🗊Презентация Основные понятия геометрической оптики

Лекция 1 (3сем). Оптика-1 Курс физики для студентов БГТУ Заочный факультет для специальностей ЛИД, ТДП, ТДПС, МОЛК, МОЛКС Кафедра физики БГТУ доцент Крылов Андрей Борисович

1. Основные понятия геометрической оптики Оптика - раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. Геометрической оптикой называют часть оптики, в которой изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о свете как о совокупности световых лучей. Изотропная среда – среда, световые характеристики которой (прежде всего скорость света в ней) одинаковы по разным направлениям. Для характеристики изотропной среды, в которой распространяется свет, вводится понятие показателя преломления. Абсолютный показатель преломления равен n = c/v и показывает во сколько раз скорость с света в вакууме больше скорости v света в среде.

Основные законы геометрической оптики При падении света на границу раздела двух диэлектриков возникают отражённая и преломлённая волны, подчиняющиеся законам отражения и преломления (смотри рисунок). Плоскость падения световой волны - это плоскость, в которой лежат падающий (1), отражённый (2) и преломлённый (3), лучи, а также перпендикуляр в точке падения. На рисунке плоскость падения = плоскость экрана (желтая). Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Явление полного внутреннего отражения. Световоды Явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения α = αпр  имеем sin β = 1; тогда значение sin αпр = n2 / n1 < 1.

2. Явление интерференции световых волн Интерференция света – это явление наложения (суперпозиции) волн от двух или нескольких когерентных источников, в результате которых происходит устойчивое перераспределение энергии этих волн в пространстве. В области перекрытия волн колебания налагаются друг на друга, происходит сложение волн, в результате чего колебания в одних точках пространства получаются с бόльшей амплитудой (усиливаются – светлые области), а в других – с меньшей амплитудой (ослабляются – темные области).

Когерентные волны и источники. Разность фаз Луч от источника S1 распространяется в среде с показателем преломления n1, а луч от источника S2 – в среде с показателем преломления n2. Пусть вызываемые ими колебания в произвольной точке М одинаково направлены и удовлетворяют уравнениям: E1 = E0 1 sinφ1 и E2 = E0 2 sinφ2 По принципу суперпозиции, результирующее колебание в точке М описывается формулой E= E1 + E2 = E0sinφ Методом векторных диаграмм (рис. слева снизу) получим:

Следствие 1: Монохроматические волны и источники Второе и третье слагаемые правой части этого равенства не зависят от времени. Поэтому две синусоидальные волны когерентны, если их циклические частоты одинаковы ω1 = ω2, и некогерентны, если их частоты различны.

Следствие 2: Суммирование некогерентных волн Следствие 2: при наложении (суммировании) некогерентных синусоидальных волн амплитуда E0 результирующих колебаний в произвольной точке М среды зависит от времени, т. е. результирующие колебания негармонические. Циклическая частота колебаний ωрезульт амплитуды E0 совпадает с циклической частотой изменения φ1 – φ2 т. е. равна ωрезульт=|(ω2 – ω1)|. Если эта частота достаточно велика, то любой регистрирующий свет прибор не будет успевать реагировать на изменения величины E0, т. е. будет показывать лишь некоторое ее среднее значение. Найдем среднее значение квадрата амплитуды <E0>2 за время, равное периоду τ ее изменения:

Суммирование некогерентных волн. Оптическая разность хода Известно, что освещенность пропорциональна квадрату амплитуды волны. Поэтому освещенность в данном месте пространства при наложении некогерентных волн будет равномерной и определяется суммой освещенности от двух источников. Следствие 3: волны, излучаемые независимыми источниками света, некогерентны. т.к. фазы φ излучения атомов вещества меняются случайно за короткий промежуток времени.

2. Условия интерференционных минимумов и максимумов Вывод: при наложении когерентных волн распределение интенсивности I по пространству неоднородное и зависит от радиус-векторов данной точки пространства относительно источников.

2. Условия интерференционных минимумов и максимумов Интенсивность достигает минимума во всех точках пространства, в которых:

Как выглядит интерференционная картина

3. Интерференция на тонких пленках Интерференцию света по методу временного разделения наблюдать проще, чем в опытах с пространственным разделением. Один из способов, использующих такой метод, – опыт Поля, в котором свет от источника S отражается двумя поверхностями тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки. В любую точку P, находящуюся с той же стороны от пластинки, что и источник, приходят два луча. Эти лучи образуют интерференционную картину.

Полосы равного наклона  Особенно важен частный случай интерференции света, отраженного двумя поверхностями плоскопараллельной пластинки, когда точка наблюдения P находится в бесконечности, т.е. наблюдение ведется либо глазом, аккомодированным на бесконечность, либо на экране, расположенном в фокальной плоскости собирающей линзы. В этом случае оба луча, идущие от S к P, порождены одним падающим лучом и после отражения от передней и задней поверхностей пластинки параллельны друг другу.

Полосы равного наклона -2 Следует также учесть, что при отражении волны от верхней поверхности пластинки ее фаза изменяется на π:

Цвета тонких пленок В белом свете интерференционные полосы, при отражении от тонких пленок - окрашены. Поэтому такое явление называют цвета тонких пленок.

3. Кольца Ньютона Примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Кольца Ньютона – это кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла. Общий центр колец расположен в точке касания. В отраженном свете в центре находится темное пятно (минимум нулевого порядка). Оно окружено системой чередующихся светлых и темных концентрических колец, ширина, интенсивность которых постепенно убывают по мере удаления от центрального пятна. В проходящем свете наблюдается дополнительная картина – центральное пятно светлое, следующее кольцо темное и т. д. Оптическая разность хода волн, отраженных от воздушного зазора (n=1):

Кольца Ньютона - 2 При облучении светом одной длины волны будем наблюдать светлые кольца одного цвета, при облучении белым светом - разноцветные кольца. Если линзу постепенно отодвигать от поверхности стекла, то интерференционные кольца будут стягиваться к центру. При увеличении расстояния на λ/2   картина принимает прежний вид, так как место каждого кольца будет занято кольцом следующего порядка. Этим методом, как и в опыте Юнга, можно сравнительно простыми средствами приближенно определить длину волны света. С помощью колец Ньютона можно с достаточно высокой точностью контролировать качество изготовления сферических поверхностей.

Просветлённая оптика Возможность ослабления отраженного света вследствие интерференции в тонких пленках широко используется в современных оптических приборах (фотоаппаратах, биноклях, перископах и др.). Для этого на передние поверхности имеющихся в них линз и призм наносят тонкие прозрачные пленки, абсолютный показатель преломления n которых меньше абсолютного показателя преломления для материала линзы или призмы (nплёнки< nстекла).

Спасибо за внимание! Курс физики для студентов БГТУ Заочный факультет для специальностей ЛИД, ТДП, ТДПС, МОЛК, МОЛКС Кафедра физики БГТУ доцент Крылов Андрей Борисович