Оптика. Использование законов оптики в быту и технике.

Основы

Раздел физики, рассматривающая световые явления и закономерности, связанные с возникновением, взаимодействием с в-вом ЭМ волн и распространением света, называют оптикой ( от греч. «оптикос» - зрительный). Явления, связанные со светом, законами его распространения, называют оптическими.

Классическая оптика включает в себя два раздела: геометрическую и волновую оптику. В геометрической оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. В геометрической оптике не учитываются волновые св-ва света и связанные с ними дифракционные явления (Дифра́кция во́лн — явление «огибания» волнами препятствий. В широком смысле любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн).

Волновая оптика включает в предмет изучения свет как ЭМ волну.

Падающий на предметы свет помогает нам ориентироваться в пространстве. Однако этим действие света не заканчивается. Вспомним, что явления, связанные с протеканием какого-либо процесса, называют действиями. Также вспомним, что свет способен нагревать предметы, т.е наблюдается тепловое действие света. Из этого можно сделать вывод о том, что свет должен состоять из мельчайших частиц, названные Ньютоном корпускулами (Рис 1.2), либо из волн, распространяющихся в среде. Именно Ньютон ввёл понятие корпускулярной теории света, в которой мельчайшей частицей светового потока является корпускул — устаревший термин для обозначения мельчайшей частицы материи или эфира.

Христиан Гюйгенс ввёл волновую теорию света.

Удивительно то, что ни одна из этих теорий не могла в отдельности объяснить оптические явления, вопрос об истинной природе света оставался нерешённым. Предполагали, что имеется вещество под названием эфир, заполняющее всё пространство между телами и молекулами. Однако, и эта гипотеза не оправдала себя, т.к имела множество противоречивых свойств. Противоречие по данному вопросу было устранено Максвеллом, заметившим то, что скорость света близка к скорости ЭВ. Таким образом, уже к концу 19-го века закрепилась электромагнитная теория света, которой пользуются до сих пор.
Окружающий нас мир красочен. Причина этого – сложность солнечного света. Проведём эксперимент: на экран направим световой луч белого спектра и в него поместим кусок красной ткани. Увидим, что только в красной части спектра эта ткань яркая, а в других – тёмная. Это означает то, что данная ткань поглотила лучи всех цветов, а красные отразила. Из этого легко понять, что цвет окрашенного тела зависит не только от лучей рассеянных, но и поглощённых. Но также цвет тела зависит не только от св-ва его поверхности, но и от лучей, которыми оно освещено.
И тут не лишним будет ответить на один вопрос. Наверное, кто-то из нас на просторах сети Интернет наблюдал то, как дайверы открывают красные банки известной газировки. И под водой она кажется приобретает чёрный цвет! Почему? Всё дело в том, что банка окружена синими лучами и поглощает только их, т.е большинство падающих лучей. Обратимся вновь к шкале ЭВ:

Световыми волнами можно назвать те ЭВ, которые вызывают у человека зрительное ощущение. Видим, что для светового излучения есть диапазон от 4 10^14 Гц до 7,5 10^14 Гц. В этом интервале каждой частоте соответствует свой цвет излучения. Частоте 5,4 10^14 Гц – зеленый цвет. По знакомой ф-ле можно найти длину в вакууме: λ = с/ν.

Световое излучение в вакууме имеет длины от 400 нм ( фиолетовый цвет) до 760 нм( красный цвет). Важно знать, что при переходе излучения из одной среды в другую, его цвет сохраняется, так сохраняется частота. Изменяется длина под действием изменения скорости. На практике цвет также характеризуют длиной волны (рис 1.6), указывая их для вакуума.

Человек давно «приручил» оптические явление и смог обратить их во благо. Ярким представителем этого является фотоаппарат. Он состоит из светонепроницаемой камеры, с наличием подвижной стенки, в которой находится объектив.

При фотографировании сначала получают резкое изображение предмета. Затем объектив закрывается и на задней стенке фотоаппарата помещается светочувствительная пластинка или плёнка. Во время выдержки на пластине возникает хим.реакция и возникает скрытое изображение предмета. В дальнейшем, посредством проявления и закрепления с помощью составов, изображение становится видимым. На полученном изображении светлые места –тёмные, а тёмные – светлые. Это называют негативом. Для получения обыкновенного изображения, на негатив вкладывают светочувствительную бумагу и выставляют на свет.

Наш глаз не может детально рассмотреть маленькие предметы из-за маленького угла. Для увеличения угла зрения можно было бы придвинуть предмет к глазу. Но в этом случае расстояние предмета от глаза будет меньше расстояния наилучшего зрения – расстояние, наиболее благоприятное для рассматривания предмета.
Для упрощения задачи можно рассмотреть увеличенное изображение тела. Для этого предмет нужно расположить где-то между линзой и фокусом линзы так, чтобы его изображение оказалось от глаза на расстоянии наилучшего зрения. На практике достигается перемещением линзы.

Проекционный аппарат служит для получения действительного и увеличенного изображения предмета на экране. Внутри ящика помещают источник света. Рисунок на плёнке помещается дальше фокусного расстояния (рис 2.1) – расстояния от центра линзы до точки, где свет сходится или расходится после прохождения через линзу. Оно обозначается буквой «f» и измеряется в метрах. Изображение сосредотачивают при помощи двух линз. Резкость регулируют объективом.

Именно она воспринимает попадание светового Природа создала для человека глаз – подобие фотоаппарата, благодаря которому мы способны визуально изучать мир. Выделим 5 основных отделов глаза (рис 2.2):

1: склера – наружная оболочка, выполняющая защитную функцию; 2: радужная оболочка – последователь сосуд.оболочки. Каждый человек имеет свой цвет радужки;
3: в центре радужки имеется зрачок – отверстие, регулирующее поступления кол-ва света;
4: за радужкой находится прозрачное, похожее на собирающую линзу тело – хрусталик;
5: сетчатка - внутренняя, нервная оболочка глаза. Именно на неё передается конечный световой поток. Изображение на склере получается перевёрнутым. В следствие раздражения сетчатки возникает нервный импульс, передающийся мозгу. Именно в мозге и создается конечное изображение предмета. Поэтому говорят, что человек видит мозгом.

На рис 2.3 показано получение изображения на сетчатке. Видно, чем ближе предмет, тем больше предмет и тем больше угол зрения. И наоборот, при отдалении предмета его изображение уменьшается и угол зрения уменьшается. Малое значение угла зрения есть причина слития двух предметов воедино, находящихся на большом расстоянии.