Kaj preučuje oddelek optike v fiziki. Kaj je optika? Stanje glavnih maksimumov uklonske rešetke

- (grško optike veda o vidnem zaznavanju, iz optos viden, viden), veja fizike, v kateri proučujejo optično sevanje (svetlobo), procese njegovega širjenja in pojave, ki jih opazimo ob izpostavljenosti svetlobi in v va. optični sevanje predstavlja ... ... Fizična enciklopedija

- (grško optike, od optomai vidim). Nauk o svetlobi in njen vpliv na oko. Slovar tujih besed, vključenih v ruski jezik. Chudinov A.N., 1910. OPTIKA grški. optike, od optomai, vidim. Znanost o širjenju svetlobe in njenem vplivu na oko ... ... Slovar tujih besed ruskega jezika

optika- in no. optique f. optika je veda o vidu. 1. zastarel. Rayek (vrsta panorame). Mak. 1908. Ile v steklu optike slikovite kraje Gledam svoja posestva. Deržavin Evgenij. Značilnost vida, zaznavanje tega, kar l. Optika mojih oči je omejena; vse v temi.... Zgodovinski slovar galicizmov ruskega jezika

Sodobna enciklopedija

Optika- OPTIKA, veja fizike, ki proučuje procese oddajanja svetlobe, njeno širjenje v različnih medijih in njeno interakcijo s snovjo. Optika preučuje vidni del spektra elektromagnetnih valov in ultravijolično svetlobo, ki meji nanj ... ... Ilustrirani enciklopedični slovar

OPTIKA, veja fizike, ki preučuje svetlobo in njene lastnosti. Glavni vidiki vključujejo fizično naravo SVETLOBE, ki zajema tako valove kot delce (FOTONE), ODBOJ, LOM, POLARIZACIJO svetlobe in njen prenos skozi različne medije. Optika…… Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar

OPTIKA, optika, pl. ne, ženska (grško optiko). 1. Oddelek za fiziko, veda, ki preučuje pojave in lastnosti svetlobe. Teoretična optika. Uporabna optika. 2. zbrani Naprave in orodja, katerih delovanje temelji na zakonih te znanosti (posebno). Pojasnilo ... ... Razlagalni slovar Ušakova

- (iz grške optike, veda o vizualnem zaznavanju) veja fizike, ki proučuje procese oddajanja svetlobe, njeno širjenje v različnih medijih in interakcijo svetlobe s snovjo. Optika proučuje široko območje spektra elektromagnetnega ... ... Veliki enciklopedični slovar

OPTIKA, in za ženske. 1. Veja fizike, ki preučuje procese oddajanja svetlobe, njenega širjenja in interakcije s snovjo. 2. zbrani Naprave in instrumenti, katerih delovanje temelji na zakonih te znanosti. Optična vlakna (posebni) del optike, ... ... Razlagalni slovar Ozhegova

OPTIKA- (iz grškega opsis vid), nauk o svetlobi, sestavni del fizike. O. je delno vključen v področje geofizike (atmosferski O., optika morij itd.), Delno na področje fiziologije (fiziološki O.). Glede na svojo glavno fizično vsebina O. je razdeljena na fizične ... ... Velika medicinska enciklopedija

knjige

Optika, A.N. Matveev. Odobreno s strani Ministrstva za visoko in srednje šolstvo ZSSR kot učbenik za študente fizičnih specialnosti univerz Reproducirano v izvirnem avtorskem črkovanju publikacije ...

- Zgodovina razvoja optike.

- Osnovne določbe Newtonove korpuskularne teorije.

- Osnove Huygensove valovne teorije.

- Pogledi na naravo svetlobe v XIX – XX stoletja.

- Osnove optike.

- Valovne lastnosti svetlobe in geometrijska optika.

- Oko kot optični sistem.

- Spektroskop.

- Optična merilna naprava.

- Zaključek.

- Seznam uporabljene literature.

Zgodovina razvoja optike.

Optika je preučevanje narave svetlobe, svetlobnih pojavov in interakcije svetlobe s snovjo. In skoraj vsa njena zgodovina je zgodovina iskanja odgovora: kaj je svetloba?

