🗊Презентация Лекция 8. Оптика. Квантовая природа излучения

ЛЕКЦИЯ 8

ОПТИКА

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ОПТИКИ

1. ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА СВЕТ В ОПТИЧЕСКИ ОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ РАСПРО-СТРАНЯЕТСЯ ПРЯМОЛИНЕЙНО. (Закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, и отклонение от прямолиней-ности тем больше, чем меньше отверстие.)

2. ЗАКОН НЕЗАВИСИМОСТИ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ РЕЗУЛЬТАТЫ ДЕЙСТВИЯ ПРОИЗВОДИМЫХ ОТДЕЛЬ-НЫМ СВЕТОВЫМ ПУЧКОМ, НЕ ЗАВИСЯТ ОТ ТОГО ДЕЙСТВУЮТ ОДНОВРЕМЕННО ОСТАЛЬНЫЕ СВЕТО-ВЫЕ ПУЧКИ ИЛИ НЕТ. (ДЕЙСТВИЕ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ НЕЗАВИСИМО)

3. ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ ОТРАЖЕННЫЙ СВЕТ ЛЕЖИТ В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ С ПАДАЮЩИМ ЛУЧЕМ И ПЕРПЕНДИКУЛЯРОМ ПРОВЕ-ДЕННЫМ К ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД В ТОЧКЕ ПАДЕНИЯ. УГОЛ ПАДЕНИЯ РАВЕН УГЛУ ОТРАЖЕНИЯ.

4. ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЛУЧ ПАДАЮЩИЙ, ЛУЧ ПРЕЛОМЛЕННЫЙ И ПЕРПЕН-ДИКУЛЯР ПРОВЕДЕННЫЙ К ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД В ТОЧКЕ ПАДЕНИЯ, ЛЕЖАТ В ОДНОЙ ПЛОСКОС-ТИ. ОТНОШЕНИЕ СИНУСА УГЛА ПАДЕНИЯ К СИНУСУ УГЛА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЕСТЬ ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННАЯ ДЛЯ ДАННЫХ СРЕД.

На рисунке представлена ситуация падения света на границу разде-ла двух сред (прозрачных веществ 1 и 2). Падающий луч разделяет-ся на отраженный и преломлен-ный, которые задаются законами отражения и преломления. На рисунке представлена ситуация падения света на границу разде-ла двух сред (прозрачных веществ 1 и 2). Падающий луч разделяет-ся на отраженный и преломлен-ный, которые задаются законами отражения и преломления.

– Абсолютный показатель преломления среды. Ве-личина равная отношению скорости с электромагнит-ных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде. – Абсолютный показатель преломления среды. Ве-личина равная отношению скорости с электромагнит-ных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде. Световые лучи обратимы. Если луч в среде 2 падает на границу раздела под углом , то преломленный луч в среде 1 будет распространятся под углом . Если свет распространяется из среды с большим показа-телем преломления , в среду с меньшим показате-лем преломления ( оптически менее плотную ( )), то выполняется условие:

и преломленный луч будет удаляться от нормали, а уг-ол преломления будет больше чем угол падения . С увеличением угла падения увеличивается и угол пре-ломления до тех пор, пока при некотором значении уг-ла падения ( ),(предельном угле), не будет равен . При углах весь падающий свет и преломленный луч будет удаляться от нормали, а уг-ол преломления будет больше чем угол падения . С увеличением угла падения увеличивается и угол пре-ломления до тех пор, пока при некотором значении уг-ла падения ( ),(предельном угле), не будет равен . При углах весь падающий свет полностью отражается. По мере приближения к интенсивность отраженного угла растёт, а преломленного уменьшается, при ин-тенсивность преломленного луча равна 0, а интенсив-ность отраженного равна интенсивности падающего. Явление полного отражения – при углах падения от до . луч не преломляется, а полностью отражается в пер-вую среду, причем, интенсивности падающего и отра-женного лучей одинаковы.

ОСНОВНЫЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ И ИХ ВЕЛИЧИНЫ

ФОТОМЕРИЯ – раздел оптики занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В ней используются следующие величины: ФОТОМЕРИЯ – раздел оптики занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В ней используются следующие величины: Энергетические – характеризуют энергетические пара-метры оптического излучения, безотносительно к его воздействию на приемник излучения. Световые – характеризуют физиологические свойства света и оцениваются по их воздействию на глаз, или другие приемники света.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Поток излучения – величина равная отношению энергии излучения ко времени , за которое излу-чение произошло. Единица измерения ватт (Вт). Энергетическая светимость (излучательность) – величина, равная отношению потока излучения ис-пускаемого поверхностью, к площади сечения , сквозь которое этот поток происходит (поверхностная плотность потока излучения). Единица измерения: ватт/метр² (Вт/м²).

Энергетическая сила света (сила излучения) – величина равная отношению потока излучения ис-точника к телесному углу , в пределах которого из-лучение распространяется. Единица излучения: ватт/стерадиан (Вт/ср). Энергетическая сила света (сила излучения) – величина равная отношению потока излучения ис-точника к телесному углу , в пределах которого из-лучение распространяется. Единица излучения: ватт/стерадиан (Вт/ср). Энергетическая яркость (лучистость) – величина равная отношению энергетической силы света эле-мента излучающей поверхности, к площади про-екции этого элемента, на плоскость перпендикуляр-ную направления наблюдения. Единица измерения: ватт/стерадиан·метр² (Вт/ср·м²)

Энергетическая освещенность (облученность) – величина потока излучения , падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица измерения: ватт/метр² (Вт/м²). Энергетическая освещенность (облученность) – величина потока излучения , падающего на единицу освещаемой поверхности. Единица измерения: ватт/метр² (Вт/м²).

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ (определение световых единиц аналогично энергетическим) Световой поток – определяется как мощность оп-тического излучения (по действию на селективный при-емник света с заданной спектральной чувствительнос-тью). Единица измерения: люмен (лм). 1 лм – световой поток испускаемый точечным источником света, силой света в 1 кд (кд – кандела : сила света в заданном нап-0равлении источника, испускающего монохроматичес-кое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая си-ла которого в этом направлении 1/683 Вт/ср) внутри те-лесного угла в 1 ср. 1 лм=1 кд·ср.

Светимость – Единица измерения: лм/м² , опреде-ляется соотношением: Светимость – Единица измерения: лм/м² , опреде-ляется соотношением: Яркость – величина светящейся поверхности в не-котором направлении , равная отношению силы света в этом направлении к площади проекции светящейся на плоскость перпендикулярную данному направлению. Единица измерения кд/м². Освещенность – величина равная отношению све-тового потока падающего на поверхность к площа-ди этой поверхности. Единица измерения: люкс (лк)

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА ЛИНЗЫ

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА – раздел оптики в котором законы распространения света рассматриваются на ос-нове представления о световых лучах. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА – раздел оптики в котором законы распространения света рассматриваются на ос-нове представления о световых лучах. Световые лучи – нормальные к волновым поверхнос-тям линии, вдоль которых распространяется поток све-товой энергии. Линза – прозрачное тело ограниченное двумя поверх-ностями (одна сферическая, другая сферическая или плоская), преломляющее световые лучи, способные формировать оптические изображения предметов. По оптическим свойствам делятся на РАССЕИВАЮЩИЕ и СОБИРАЮЩИЕ. Тонкая линза – толщина линзы значительно меньше ра диусов поверхностей ограничивающих линзу.

Главная оптическая ось линзы – прямая проходящая через цент-ры кривизны поверхностей линзы. Главная оптическая ось линзы – прямая проходящая через цент-ры кривизны поверхностей линзы. Оптический центр линзы О – точка лежащая на главной оптической оси линзы.

Для тонкой линзы, где и радиусы кривизны поверх-ностей, – расстояние от предмета до линзы, – рас- стояние от линзы до изображения и относи-тельный показатель преломления ( и – абсолют- ные показатели преломлениям линзы и окружающей среды) можно вывести формулу тонкой линзы: Для тонкой линзы, где и радиусы кривизны поверх-ностей, – расстояние от предмета до линзы, – рас- стояние от линзы до изображения и относи-тельный показатель преломления ( и – абсолют- ные показатели преломлениям линзы и окружающей среды) можно вывести формулу тонкой линзы: Параксиальные (приосевые) лучи – лучи образующие с оптической осью малые углы. Только для них получает-ся стигматическое изображение, то есть все лучи пара-ксиального пучка исходящего из точки А пересекают оптическую ось в одной и той же точке В. Радиус кривизны выпуклой линзы считается положитель-ным, вогнутой отрицательным.

