;
  • интерференцию;
  • поляризацию света;
  • фотоэлектрический эффект;
  • явления, напрямую связанные с волновой природой света.

Физическая оптика как универсальный отдел электродинамики

Физическая оптика формирует универсальный отдел электродинамики, который охватывает быстро меняющиеся электромагнитные поля. Особенное ее значение заключается в том, что она исследует ту область физики, где происходят наиболее тонкие измерения и в результате этого возможно наиболее глубокое понимание всех подробностей физических процессов.

Вместе с тем в физической оптике значительно яснее, чем в других научных областях, проявляется достаточно необычная тенденция исследования — оставить исходную точку в виде чувственных ощущений и выстроить тем самым правильные понятия на более объективных основаниях.

В то время как основные оптические понятия — понятия цвета и света – возникали первоначально из впечатлений человеческого глаза, в современной физике эти определения не имеют ничего общего с такими ощущениями, однако относятся к периодам колебаний и электромагнитным полям.

Замечание 1

Такое развитие физической оптики как отдела электродинамики вполне оправдывается принесенными им богатыми и значимыми для всей науки плодами.

Методы указанного направления в физике используются для решения разнообразных практических задач. При этом ключевая цель таких задач часто состоит в изучении оптического излучения и в определении точных параметров рассматриваемого предмета по тем сведениям, которые содержатся в этом явлении при тесном взаимодействии его с другим веществом.

Способы физической оптики считаются весьма универсальным; они применяются, как в задачах рассеяния магнитных волн на ровных полностью или частично освещенных элементах, так и в пространствах, где предметом рассеяния выступают материальные тела с кромками.

Немного хуже оптика физических явлений функционирует в вопросах распределения волн на веществах с сильными изломами поверхности, в итоге точность ее оказывается удовлетворительной только в направлениях геометрических отражений. В тех направлениях, где главная роль принадлежит краевым волнам, методы изучаемого раздела дает неверные результаты.

Основные законы явлений физической оптики

Рисунок 2. Границы применимости законов классической механики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Уже в период проведения первых оптических исследований были экспериментально установлены следующие четыре основных закона явлений физической оптики:

  • закон самостоятельности световых пучков;
  • закон прямолинейного распределения света;
  • закон полноценного отражения от зеркальной поверхности;
  • закон преломления световых лучей на границе двух прозрачных сред.

Дальнейшее изучение и реализация на практике этих законов продемонстрировали, что они имеют не только гораздо более глубокий смысл, чем может показаться с первого взгляда, а и ограниченность их применения так как ни считаются лишь приближенными к действительности теориями.

Установление границ применимости и условий главных оптических законов означало огромные прогресс в рассмотрении свойств природы света.

Более тщательное исследование описываемых процессов показывает, что гипотеза прямолинейного распространения световых лучей теряет силу, если перейти к очень малым отверстиям.

Законы преломления и отражения света также справедливы и возможны только при соблюдении всех известных условий.

В том случае, когда параметр отражающей поверхности, разделяющей две активно действующие среды, мал возникают заметные отступления от указанных постулатов физической оптики.

Однако для обширной сферы явлений, наблюдаемых в простых оптических приборах, все вышеуказанные законы соблюдаются всегда достаточно строго.

Идеальные оптические системы

Ученый Гаусс в 1841 году описал первую общую теорию оптических систем, получившую дальнейшее развитие в работах многих математиков и физиков. Теория Гаусса представляет собой гипотезу идеальных системы, в которых сохраняется энергия пучков и изображение, геометрически подобное объекту.

Согласно этой идее, определение любой точки пространства предметов должно соответствовать идеальной системе отсчета. Такие элементы носят название сопряженные точки.

Таким образом, теория идеальной физической системы в оптике есть только геометрическое предположение, устанавливающее соотношение между линиями, точками и плоскостями.

Идеальная система в физическая оптике может быть осуществлена с определенным приближением в виде центрированной концепции, если ограничиться средой вблизи основной оси симметрии, то есть параксиальными пучками. В трудах Гаусса требование «тонкости» оптической системы отпадает, но лучи остаются неизменными.

Замечание 2

Задачей геометрической оптики является разыскание такой оптической системы, которая максимально приближалась бы к идеальной.

