ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 61
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Что такое оптика
В обыденной речи слово «свет» мы используем в самых разных значениях: свет мой, солнышко, скажи; ученье – свет, а неученье – тьма. В физике этот термин имеет более определённое значение. Свет или видимое излучение – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения. Такой способностью обладают волны только с определёнными частотами: 4·1014 – 8·1014 Гц (см. § 11-е). Однако, например, пчёлы способны видеть ультрафиолет из диапазона 8·1014 – 300·1014 Гц. А специальные приборы «ночного видения» воспринимают окружающий мир благодаря его инфракрасному излучению с частотой менее 4·1014 Гц.
Три названных вида излучения обладают многими схожими свойствами. Поэтому видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения объединяют общим названием оптические излучения, а раздел физики, занимающийся их изучением, называют оптикой.
По способу происхождения излучения все источники света разделяют на тепловые и люминесцентные. Тепловые источники имеют высокую температуру. Например, всякое тело, нагретое выше 500 °С, испускает свет красного цвета, выше 1000 °С – жёлтого, выше 1500 °С – белого.
В отличие от тепловых, люминесцентные источники света имеют невысокую температуру, например, дисплей мобильного телефона, экран телевизора, насекомые-светлячки, а также специальные твёрдые и жидкие вещества.
Обычно источники испускают свет одновременно во всех направлениях, как, например, свеча или лампа. Но если её закрыть непрозрачным корпусом с отверстием, то свет будет распространяться в виде светового пучка, расширяющегося по мере удаления от источника. Например, на фотографии справа вы видите пучок света от шахтёрского фонаря.
Строго говоря, пучки света невидимы. Однако на обеих фотографиях на этой странице мы явственно «их» различаем. Почему? Дело в том, что воздух в комнате, а, тем более, в шахте, всегда содержит мелкие частицы влаги и пыли. Ярко освещённые, они сливаются в полупрозрачную пелену: желтоватую – если свет жёлтый, розовую – если свет красный и голубую – если свет синий. Если на пучок посмотреть вблизи, то можно разглядеть отдельные пылинки, а промежутки между ними будут тёмными.
Как вы думаете, оказывают ли влияние друг на друга пересекающиеся пучки света? Чтобы ответить на вопрос, проделаем опыт. Возьмём два проектора, расположив их так, чтобы световые пучки пересекались. Вы видите, что синие лучи правого проектора проходят сквозь красные лучи левого, однако это не приводит к искажениям на экране: ни по цвету, ни по очертаниям проецируемых объектов.
Итак, закон независимости распространения света утверждает, что световые пучки, пересекаясь, не влияют друг на друга. Этот закон справедлив для световых пучков небольшой интенсивности (к ним относятся свет большинства окружающих нас источников). Пучки света, например, от мощных лазеров промышленного или научного назначения, могут оказывать влияние друг на друга: для них закон независимости распространения света не всегда будет справедливым.
§ 14-б. Прямолинейное распространение света
Изображая распространение света на чертежах, световые пучки заменяют лучами. Световой луч – это линия, указывающая преобладающее направление распространения энергии электромагнитной волны в пучке света. Световой луч является геометрической моделью пучка света.
Характерной особенностью светового луча является его прямолинейность, если свет распространяется в однородной среде. Проделаем опыт. В аквариум нальём воды, добавим каплю молока и перемешаем воду, чтобы она стала мутной. Направим на аквариум луч лазера. Мы увидим, что луч прямолинеен, пока он распространяется в однородной среде – в воздухе или в воде (см. рис. «а»).
Теперь при помощи шланга, опущенного в нижнюю часть аквариума, вольём раствор соли. Его плотность больше плотности воды, поэтому раствор заполнит нижнюю часть аквариума. Однако жидкости частично смешаются друг с другом, и в аквариуме образуется неоднородная среда: плотность его содержимого будет возрастать сверху вниз.
Снова включим лазер. Мы обнаружим, что пока луч идёт в воздухе, то есть однородной среде, он распространяется прямолинейно. На границе раздела сред (воздуха и аквариума) луч преломляется. В неоднородной среде луч распространяется криволинейно, и чем ближе к дну аквариума, тем заметнее искривление луча. Однако после выхода в однородную среду, воздух, луч опять становится прямолинейным (см. рис. «б»).