Eno prvih teorij o svetlobi – teorijo o vidnih žarkih – je postavil grški filozof Platon okoli leta 400 pr. e. Ta teorija je domnevala, da žarki prihajajo iz očesa, ki jih ob srečanju s predmeti osvetlijo in ustvarijo videz okoliškega sveta. Platonove poglede so podprli številni znanstveniki antike in zlasti Evklid (3. stoletje pr. n. št.), ki je temeljil na teoriji vidnih žarkov, utemeljil doktrino o pravokotnem širjenju svetlobe, vzpostavil zakon odboja.

V istih letih so bila odkrita naslednja dejstva:

– naravnost širjenja svetlobe;

– pojav odboja svetlobe in odbojni zakon;

- pojav loma svetlobe;

je fokusiranje konkavnega zrcala.

Stari Grki so postavili temelje za vejo optike, kasneje imenovano geometrija.

Najbolj zanimivo delo o optiki, ki je prišlo do nas iz srednjega veka, je delo arabskega znanstvenika Alhazena. Preučeval je odboj svetlobe od zrcal, pojav loma in prehajanje svetlobe skozi leče. Alhazen je prvi predlagal, da ima svetloba končno hitrost širjenja. Ta hipoteza je bila glavna

korak k razumevanju narave svetlobe.

V času renesanse je prišlo do številnih različnih odkritij in izumov; začela se je uveljavljati eksperimentalna metoda kot osnova za preučevanje in spoznavanje okoliškega sveta.

Na podlagi številnih eksperimentalnih dejstev sta sredi 17. stoletja nastali dve hipotezi o naravi svetlobnih pojavov:

- korpuskularna, kar nakazuje, da je svetloba tok delcev, ki jih z veliko hitrostjo izbijejo svetleča telesa;

- val, ki trdi, da je svetloba vzdolžno nihajno gibanje posebnega svetlobnega medija - etra - vzbujenega z nihanjem delcev svetlečega telesa.

Ves nadaljnji razvoj doktrine svetlobe do danes je zgodovina razvoja in boja teh hipotez, katerih avtorja sta bila I. Newton in H. Huygens.

Glavne določbe Newtonove korpuskularne teorije:

1) Svetloba je sestavljena iz majhnih delcev snovi, ki se oddajajo v vse smeri v ravnih črtah ali žarkov, ki jih osvetljuje telo, kot je goreča sveča. Če ti žarki, sestavljeni iz celic, vstopijo v naše oko, potem vidimo njihov izvor (slika 1).

2) Svetlobne celice so različnih velikosti. Največji delci, ki pridejo v oko, dajejo občutek rdeče barve, najmanjši - vijoličen.

3) Bela barva - mešanica vseh barv: rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična.

4) Odboj svetlobe od površine nastane zaradi odboja telesc od stene po zakonu absolutnega elastičnega udarca (slika 2).

5) Pojav loma svetlobe je razložen z dejstvom, da delci medija privlačijo korpuskule. Čim gostejši je medij, tem manjši je lomni kot od vpadnega kota.

6) Pojav disperzije svetlobe, ki ga je odkril Newton leta 1666, je pojasnil na naslednji način. Vsaka barva je že prisotna v beli svetlobi. Vse barve se skupaj prenašajo skozi medplanetarni prostor in atmosfero ter dajejo učinek bele svetlobe. Bela svetloba - mešanica različnih korpuskul - se pri prehodu skozi prizmo lomi. Z vidika mehanske teorije je lom posledica sil steklenih delcev, ki delujejo na svetlobne celice. Te sile so različne za različne korpuskule. Največje so pri vijolični barvi in najmanjše pri rdeči. Pot korpuskul v prizmi se bo za vsako barvo lomila na svoj način, zato bo beli kompleksni žarek razdeljen na barvne sestavne žarke.

7) Newton je orisal načine za razlago dvojnega loma s hipotezo, da imajo svetlobni žarki "različne strani" - posebno lastnost, ki povzroča njihov različen lom pri prehodu skozi dvolomno telo.

Newtonova korpuskularna teorija je zadovoljivo pojasnila številne takrat znane optične pojave. Njen avtor je užival izjemen ugled v znanstvenem svetu in kmalu je Newtonova teorija dobila številne podpornike v vseh državah.