Определение 2

Линия, соединяющая все центры сферических поверхностей, называется основной оптической осью изучаемой системы.

Теория Гаусса устанавливает и описывает ряд так называемых плоскостей, задание которых состоит в расшифровке показателей концепции и рассмотрении реального хода лучей.

Любая точка линии всегда сопряжена с другим элементом, лежащим на аналогичной высоте. То же относится и к плоскостям, которые проведенным перпендикулярно к центральной оси, так как вся система симметрична относительно данного положения.

Такие плоскости в физической оптике называются главными плоскостями.

Таким образом, идеальная оптическая концепция должна обладать центральными плоскостями. Точки пересечения главных линий с осью носят название ключевых точек системы.

Роль физической оптики в развитии современной физики

Роль оптики в развитии современной физики велика. Возникновение двух наиболее важных и революционных гипотез двадцатого столетия (теории относительности и квантовой механики) непосредственно связано с оптическими исследованиями.

Замечание 3

Оптические способы анализа вещества на молекулярном уровне стали причиной возникновения специального научного направления – молекулярной оптики.

К ней тесно примыкает оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при изучениях плазмы, в астрофизике. Существуют также нейтронная и электронная оптики; разработаны электронный микроскоп и нейтронное зеркало.

Законы общего построения изображения служат базой для разработки разнообразных оптических приборов. Основной частью любого устройства в области физической оптики является некоторая оптическая концепция. Сфера явлений, исследуемая данным разделом физики, весьма обширна.

Оптические процессы теснейшим образом связаны с явлениями, рассматриваемые в других разделах науки, а способы исследования в физической оптике относят к наиболее тонким и точным.

Поэтому неудивительно, что в течение длительного времени именно этому научному направлению принадлежала ведущая роль во многих фундаментальных экспериментах и становлении основных физических воззрений.

Изобретение современных лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в различных отраслях техники.

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

Оптические явления (физика, 8 класс). Атмосферное оптическое явление. Оптические явления и приборы

Явления физической оптики

Издавна миражи, мерцающие фигуры в воздушной среде настораживали и ужасали людей. В наши дни ученые раскрыли многие тайны природы, в том числе и оптических явлений. Их не удивляют природные загадки, суть которых давно изучена. В средней школе сегодня проходят оптические явления на физике в 8 классе, так что понять их природу может любой ученик.

Основные понятия

Ученые древности считали, что человеческий глаз видит благодаря ощупыванию предметов тончайшими щупальцами. Оптика в то время была учением о зрении.

В средневековье оптика изучала свет и его суть.

Сегодня оптика – это часть физики, изучающая распространение света по разнообразным средам и его взаимодействие с другими веществами. Все вопросы, касающиеся зрения, изучает физиологическая оптика.

Оптические явления же – это проявления разноплановых действий, совершаемых лучами света. Их изучает атмосферная оптика.

Необычные процессы в атмосфере

Планету Земля окружает газовая оболочка, называемая атмосферой. Ее толщина составляет сотни километров. Ближе к Земле атмосфера более плотная, по направлению вверх разрежается. Физические свойства атмосферной оболочки постоянно меняются, слои смешиваются. Изменяют температурные показатели. Плотность, степень прозрачности сдвигаются.

От Солнца и прочих небесных светил по направлению к Земле идут световые лучи. Они проходят через атмосферу Земли, которая для них служит специфической оптической системой, меняющей свои характеристики.

Световые лучи отражаются, рассеиваются, проходят через атмосферу, освещают землю. При определенных условиях путь лучей изгибается, поэтому возникают разнообразные феномены.

Наиболее оригинальными оптическими явлениями физики считают:

  • закат солнечного светила;
  • появление радуги;
  • северное сияние;
  • мираж;
  • гало.

Рассмотрим их подробнее.

Гало вокруг Солнца

Само слово «гало» по-гречески означает «круг». Какое оптическое явление лежит в его основе?

Гало – это процесс светопреломления и отражения лучей, возникающий в облачных кристаллах высоко в атмосфере. Выглядит явление как светящиеся лучи около Солнца, ограниченные темным интервалом. Обычно гало образуются перед циклонами и могут быть их предвестниками.

Водные капли замерзают в воздухе и принимают правильную призменную форму с шестью сторонами. Все знакомы с сосульками, появляющимися в нижних атмосферных слоях.