Итак, закон прямолинейного распространения света утверждает, что лучи света, распространяющегося в прозрачной однородной среде, являются прямыми линиями.
Образование тени и полутени. Для знакомства с этими явлениями проделаем опыты. Электрическую лампу с прозрачным стеклом, мяч и экран подвесим на одной линии. Включив лампу, мы увидим на экране тень мяча (рис. «а»). При этом правее мяча между ним и экраном находится область тени, в которую световые лучи не проникают вообще.
Возьмём теперь лампу с «матовым» стеклом. Мы увидим, что теперь на экране есть не только тень, но и полутень (рис. «б»). Аналогично, между мячом и экраном существует как область тени, куда лучи не проникают вообще, так и область полутени, куда проникают лишь некоторые лучи света.
Почему же возникла полутень? В первом опыте источником света служила спираль лампы. Она имела небольшие размеры по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами. Поэтому спираль можно считать точечным источником. Во втором опыте свет испускался уже не спиралью, а баллоном лампы. Его размерами по сравнению с расстоянием до мяча и его размерами уже нельзя пренебрегать. Поэтому баллон следует считать протяжённым источником. От каждой его точки исходят лучи, некоторые из которых попадают в прежнюю область тени, подсвечивая её края и превращая в полутень. Она расположена между красной и синей линиями (рис. «в»).
Как видите, оба рассмотренных явления: образование тени и образование полутени являются экспериментальными подтверждениями закона прямолинейного распространения света.
§ 14-в. Отражение света
В предыдущем параграфе мы изучили распространение света в одной и той же оптической среде. Теперь перейдём к изучению явлений, связанных с распространением света на границе раздела двух сред.
Проделаем опыт. На зеркало, лежащее на столе, поставим полуоткрытую книгу и слева направим пучок света (см. рисунок). В темноте мы увидим падающий и отражённый пучки света. Накроем зеркало листом бумаги. Теперь мы будем видеть падающий пучок, а отражённого пучка не будет. Получается, что свет не отражается от бумаги?
Приглядимся к рисункам внимательнее. Заметьте, когда свет падает на открытое зеркало, книга освещена очень слабо. Но когда свет падает на лист бумаги, книга освещается гораздо ярче, особенно в нижней части. Следовательно, книгу освещают лучи, отражённые бумагой.
Как следует из этого опыта, при отражении света возможны два варианта. 1. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею также в виде пучка (см. левый чертёж). Такое явление называют зеркальным отражением. 2. Пучок света, падающий на поверхность, отражается ею во множестве направлений. Такое явление называют рассеянным отражением или просто рассеянием света (см. правый чертёж).
Зеркальное отражение возникает на очень гладких поверхностях, их называют зеркальными (например, ровное стекло, поверхность воды на озере в безветренную погоду). Если же поверхности шероховатые, их называют матовыми, и они обязательно будут рассеивать свет. Это мы и наблюдали, накрывая зеркало бумагой. Она отражала свет, рассеивая его по всевозможным направлениям, в том числе и на книгу, освещая её.
Закон отражения света. Чтобы сформулировать закон, которому подчиняется отражение света, введём несколько определений.
| |  |
При отражении света всегда выполняются две закономерности, вместе составляющие закон отражения света: а) луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к отражающей поверхности в точке излома луча лежат в одной плоскости; б) угол падения равен углу отражения.
Каждое из утверждений закона отражения света подтверждается многочисленными опытами, одним из которых служит опыт с зеркалом, описанный в начале параграфа. С помощью транспортира вы легко убедитесь, что угол падения равен углу отражения. А, подняв бумагу с зеркала, легко увидеть, что падающий и отражённый лучи вместе с перпендикуляром к зеркалу в точке излома луча лежат в одной плоскости – листа бумаги, если его расположить перпендикулярно зеркалу.
Закон отражения является справедливым как для зеркального, так и для рассеянного отражения света. Обратимся ещё раз к чертежам на предыдущей странице. Несмотря на кажущуюся беспорядочность в отражении лучей на правом чертеже, они расположены так, что углы отражения равны углам падения.