Osnove Huygensove valovne teorije svetlobe.

1) Svetloba je porazdelitev elastičnih periodičnih impulzov v etru. Ti impulzi so vzdolžni in podobni zvočnim impulzom v zraku.

2) Eter je hipotetični medij, ki zapolnjuje nebesni prostor in vrzeli med delci teles. Je breztežna, ne upošteva zakona univerzalne gravitacije in ima veliko elastičnost.

3) Načelo širjenja nihanj etra je takšno, da je vsaka njegova točka, do katere doseže vzbujanje, središče sekundarnih valov. Ti valovi so šibki in učinek je opazen le tam, kjer prehaja njihova ovojnica.

površina - valovna fronta (Huygensov princip) (slika 3).

Svetlobni valovi, ki prihajajo neposredno iz vira, povzročajo občutek videnja.

Zelo pomembna točka Huygensove teorije je bila predpostavka, da je hitrost širjenja svetlobe končna. S svojim načelom je znanstveniku uspelo razložiti številne pojave geometrijske optike:

– pojav odboja svetlobe in njegove zakonitosti;

- pojav loma svetlobe in njegove zakonitosti;

– pojav popolnega notranjega odboja;

- pojav dvojnega loma;

- princip neodvisnosti svetlobnih žarkov.

Huygensova teorija je dala naslednji izraz za lomni količnik medija:

Iz formule je razvidno, da mora biti hitrost svetlobe obratno odvisna od absolutnega indeksa medija. Ta sklep je bil nasproten sklepu, ki izhaja iz Newtonove teorije. Zaradi nizke ravni eksperimentalne tehnologije 17. stoletja ni bilo mogoče ugotoviti, katera od teorij je pravilna.

Mnogi so dvomili v Huygensovo valovno teorijo, a med redkimi zagovorniki valovnih pogledov na naravo svetlobe sta bila M. Lomonosov in L. Euler. Iz raziskav teh znanstvenikov se je Huygensova teorija začela oblikovati kot teorija valovanja in ne le aperiodičnih nihanj, ki se širijo v etru.

Pogledi na naravo svetlobe v XIX - XX stoletja.

Leta 1801 je T. Jung izvedel poskus, ki je navdušil znanstvenike po vsem svetu (slika 4)

S je vir svetlobe;

E - zaslon;

B in C sta zelo ozki reži, ki sta med seboj oddaljeni 1-2 mm.

Po Newtonovi teoriji bi se morali na zaslonu pojaviti dve svetli progi, v resnici se je pojavilo več svetlih in temnih črt, prav nasproti reže med režama B in C pa se je pojavila svetla črta P. Eksperiment je pokazal, da je svetloba valovni pojav. Jung je razvil Huygensovo teorijo z idejami o vibracijah delcev, o frekvenci vibracij. Oblikoval je princip interference, na podlagi katerega je razložil pojav uklona, interference in barve tankih plošč.

Francoski fizik Fresnel je združil princip Huygensovega valovanja in princip Youngove interference. Na tej podlagi je razvil strogo matematično teorijo uklona. Fresnelu je uspelo razložiti vse takrat znane optične pojave.

Osnovne določbe Fresnelove valovne teorije.

- Svetloba - širjenje nihanj v etru s hitrostjo, kjer je modul elastičnosti etra, r– gostota etra;

– Svetlobni valovi so prečni;

– Lahki eter ima lastnosti prožno-trdnega telesa, je popolnoma nestisljiv.

Pri prehodu iz enega medija v drugega se elastičnost etra ne spremeni, spremeni pa se njegova gostota. Relativni lomni količnik snovi.

Prečne vibracije se lahko pojavljajo hkrati v vseh smereh, ki so pravokotne na smer širjenja valov.

Fresnelovo delo je dobilo priznanje znanstvenikov. Kmalu so se pojavila številna eksperimentalna in teoretična dela, ki so potrdila valovno naravo svetlobe.