у такие ледяные иголочки свободно опускаются в вертикальном направлении. Кристаллические льдинки кружатся, спускаются на землю, при этом они имеют параллельное расположение по отношению к земле.

Человек направляет зрение через кристаллы, которые выступают в роли линз и преломляют свет.

Другие призмы получаются плоскими или выглядят как звезды с шестью лучами. Лучи света, попадая на кристаллы, могут не подвергнуться преломлению или испытать ряд других процессов. Редко случается, чтобы все процессы были хорошо видны, обычно та или иная часть явления проявляется отчетливее, а другие представлены слабо.

Малое гало – это окружность вокруг солнца с радиусом примерно в 22 градуса. Цвет круга – красноватый изнутри, далее перетекает в желтый, белый и смешивается с голубым небом. Внутренняя область круга темная.

Он образуется в результате светопреломления в иглах изо льда, летающих в воздухе. Лучи в призмах отклоняются под углом 22 градуса, поэтому те из них, которые прошли через кристаллы, наблюдателю показываются отклоненными на 22 градуса.

Поэтому внутреннее пространство представляется темным.

Красный цвет преломляется меньше, показывается наименее отклоненным от солнца. Далее следует желтый. Прочие лучи перемешиваются и предстают взгляду белыми.

Бывает гало с углом в 46 градусов, оно располагается вокруг гало в 22 градуса. Его внутренняя область также красноватая, потому что свет претерпевает преломление в ледяных иголках, повернутых к солнцу на 90 градусов.

Известно и 90-градусное гало, оно слабо светится, почти не имеет цвета или окрашено красным с внешней стороны. Ученые данную разновидность пока не изучили в полной мере.

Гало вокруг Луны и прочие виды

Это оптическое явление часто видно, если на небе легкие облака и множество миниатюрных кристаллических льдинок. Каждый такой кристалл является своеобразной призмой. В основном их форма – вытянутые шестигранники. Свет входит в переднюю кристаллическую область и, выходя в противоположную часть, преломляется на 22 градуса.

В зимнее время около уличных фонарей в холодном воздухе можно разглядеть гало. Оно появляется из-за света фонаря.

Вокруг Солнца гало может сформироваться и в морозном заснеженном воздухе. Снежинки витают в воздухе, свет проходит сквозь облака. В вечернем закате этот свет становится красным. В прошлые века суеверные люди приходили в ужас от подобных явлений.

Гало может выглядеть как круг радужного цвета вокруг Солнца. Оно появляется, если в атмосфере много кристаллов с шестью гранями, но они не отражают, а преломляют лучи солнца. Большая часть лучей при этом рассеивается, не добираясь до нашего взгляда. Остальные лучи достигают человеческих глаз, и мы замечаем радужную окружность вокруг Солнца. Его радиус – примерно 22 градуса или 46 градусов.

Ложное Солнце

Ученые отметили, что окружность гало всегда более яркая по боковым сторонам. Это объясняется тем, что здесь встречаются вертикальное и горизонтальное гало. В местах их пересечения могут появиться ложные солнца. Особенно часто это бывает, когда Солнце находится недалеко от горизонта, в это время часть вертикального круга мы уже не видим.

Ложное солнце – это тоже оптическое явление, разновидность гало. Появляется оно из-за ледяных кристаллов с шестью гранями, имеющих форму, напоминающую гвозди. Такие кристаллы витают в атмосфере в вертикальном направлении, свет преломляется в их боковых гранях.

Может образоваться и третье «солнце», если над истинным солнцем виднеется только поверхностная часть круга гало. Оно может быть отрезком дуги или светящимся пятном непонятной формы. Порой ложные солнца настолько яркие, что их не отличишь от настоящего Солнца.

Радуга

Это атмосферное оптическое явление в виде неполного круга с разными цветами.

Религии древности считали радугу мостом от неба к земле. Аристотель полагал, что радуга появляется из-за отражения капель солнечного света. Какое оптическое явление еще способно так радовать человека, как это делает радуга?

В XVII веке Декарт изучил природу радуги. Позднее Ньютон проводил эксперименты со светом и дополнил теорию Декарта, но не смог понять формирования нескольких радуг, отсутствия в них отдельных цветовых оттенков.