ФОКУС ЛИНЗЫ Приняв для формулы тонкой линзы значение , то есть положив что лучи падают на линзу параллельным пучком получим:

. Значит фокусные расстояния линзы окру-женной одной средой равны. . Значит фокусные расстояния линзы окру-женной одной средой равны. Точки лежащие по обе стороны линзы на расстоянии равном фокусному – ФОКУСЫ ЛИНЗЫ. ФОКУС – точка в которой после преломления собирают-ся все лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси. Оптическая сила линзы – . Единица измерения: дио-птрия (дптр) (оптическая сила линзы с фокусным рас-стоянием 1 м.).

СОБИРАЮЩИЕ И РАССЕИВАЮЩИЕ ЛИНЗЫ Линзы с положительной оптической силой – собираю-щие, с отрицательной – рассеивающие. Плоскости про-ходящие через фокусы линзы называются фокальными плоскостями.

ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРЕДМЕТА В ЛИНЗАХ Построение изображения предмета в линзах осуществля-ется с помощью лучей: Луча, проходящего через оптический центр линзы и не меняющего своего направления. Луча, идущего параллельно главной оптической оси, после преломления этот луч (или его продолжение) проходит через второй фокус линзы. Луча, (или его продолжения), проходящегл черз первый фокус линзы, после преломления в линзе он выходит из линзы параллельно её главной оптической оси.

ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРЕДМЕТА В СОБИРАЮЩЕЙ ЛИНЗЕ

ВОЛНОВАЯ И КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИИ ПРИРОДЫ СВЕТА

В конце XVII века на основе многочисленных исследова-ний возникли две теории света: волновая ( Х. Гюйгенс, Р. Гук) и корпускулярная (И. Ньютон). В конце XVII века на основе многочисленных исследова-ний возникли две теории света: волновая ( Х. Гюйгенс, Р. Гук) и корпускулярная (И. Ньютон). ПО ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ – свет представляет собой уп-ругую волну, распространяющуюся в упругой среде (эфире). Считалось, эфир пронизывает всё мировое пространство, все тела, обладает упругостью и плот-ностью. Большая скорость распространения света объяснялась особыми свойствами эфира. Волновая теория основывалась на принципе Гюйгенса: каждая точка до которой докатывалась волна служила цент-ром вторичных волн, а огибающая этих волн давала положение волнового фронта в следующий момент времени.

ПО КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ – свет представляет со-бой поток частиц (корпускул), испускаемых светящими-ся телами и летящих по прямолинейной траектории. Движение световых корпускул Ньютон подчинял зако-нам механики. ПО КОРПУСКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ – свет представляет со-бой поток частиц (корпускул), испускаемых светящими-ся телами и летящих по прямолинейной траектории. Движение световых корпускул Ньютон подчинял зако-нам механики. Обе рассмотренные теории объясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и прелом-ления. Экспериментально доказательство волновой теории было получено в 1851 г., когда Э. Фуко измерил, совпавшее с теоретически рассчитанным, значение скорости распространения света в воде . Корпускулярная теория была в целом отвергнута и вос-торжествовала волновая теория. Однако, она обладала рядом недостатков, например, не могла объяснить фи-зической природы наличия разных цветов.

ГИПОТЕЗА ПЛАНКА Многочисленные затруднения и противоречия были пре-одолены благодаря гипотезе немецкого физика М. Планка, согласно которой: Излучение и поглощение света происходит не непре-рывно а дискретно, то есть определенными порциями – КВАНТАМИ. Энергия квантов определяется их частотой : ( – постоянная Планка). Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой, не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов – ФОТОНОВ. Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглоще-

ния света, законами взаимодействия света с вещест-вом. Однако, такие явления как интерференция, дифракция и поляризация лучше объясняются на основе волновых представлений. ния света, законами взаимодействия света с вещест-вом. Однако, такие явления как интерференция, дифракция и поляризация лучше объясняются на основе волновых представлений. Свет имеет сложную природу. Он представляет собой единство противоположных видов движения: вол-нового ( электромагнитного) и корпускулярного (квантового) . У СВЕТА ДВОЙСТВЕННАЯ КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА, И, ТАКИМ ОБРАЗОМ, СВЕТ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ЕДИНСТВО ДИСКРЕТНОСТИ И НЕПРЕРЫВНОС-ТИ.