Sredi 19. stoletja so se začela odkrivati dejstva, ki so kazala na povezavo med optičnimi in električnimi pojavi. Leta 1846 je M. Faraday opazoval vrtenje polarizacijskih ravnin svetlobe v telesih, postavljenih v magnetno polje. Faraday je uvedel koncept električnega in magnetnega polja kot nekakšne prekrivke v etru. Pojavil se je nov "elektromagnetni eter". Na ta stališča je prvi opozoril angleški fizik Maxwell. Te ideje je razvil in zgradil teorijo elektromagnetnega polja.

Elektromagnetna teorija svetlobe ni prečrtala Huygens-Young-Fresnelove mehanične teorije, ampak jo je postavila na novo raven. Leta 1900 je nemški fizik Planck postavil hipotezo o kvantni naravi sevanja. Njegovo bistvo je bilo naslednje:

– oddajanje svetlobe je diskretno;

- absorpcija poteka tudi v diskretnih delih, kvantih.

Energija vsakega kvanta je predstavljena s formulo E = h n, Kje h je Planckova konstanta in n je frekvenca svetlobe.

Pet let po Plancku je bilo objavljeno delo nemškega fizika Einsteina o fotoelektričnem učinku. Einstein je verjel:

- svetloba, ki še ni interagirala s snovjo, ima zrnato strukturo;

– foton je strukturni element diskretnega svetlobnega sevanja.

Tako se je pojavila nova kvantna teorija svetlobe, rojena na podlagi Newtonove korpuskularne teorije. Kvant deluje kot korpuskula.

Temeljne določbe.

- Svetloba se oddaja, širi in absorbira v diskretnih delih - kvantih.

- Kvant svetlobe - foton nosi energijo sorazmerno s frekvenco valovanja, s katero ga opisuje elektromagnetna teorija E = h n .

- Foton ima maso (), gibalno količino in gibalno količino ().

– Foton kot delec obstaja samo v gibanju, katerega hitrost je hitrost širjenja svetlobe v danem mediju.

– Za vse interakcije, v katerih sodeluje foton, veljajo splošni zakoni ohranitve energije in gibalne količine.

– Elektron v atomu je lahko le v nekaterih diskretnih stabilnih stacionarnih stanjih. Ker je atom v stacionarnem stanju, ne seva energije.

– Pri prehodu iz enega stacionarnega stanja v drugo atom odda (absorbira) foton s frekvenco, (kjer E1 in E2 sta energiji začetnega in končnega stanja).

S pojavom kvantne teorije je postalo jasno, da sta korpuskularna in valovna lastnost le dve plati, dve med seboj povezani manifestaciji bistva svetlobe. Ne odražajo dialektične enotnosti diskretnosti in kontinuitete materije, ki se izraža v hkratni manifestaciji valovnih in korpuskularnih lastnosti. En in isti sevalni proces lahko opišemo tako s pomočjo matematičnega aparata za valovanje, ki se širi v prostoru in času, kot s pomočjo statističnih metod za napovedovanje pojava delcev na danem mestu in v danem času. Oba modela se lahko uporabljata hkrati in glede na pogoje ima eden izmed njih prednost.

Dosežki zadnjih let na področju optike so postali mogoči zaradi razvoja tako kvantne fizike kot valovne optike. Danes se teorija svetlobe še naprej razvija.

Optika je veja fizike, ki preučuje lastnosti in fizikalno naravo svetlobe ter njeno interakcijo s snovjo.

Najenostavnejše optične pojave, kot sta nastajanje senc in ustvarjanje slik v optičnih instrumentih, lahko razumemo v okviru geometrijske optike, ki operira s konceptom posameznih svetlobnih žarkov, ki se podrejajo znanim zakonom loma in odboja in so neodvisni. drug drugega. Za razumevanje kompleksnejših pojavov je potrebna fizikalna optika, ki te pojave obravnava v povezavi s fizikalno naravo svetlobe. Fizična optika vam omogoča, da izpeljete vse zakone geometrijske optike in določite meje njihove uporabnosti. Brez poznavanja teh omejitev lahko formalna uporaba zakonov geometrijske optike v posebnih primerih privede do rezultatov, ki so v nasprotju z opazovanimi pojavi. Zato se ne moremo omejiti na formalno konstrukcijo geometrijske optike, temveč jo moramo gledati kot na vejo fizikalne optike.