Полная теория радуги был представлена в XIX веке астрономом из Англии Д. Эри. Именно ему удалось раскрыть все процессы радуги. Разработанная им теория принимается и в наши дни.

Радуга появляется тогда, когда свет солнца попадает на завесу дождевой воды в области неба, обратной от Солнца. Центр радуги размещается в точке с обратной стороны Солнца, то есть она не видна глазу человека. Дуга радуги – это часть круга вокруг этой центральной точки.

Цвета в радуге размещаются в определенном порядке. Он постоянен. Красный – по верхнему краю, фиолетовый – по нижнему. Между ними цвета идут в строгой расстановке. В радуге имеются не все существующие цвета. Преобладание зеленого цвета говорит о переходе к благоприятной погоде.

Полярное сияние

Это свечение в верхних магнитных слоях атмосферы из-за взаимовлияния атомов и элементов солнечного ветра. Обычно сияния обладают зеленым или синим оттенками с вкраплениями розового и красного. Они могут иметь форму ленты или пятна. Их всплески часто сопровождают шумные звуки.

Мираж

Простые миражные обманы знакомы любому человеку. Например, при езде по нагретому асфальту мираж представляется как водная гладь. Это ни у кого не вызывает удивления. Какое оптическое явление объясняет появление миражей? Остановимся на этом вопросе поподробнее.

Мираж – это оптическое физическое явление в атмосфере, в результате которого глаз видит предметы, скрытые от взгляда в обычных условиях.

Это объясняется преломлением светового луча при протекании сквозь воздушные слои.

Объекты, находящиеся на значительном удалении, при этом могут подняться или опуститься относительно своего истинного местоположения, а могут искажаться и приобретать причудливые очертания.

Брокенский призрак

Это явление, при котором на закате или восходе солнечного светила тень человека, находящегося на возвышении, приобретает непостижимые масштабы, поскольку попадает на облака, находящиеся поблизости. Это объясняется отражением и преломлением световых лучей водными каплями в туманных условиях. Феномен назвали по имени одной из высот германских гор Гарц.

Огни святого Эльма

Это светящиеся кисти голубой или фиолетовой окраски на мачтах морских суден. Огни могут появляться на горных возвышенностях, на зданиях внушительной высоты. Это явление возникает благодаря электроразрядам на концах проводников из-за того, что возрастает электрическая напряжённость.

Таковы рассматриваемые на уроках 8 класса оптические явления. Поговорим об устройствах оптики.

Конструкции в оптике

Оптическими приборами считаются устройства, преобразующие световое излучение. Обычно эти приборы работают в видимом свете.

Все оптические устройства можно подразделить на два вида:

  1. Приборы, в которых изображение получается на экране. Это фотоаппараты, киноаппараты, проекционные аппараты.
  2. Устройства, взаимодействующие с глазом человека, но не образующие изображений на экране. Это лупа, микроскоп, телескопы. Эти приборы считаются визуальными.

Фотоаппарат – это оптико-механическое устройство, применяемое для получения изображений предмета на фотопленке. Конструкция фотоаппарата включает в себя камеру и линзы, образующие объектив. Объектив создает перевернутое уменьшенное изображение объекта, фиксируемое на пленке. Это происходит благодаря действию света.

Изображение сначала невидимо, но, благодаря проявляющему раствору, становится видимым. Это изображение называют негативом, в нем светлые места выглядят темными, и наоборот. С негатива делают позитив на светочувствительной бумаге. С помощью фотоувеличителя изображение увеличивают.

Лупа – это линза или система линз, предназначенная для увеличения предметов в процессе их рассматривания. Лупу располагают рядом с глазом, подбирают расстояние, с которого предмет видится четко. Применение лупы основано на увеличении угла зрения, под которым рассматривается предмет.

Чтобы получить большее угловое увеличение, используют микроскоп. В этом устройстве увеличение предметов происходит благодаря оптической системе, состоящей из объектива и окуляра. Сначала угол зрения увеличивается объективом, далее — окуляром.

Итак, мы рассмотрели основные оптические явления и приборы, их разновидности и особенности.

Источник: https://FB.ru/article/328710/opticheskie-yavleniya-fizika-klass-atmosfernoe-opticheskoe-yavlenie-opticheskie-yavleniya-i-priboryi

Booksm
Добавить комментарий