Закон отражения света выполняется не только в воздухе, но и в вакууме, а также внутри жидкостей и твёрдых тел, которые прозрачны для оптических излучений. Например, надев маску для ныряния и сев на дно мелководного озера или реки, в солнечный день мы увидим отражение дна или проплывающих мимо рыб от поверхности воды под водой.
| § 14-г. Плоские и сферические зеркала | | ||||
| | С зеркалом мы сталкиваемся очень часто. Даже оконное стекло или поверхность воды пруда тоже вполне могут служить плоскими зеркалами. Рассмотрим изображения, получающиеся при этом.
Итак, изображения предметов в плоском зеркале являются мнимыми, так как кажутся расположенными там, где свет отсутствует. Кроме того, изображения находятся позади зеркала на таком же расстоянии от него, как и сами предметы, и равны им по размерам. Эти выводы мы получили геометрическим построением, теперь проверим их опытом.
Чтобы убедиться в правильности второго вывода, измерим линейкой расстояния от стекла до свечи и от стекла до изображения, а также размеры свечи и её изображения. Они окажутся попарно равны. Следовательно, опыт подтверждает и второй вывод. Примечание: вместо зеркала мы использовали стекло, чтобы одновременно видеть изображение свечи и деления линейки. |
Кроме плоских зеркал, существуют сферические, параболические, эллиптические и другие зеркала. Они применяются в прожекторах и телескопах. Сферические зеркала представляют собой часть шарообразной поверхности и могут быть выпуклыми или вогнутыми (см. рисунок-чертёж).
 |
Направим параллельные лучи на выпуклое зеркало (левый чертёж). После отражения лучи станут расходящимися. Поэтому выпуклое зеркало называют рассеивающим зеркалом. Направим теперь лучи на вогнутое зеркало (правый чертёж). Сразу же после отражения лучи станут сходящимися. Поэтому вогнутое зеркало называют собирающим зеркалом.
Точки F и F' называют главными фокусами зеркала. Фокус выпуклого (рассеивающего) зеркала является мнимым, так как световые лучи через него не проходят. Фокус вогнутого (собирающего) зеркала является действительным, так как через него лучи проходят
Изображения предметов в выпуклом зеркале всегда уменьшенные. Например, на левом рисунке видно, что размеры изображений чашек значительно меньше размеров самих чашек. При помощи вогнутого зеркала можно получить увеличенные изображения предметов. Взгляните на правый рисунок. Размеры всех изображений больше размеров самих предметов. Наряду с изменением размеров изображений аналогичным образом изменяются расстояния между ними. На среднем рисунке для сравнения показано отражение в плоском зеркале.
| § 14-д. Преломление света | | ||||||||||||||||
| | В предыдущих параграфах мы изучили явление отражения света. Познакомимся теперь со вторым явлением, при котором лучи меняют направление своего распространения. Это явление – преломление света на границе раздела двух сред. Взгляните на чертежи с лучами и аквариумом в § 14-б. Луч, выходящий из лазера, был прямолинейным, но, дойдя до стеклянной стенки аквариума, луч изменил направление – преломился. Преломлением света называют изменение направления луча на границе раздела двух сред, при котором свет переходит во вторую среду (сравните с отражением). Например, на рисунке мы изобразили примеры преломления светового луча на границах воздуха и воды, воздуха и стекла, воды и стекла.
Из сравнения левых чертежей следует, что пара сред «воздух-стекло» преломляет свет сильнее, чем пара сред «воздух-вода». Из сравнения правых чертежей видно, что при переходе из воздуха в стекло свет преломляется сильнее, чем при переходе из воды в стекло. То есть, пары сред, прозрачные для оптических излучений, обладают различной преломляющей способностью, характеризующейся относительным показателем преломления.Он вычисляется по формуле, указанной на следующей странице, поэтому может быть измерен экспериментально. Если в качестве первой среды выбран вакуум, то получаются значения:
Эти значения измерены при 20 °С для жёлтого света. При другой температуре или другом цвете света показатели будут иными (см. § 14-з). При качественном рассмотрении таблицы отметим: чем больше показатель преломления отличается от единицы, тем больше угол, на который отклоняется луч, переходя из вакуума в среду. Поскольку показатель преломления воздуха почти не отличается от единицы, влияние воздуха на распространение света практически незаметно. |