Koncept svetlobnega žarka lahko dobimo iz obravnave pravega svetlobnega žarka v homogenem mediju, od katerega je z diafragmo ločen ozek vzporedni žarek. Manjši kot je premer teh lukenj, ožji je žarek in v meji, ki prehaja na poljubno majhne luknje, se zdi, da je svetlobni žarek mogoče dobiti kot ravno črto. Toda tak postopek ločevanja poljubno ozkega snopa (žarka) je nemogoč zaradi pojava uklona. Neizogibna kotna ekspanzija realnega svetlobnega žarka, ki prehaja skozi diafragmo s premerom D, je določena z uklonskim kotom j ~ l / D. Samo v mejnem primeru, ko l=0, do takšne ekspanzije ne bi prišlo in bi o žarku lahko govorili kot o geometrijski črti, katere smer določa smer širjenja svetlobne energije.

Tako je svetlobni žarek abstrakten matematični koncept, geometrijska optika pa je približen mejni primer, v katerega valovna optika preide, ko gre valovna dolžina svetlobe na nič.

Oko kot optični sistem.

Organ človeškega vida so oči, ki v mnogih pogledih predstavljajo zelo popoln optični sistem.

Na splošno je človeško oko sferično telo s premerom približno 2,5 cm, ki se imenuje zrklo (slika 5). Neprozorno in močno zunanjo lupino očesa imenujemo beločnica, njen prozoren in bolj izbočen sprednji del pa roženica. Na notranji strani je beločnica prekrita z žilnico, sestavljeno iz krvnih žil, ki prehranjujejo oko. Proti roženici prehaja žilnica v šarenico, ki je pri različnih ljudeh neenakomerno obarvana, ki je od roženice ločena s komorico s prozorno vodeno maso.

Šarenica ima okroglo luknjo, imenovano zenica, katere premer je lahko različen. Tako šarenica igra vlogo diafragme, ki uravnava dostop svetlobe do očesa. Pri močni svetlobi se zenica zmanjša, pri šibki pa poveča. Znotraj zrkla za šarenico je leča, ki je bikonveksna leča iz prozorne snovi z lomnim količnikom približno 1,4. Lečo omejuje obročasta mišica, ki lahko spreminja ukrivljenost njenih površin in s tem njeno optično moč.

Žilnica na notranji strani očesa je prekrita z vejami fotosenzitivnega živca, zlasti debele nasproti zenice. Te veje tvorijo mrežnico, na kateri se ustvari realna podoba predmetov, ki jo ustvari optični sistem očesa. Prostor med mrežnico in lečo je zapolnjen s prozornim steklastim telesom, ki ima želatinasto strukturo. Slika predmetov na mrežnici je obrnjena. Dejavnost možganov, ki sprejemajo signale iz fotosenzitivnega živca, pa nam omogoča, da vidimo vse predmete v naravnih položajih.

Ko je obročasta mišica očesa sproščena, se na mrežnici pojavi slika oddaljenih predmetov. Na splošno je naprava očesa taka, da lahko oseba brez napetosti vidi predmete, ki se nahajajo ne bližje kot 6 metrov od očesa. Podobo bližjih predmetov v tem primeru dobimo za mrežnico. Da bi dobili jasno sliko takega predmeta, obročasta mišica vedno bolj stisne lečo, dokler slika predmeta ni na mrežnici, nato pa lečo zadrži v stisnjenem stanju.

Tako se "fokusiranje" človeškega očesa izvede s spreminjanjem optične moči leče s pomočjo obročaste mišice. Sposobnost optičnega sistema očesa, da ustvari različne slike predmetov, ki se nahajajo na različnih razdaljah od njega, se imenuje akomodacija (iz latinske "acomodation" - prilagoditev). Pri opazovanju zelo oddaljenih predmetov pridejo v oko vzporedni žarki. V tem primeru naj bi bilo oko akomodirano do neskončnosti.

Akomodacija očesa ni neskončna. S pomočjo krožne mišice se lahko optična moč očesa poveča za največ 12 dioptrij. Pri dolgotrajnem gledanju bližnjih predmetov se oko utrudi, obročasta mišica se začne sproščati in slika predmeta se zamegli.

