- •Министерство спорта, туризма и молодёжной политики российской федерации
- •Содержание:
- •Введение
- •Как решать задачи по физике
- •Расчетно-графические работы Работа № 1 введение. Основные понятия механики
- •Работа № 2 Прямолинейное неравномерное движение. Движение по окружности
- •Работа № 3 Движение тела под действием силы тяжести
- •Работа № 4 Динамика. Силы в природе
- •Работа № 5 Статика. Механическая работа. Мощность. Законы сохранения в механике
- •Работа № 6 Вращение твердого тела
- •Моменты инерции некоторых твердых тел
- •Работа № 7 Колебания и волны
- •Работа № 8 Гидро- аэродинамика
- •Работа № 9 Молекулярная физика
- •Работа № 10 Термодинамика
- •Работа № 11 Электрические явления
- •Работа № 12 магнитное поле
- •Работа № 13 оптика
- •Вопросы к зачету для студентов
- •Варианты контрольных работ
- •Тесты Кинематика Вариант 1
- •Вариант 2
- •Динамика Вариант1
- •Вариант 2
- •Статика. Законы сохранения Вариант 1
- •Вариант 2
- •Глоссарий
- •Справочные материалы
- •Фундаментальные физические константы
- •Определение базовых единиц
- •Библиографический список:
- •350015, Г. Краснодар, ул. Буденного, 161
Работа № 13 оптика
Основные положения:
Оптика – раздел физики, изучающий природу света, его испускание, распространение и взаимодействия с веществом.
Свет имеет двойственную природу. С одной стороны, свет представляет собой электромагнитную волну, с другой – поток частиц – фотонов. Поэтому говорят о корпускулярно-волновом дуализме света.
Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором свет рассматривается в виде геометрического луча, который указывает направление его распространения и изменение этого направления.
Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной среде распространяется прямолинейно и равномерно.
Закон независимости световых лучей: световые лучи при пересечении не возмущают друг друга.
На границе раздела двух сред свет изменяет направление своего распространения. Часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света.
Закон отражения света: Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.
Закон преломления: луч, падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред: , гдеn21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Абсолютный показатель преломления n равен отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в данной среде:
Линза – прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.
По внешней форме линзы делятся на: двояковыпуклые, плосковыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые и т.д. Главная оптическая ось линзы – прямая, проходящая через центр кривизны поверхности линзы. Фокус линзы – точка F, лежащая на главной оптической оси, в которой пересекаются лучи параксиального (приосевого) светового пучка, распространяющиеся параллельно главной оптической оси.
а) ход лучей в собирающей линзе б) ход лучей в рассеивающей линзе
Оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи проходят сквозь нее, не преломляясь.
Фокусное расстояние – расстояние между фокусом и оптическим центром линзы.
Формула тонкой линзы: , гдеd – расстояние от предмета до линзы, f – расстояние от линзы до изображения.
Оптическая сила линзы - , где
n – относительный показатель преломления;
R – радиусы кривизны поверхностей, R> 0 для выпуклой линзы, R< 0 для вогнутой.
[D] = 1 Дптр (диоптрий).
Физическая оптика изучает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Рассмотрим волновую теорию распространения света.
Интерференция света – это сложение двух или нескольких световых волн, вследствие чего наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих колебаний в различных точках пространства.
Условие максимума. При наложении световых волн колебания будут усиливать друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин полуволн или целому числу волн.
, где λ – длина волны, Δd = L1-L2 – оптическая разность хода, L1 – путь, проходимый одной волной, L2 – путь, проходимый второй волной, k = 0,1,2,3…. и т.д. – порядок интерференционного спектра.
Условие минимума: При наложении световых волн колебания будут ослаблять друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода равна нечетному числу длин полуволн .
Объяснение интерференции световых волн можно дать на основании принципа Гюйгенса-Френеля: каждая точка среды, до которой дошло возмущение, становится самостоятельным источником вторичных волн, новый фронт волны образуется в результате интерференции вторичных волн.
Дифракция света – явление, наблюдаемое при распространении света в среде вблизи непрозрачных тел, сквозь малые отверстия и связанное с отклонением от законов геометрической оптики. Дифракция приводит, например, к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.
Дисперсия света – зависимость абсолютного показателя преломления вещества от частоты падающего света (от длины волны).
Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве.
Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины: энергетические – характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения; световые – характеризуют физиологические действия света и оцениваются по воздействию на глаз и другие приемники излучения.
Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения Фс источника к телесному углу Ω, в пределах которого это излучение распространяется:
(Вт/срад).
Поток излучения – мощность излучения, определяемая отношением энергии, переносимой излучением к времени переноса, значительно превышающему период электромагнитных колебаний: (Вт).
Световой поток Ф – мощность оптического излучения по его действию на приемник света с заданной чувствительностью. Единица измерения – люмен (Лм)
Освещенностью поверхности называется отношение светового потока Ф, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности: (Лм/м2=1Люкс = 1Лк).
Если свет падает на площадку под углом α к нормали (нормаль направлена к источнику света), тогда освещенность этой площадки будет определяться так:
.
Яркость (Кд/м2), где
S0 – видимая поверхность, I – сила света. В СИ [В] = кд/м2.
Пример: яркость поверхности полуденного Солнца имеет порядок 109 кд/м2, спирали лампы накаливания – 106 кд/м2, ночного безлунного неба – 10-4 кд/м2. Наименьшая различимая яркость имеет порядок 10-6 кд/м2.
Контрольные вопросы:
Как доказать прямолинейность распространения света?
Сформулируйте закон отражения света.
Сформулируйте закон преломления света.
Что показывает абсолютный показатель преломления света?
Дайте определение интерференции света. Каковы условия максимума и минимума освещенности?
Что называется дифракцией света?
Какими характеристиками пользуются в фотометрии?
Ответьте на вопросы:
Почему светать начинает раньше, чем взойдет солнце?
Почему киноэкран нельзя сделать прозрачным?
Почему нельзя получить интерференционную картину от двух светящихся тел, например от двух электроламп.
Два когерентных луча с разностью хода в три световых волны интерферируют в некоторой точке. Что будет в этой точке: максимум или минимум?
Почему видны цветные кольца, окружающие источник света сквозь туман или запотевшее оконное стекло?
Почему в жаркий день очертания предметов над нагретой почвой кажутся колеблющимися?
Чем объясняется блеск драгоценных камней?
Решите задачи:
Солнечный луч, проходящий через отверстие в ставне, составляет с поверхностью стола угол 48°. Как надо расположить плоское зеркало, чтобы изменить направление луча на горизонтальное?
Рисунок на диапозитиве имеет высоту 2 см, а его изображение на экране 0,8 м. Определить оптическую силу линзы, если расстояние от объектива 20,5 см.