26. Природа света. Распространение световых волн. Законы геометрической оптики

Природа света: Свет в оптике рассматривается как электромагнитная волна, движущаяся со скоростью υ (в вакууме скорость света с = 3·108 м/с). Источником световой волны являются атомы, в которых электроны переходят с более высоких на более низкие энергетические уровни. Оптический спектр световых волн следующий: инфракрасное излучение (λ ~ 2 мм – 760 нм), видимый свет (λ ~ 760 – 400 нм), ультрафиолетовое излучение (λ ~ 400 – 10 нм).

Распространение световых волн: Если взять источник света, размеры которого меньше расстояния до точек наблюдения, то световая волна от него распространяется по всем направлениям. Поверхность, до которой одновременно доходят волны от данного источника, – это фронт волны. Фронт волны точечного источника S сферический, а на больших расстояниях от источника фронт можно считать плоским (например, свет солнца и звезд). Принцип распространения световых волн (принцип Гюйгенса): каждая точка, до которой дошла волна, сама становится источником вторичных волн; вторичные волны взаимно гасятся во всех направлениях, кроме направления исходного фронта.

Законы геометрической оптики:

1) Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям.

2) Закон независимости световых лучей: распространение светового луча в среде не зависит от того, есть в ней другие лучи или нет. Когда луч достигает гладкой границы раздела двух прозрачных сред, он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается). Действительно, в солнечную погоду в чистом водоеме хорошо видны его подводные обитатели – это результат преломления света, кроме того, наблюдатель видит солнечные блики от поверхности воды – это результат отражения.

3) Закон отражения света: падающий и отраженный лучи лежат в плоскости, перпендикулярной границе раздела сред (плоскость падения), причем угол падения равен углу отражения

4) Закон преломления света: падающий и преломленный лучи лежат в плоскости падения

Как известно, земная атмосфера является оптически неоднородной средой: ее показатель преломления изменяется с высотой и, кроме того, зависит от температуры, влажности, наличия примесей, перемещений слоев воздуха, при этом, чем меньше плотность воздуха, тем показатель преломления меньше. Поэтому световые лучи распространяются в атмосфере не по прямым, а по плавно изогнутым линиям. Это называется рефракцией света в атмосфере. Из уравнения (14.1) нетрудно показать, что световой луч изгибается таким образом, что его траектория всегда обращена выпуклостью в ту сторону, где показатель преломления меньше. Этим объясняется возникновение миражей. С рефракцией света в атмосфере связаны еще и такие явления, как наблюдаемые во время заката небольшая сплюснутость солнечного диска и появление в отдельных случаях «слепой полосы», перерезающей солнечный диск, а также мерцание звезд на ночном небе.

27. Тонкие линзы и их характеристики. Микроскоп

Для изменения направления световых лучей в оптических приборах и получения различных изображений используются линзы. В тонкой линзе толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Главная оптическая ось проходит через центр линзы и перпендикулярна ее поверхности. Луч света, идущий вдоль этой оси, не испытывает преломления. Также и любой луч, проходящий через центр тонкой линзы, практически не меняет направления.

Точка линзы, которая расположена на главной оптической оси и через которую лучи света проходят, не меняя своего направления, называется оптическим центром линзы.

Существует два вида линз: собирающая и рассеивающая.

Если линза собирающая, то после прохождения через нее лучи пересекутся в одной точке. Эта точка называется фокусом линзы. Если лучи в пучке параллельны главной оптической оси, то они после прохождения собирающей линзы пересекутся в точке, которая лежит на главной оптической оси. Эта точка называется главным фокусом линзы.

Если линза рассеивающая, то параллельные лучи после ее прохождения распространяются расходящимся пучком, как если бы лучи выходили из одной точки. То есть если лучи продолжить, они пересекутся в одной точке. Эта точка называется мнимым фокусом рассеивающей линзы.

Фокус, который лежит на главной оптической оси, называется главным фокусом. В этой точке пересекутся продолжения лучей, которые до прохождения через линзу были параллельны главной оптической оси.

Расстояние между главным фокусом линзы F и ее оптическим центром называется фокусным расстоянием линзы.

Если фокусное расстояние f > 0 (D > 0), линза собирающая; если f < 0 (D < 0), линза рассеивающая. Для собирающей линзы изображение получается действительным, если предмет находится дальше фокуса (а > f, b > 0), и мнимым, если предмет расположен между фокусом и линзой.

Отношение размера изображения к размеру предмета называется линейным увеличением линзы (Г). Если Г > 1, изображение увеличенное; если 0 < Г < 1, изображение уменьшенное. Следует отметить, что собирающая линза может создавать как увеличенное, так и уменьшенное изображение (в зависимости от расстояния от предмета до линзы), тогда как рассеивающая всегда создает уменьшенное изображение.

МИКРОСКОП: Оптический микроскоп используется для исследования клеток и тканей и состоит из объектива (линза, находящаяся вблизи объекта исследования) и окуляра (линза, в которую смотрит глаз). Линзы находятся в цилиндрической трубке (тубусе).