Človeške oči vam omogočajo, da dobro vidite predmete ne le pri dnevni svetlobi. Sposobnost očesa, da se prilagodi različnim stopnjam draženja končičev fotoobčutljivega živca na mrežnici, tj. na različne stopnje svetlosti opazovanih predmetov imenujemo prilagoditev.

Konvergenco vidnih osi oči na določeni točki imenujemo konvergenca. Ko se predmeti nahajajo na precejšnji razdalji od osebe, se pri premikanju oči z enega predmeta na drugega razdalja med osema oči praktično ne spremeni in oseba izgubi sposobnost pravilnega določanja položaja predmeta. . Ko so predmeti zelo oddaljeni, sta očesni osi vzporedni in človek sploh ne more ugotoviti, ali se predmet, ki ga gleda, premika ali ne. Določeno vlogo pri določanju položaja teles igra tudi sila obročaste mišice, ki stisne lečo pri gledanju predmetov, ki se nahajajo blizu osebe. ovce.

Razpon Obseg.

Za opazovanje spektrov se uporablja spektroskop.

Najpogostejši prizmatični spektroskop je sestavljen iz dveh cevi, med katerima je nameščena triedrska prizma (slika 7).

V cevi A, imenovani kolimator, je ozka reža, katere širino lahko nastavljamo z vrtenjem vijaka. Pred režo je postavljen vir svetlobe, katerega spekter je treba raziskati. Reža se nahaja v ravnini kolimatorja, zato svetlobni žarki iz kolimatorja izhajajo v obliki vzporednega žarka. Po prehodu skozi prizmo se svetlobni žarki usmerijo v cevko B, skozi katero opazujemo spekter. Če je spektroskop namenjen meritvam, se slika lestvice z delitvami nanese na sliko spektra s posebno napravo, ki vam omogoča natančno določitev položaja barvnih linij v spektru.

Optična merilna naprava je merilni instrument, v katerem se opazovanje (združevanje meja nadzorovanega predmeta z linijo vida, križem itd.) Ali določanje velikosti izvaja z napravo z optičnim principom delovanja. Poznamo tri skupine optičnih merilnih naprav: naprave z optičnim principom viziranja in mehanskim načinom javljanja gibanja; naprave z optičnim opazovanjem in javljanjem gibanja; naprave, ki imajo mehanski stik z merilno napravo, z optično metodo za določanje gibanja kontaktnih točk.

Od instrumentov so se projektorji prvi razširili za merjenje in kontrolo delov s kompleksno konturo in majhnimi dimenzijami.

Druga najpogostejša naprava je univerzalni merilni mikroskop, pri katerem se merjeni del premika po vzdolžnem vozičku, glava mikroskopa pa po prečnem.

Naprave tretje skupine se uporabljajo za primerjavo izmerjenih linearnih veličin z merami ali lestvicami. Običajno so združeni pod splošnim imenom primerjalniki. V to skupino naprav spadajo optimetri (optikator, merilni stroj, kontaktni interferometer, optični daljinomer itd.).

Optični merilni instrumenti se pogosto uporabljajo tudi v geodeziji (libela, teodolit itd.).

Teodolit je geodetski pripomoček za določanje smeri ter merjenje vodoravnih in navpičnih kotov pri geodetskih delih, topografskih in rudniških raziskavah, v gradbeništvu itd.

Nivelma je geodetsko orodje za merjenje višin točk na zemeljskem površju – niveliranje, pa tudi za določanje vodoravnih smeri pri montaži ipd. dela.

V navigaciji se pogosto uporablja sekstant - goniometrični zrcalno odsevni instrument za merjenje višin nebesnih teles nad obzorjem ali kotov med vidnimi predmeti, da se določijo koordinate mesta opazovalca. Najpomembnejša lastnost sekstanta je možnost hkratnega združevanja dveh objektov v vidnem polju opazovalca, med katerima se meri kot, kar omogoča uporabo sekstanta na letalu in na ladji brez opaznega zmanjšanja natančnosti. tudi med pitchingom.

