Самое важное в Главе 3

Оптика — раздел физики, в котором изучаются свойства света, его физическую природу и взаимодействие с веществом.

Под светом понимают электромагнитные волны  с частотами от 1,5 · 10¹¹ Гц  до 3 · 10¹⁶ Гц  (длины волн изменяются в диапазоне, соответствующем инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучению).

Электромагнитные волны, распространяются в вакууме с максимально возможной в природе скоростью переноса энергии — .

Скорость распространения света в веществе определяется соотношением .

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению модуля скорости света в вакууме к модулю скорости света в веществе:

Длина волны λ_n  в веществе определяется соотношением:

,

где λ — длина волны в вакууме, n — абсолютный показатель преломления вещества.

При переходе световой волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота света остается неизменной.

Интерференция света явление возникновения устойчивой во времени картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн.

Оптическая разность хода волн — разность расстояний, пройденных волнами с учетом их различных модулей скоростей  и  распространения в этих средах с показателями преломления n₁ и n₂.

Условие максимумов интерференции  δ = mλ, m =0, ±1, ±2, ... ,

Условие минимумов интерференции

Устойчивое во времени  распределение амплитуд колебаний в пространстве при интерференции называется интерференционной картиной.

Принцип Гюйгенса-Френеля:

все вторичные источники, расположенные на волновом фронте, когерентны между собой. Огибающая волна, получающаяся в результате интерференции вторичных волн, совпадает с волной, испускаемой источником.

Явление огибания волнами непрозрачных препятствий, которое проявляется в отклонении направления распространения волн от прямолинейного, называется дифракцией.

Дифракционная решетка — оптический прибор, предназначенный для разложения света в спектр и точного измерения длин волн. Он состоит из большого числа равноотстоящих параллельных штрихов, нанесенных на стеклянную или металлическую поверхности.

Условие возникновения главных дифракционных максимумов, наблюдаемых под углами Θ, при нормальном падении света на дифракционную решетку: d sinΘ = mλ , m = 0, ±1, ±2, ..., 

Явление поляризации — это выделение световых волн, направление электрического поля  у которых сохраняется неизменным в пространстве или изменяется по определенному закону.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Закон отражения света.

Лучи, падающий и отраженный, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости.

Угол отражения равен углу падения.

Центр сферы O называется оптическим центром зеркала, его радиус R — радиусом зеркала. Вершина шарового сегмента P называется полюсом зеркала. Прямая линия OP, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью. Любая прямая, например прямая OM, проходящая через оптический центр O и поверхность зеркала (за исключением его главной оптической оси), называется побочной оптической осью. Точка F , которая находится на главной оптической оси на расстоянии  от полюса зеркала, называется главным фокусом зеркала.

Формула сферического зеркала:

Если предмет, изображение или фокус являются действительными, то в формуле сферического зеркала перед величинами  берется знак плюс, если мнимые, то перед величинами  — знак минус.

Фокус выпуклого зеркала всегда мнимый, вогнутого — действительный.

Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Закон преломления света:

лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред;

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

Явление отсутствия преломленного луча при отражении падающего от границы раздела сред называется полным отражением света. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения:

Формула тонкой линзы:

.

Правило знаков:

В случае собирающей линзы, действительного источника и действительного изображения знаки перед величинами  выбирают положительными. В случае рассеивающей линзы, мнимого источника и мнимого изображения  — знаки перед величинами  выбирают отрицательными.

Линейным (поперечным) увеличением Г называется отношение линейного размера изображения h к линейному размеру предмета H:

Цифровой фотоаппарат — оптический прибор, предназначенный для получения и записи оптического изображения на электронные носители (флэш-карты, диски и т.д.).

Мультимедийный проектор — оптический прибор, используя который на экране получают действительное (прямое или обратное) увеличенное изображение, «снятое» с экрана компьютера, телевизора или других источников видеосигнала.

Лупа  — оптический прибор (собирающая линза), позволяющий увеличить угол зрения.

Увеличение лупы при аккомодации глаза на расстояние наилучшего зрения:

                                                   

Увеличение лупы при аккомодации глаза на бесконечность:

Микроскоп, оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным взглядом.

Телескоп — астрономический оптический прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел.

Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Измерения и наблюдение оптических спектров производятся с помощью спектральных приборов. Назначение спектральных приборов — регистрировать зависимость интенсивности спектральных линий от частоты (длины) волны излучения, т.е. определять, из каких монохроматических волн оно состоит.

Задания для самостоятельных исследований

1. Подготовьте интерактивную презентацию (флаер, плакат, реферат) о деятельности выдающихся физиков (О. Рёмер, А. Физо, А. Майкельсон, Т. Юнг, О. Френель).
2. Если посмотреть через  металлическую или пластмассовую трубку на свет, то можно увидеть светлые и темные кольца. Изучите это явление и объясните его. Исследуйте, как радиусы наблюдаемых колец зависят от диаметра трубки.
3. Если проделать небольшое отверстие в стенке тёмного ящика (камера обскура), то на его дальней стенке появится обратное изображение предметов (рис. 165). Исследуйте, как яркость и резкость  изображения зависят от диаметра отверстия?

4. Если вы посмотрите на читаемый вами текст, то правым, то левым глазом, то увидите несколько смещенные относительно друг друга и отличающиеся изображения. К какому зрительному эффекту приводят эти различия, когда вы смотрите на текст двумя глазами?
5. Из прозрачного сосуда, наполненного жидкостью (например, водой), бьет струя. Источник света (лазер) расположен таким образом, чтобы горизонтальный луч входил в струю жидкости (рис. 166). При некоторых  условиях струя жидкости будет «работать» как световод. Исследуйте, как свойства такого световода зависят от скорости вытекания воды, от диаметра отверстия?

6. Если посмотреть через  металлическую или пластмассовую трубку на свет, то можно увидеть светлые и темные кольца. Изучите это явление и объясните его. Определите, как радиусы наблюдаемых колец зависят от диаметра трубки.
7. Известно, что бутылка, наполненная жидкостью, может быть использована как линза. Существует мнение, что такая бутылка может быть опасна, если ее оставить на столе в солнечный день. Исследуйте, может ли подобная «линза» опалить, например, поверхность бумаги.
8. Если вы положите на печатный текст кусок прозрачной полиэтиленовой пленки, то легко сможете его прочитать. Если же постепенно поднимать пленку, то текст все больше и больше «затуманивается» и даже может исчезнуть. Определите, с какого максимального расстояния еще можно прочитать текст через полиэтиленовую пленку.
9. Подсветите сосуд с водой. Если по поверхности сосуда распространяются волны, то на его дне вы сможете увидеть рисунок из светлых и темных полос (рис. 166-1). Изучите взаимосвязь между волнами и рисунком на дне сосуда. Как размеры полос зависят от высоты волн на поверхности воды?

10. Если осветить лазерным пучком струю жидкости, падающую на поверхность, в точке контакта, то вокруг струи можно наблюдать световые кольца (рис. 166-2). Опишите это явление и определите, как радиусы и яркость колец зависят от радиуса струи и мощности лазера.