Obetavna smer pri razvoju novih vrst optičnih merilnih instrumentov je njihova opremljanje z elektronskimi bralnimi napravami, ki omogočajo poenostavitev branja indikacij in opazovanja itd.

Zaključek.

Praktični pomen optike in njen vpliv na druge veje znanja sta izjemno velika. Izum teleskopa in spektroskopa je pred človekom odprl najbolj neverjeten in najbogatejši svet pojavov, ki se dogajajo v ogromnem vesolju. Izum mikroskopa je revolucioniral biologijo. Fotografija je pomagala in še pomaga skoraj vsem vejam znanosti. Eden najpomembnejših elementov znanstvene opreme je leča. Brez njega ne bi bilo mikroskopa, teleskopa, spektroskopa, kamere, kina, televizije itd. očal ne bi bilo, marsikateri starejši od 50 let pa bi bil prikrajšan za branje in opravljanje številnih opravil, povezanih z vidom.

Področje pojavov, ki jih proučuje fizikalna optika, je zelo obsežno. Optični pojavi so tesno povezani s pojavi, ki jih preučujejo druge veje fizike, optične raziskovalne metode pa so med najbolj subtilnimi in natančnimi. Zato ni presenetljivo, da je imela optika dolgo časa vodilno vlogo v mnogih temeljnih raziskavah in razvoju osnovnih fizikalnih pogledov. Dovolj je reči, da sta obe glavni fizikalni teoriji prejšnjega stoletja - relativnostna in kvantna teorija - nastali in se razvili v veliki meri na podlagi optičnih raziskav. Izum laserjev je odprl ogromno novih možnosti ne le v optiki, temveč tudi pri njegovi uporabi v različnih vejah znanosti in tehnologije.

Moskovski odbor za izobraževanje

O svetu R T

Moskovska tehnološka šola

Oddelek za naravoslovje

Zaključno delo iz fizike

Na temo :

Izpolnila študentka 14. skupine: Ryazantseva Oksana

Predavatelj: Gruzdeva L.N.

- Artsybyshev S.A. Fizika - M.: Medgiz, 1950.

- Ždanov L.S. Ždanov G.L. Fizika za srednje šole - M.: Nauka, 1981.

- Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976.

- Landsberg G.S. Osnovni učbenik fizike. - M.: Nauka, 1986.

- Prohorov A.M. Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1974.

- Sivuhin D.V. Splošni tečaj fizike: Optika - M.: Nauka, 1980.

Ena od starodavnih in obsežnih vej fizike je optika. Njegovi dosežki se uporabljajo v številnih vedah in področjih delovanja: elektrotehniki, industriji, medicini in drugih. Iz članka lahko izveste, kaj preučuje ta znanost, zgodovino razvoja idej o njej, najpomembnejše dosežke in kakšne optične sisteme in naprave obstajajo.

Kaj preučuje optika

Ime te discipline je grškega izvora in je prevedeno kot "veda o vizualni percepciji". Optika je veja fizike, ki preučuje naravo svetlobe, njene lastnosti in zakone, povezane z njenim širjenjem. Ta znanost raziskuje naravo vidne svetlobe, infrardečega in ultravijoličnega sevanja. Ker lahko ljudje zahvaljujoč svetlobi vidimo svet okoli sebe, je ta veja fizike tudi disciplina, povezana z vizualnim zaznavanjem sevanja. In ni čudno: oko je kompleksen optični sistem.

Zgodovina nastanka znanosti

Optika je nastala v starih časih, ko so ljudje poskušali razumeti naravo svetlobe in ugotoviti, kako je mogoče videti predmete okoliškega sveta.

Starodavni filozofi so vidno svetlobo obravnavali kot žarke, ki prihajajo iz človekovih oči, ali tok drobnih delcev, ki odletijo s predmetov in vstopajo v oko.

V prihodnosti so naravo svetlobe preučevali številni ugledni znanstveniki. Isaac Newton je oblikoval teorijo o korpuskulah – drobnih delcih svetlobe. Drugi znanstvenik, Huygens, je predstavil teorijo valov.

Naravo svetlobe so še naprej raziskovali fiziki 20. stoletja: Maxwell, Planck, Einstein.

Trenutno sta hipotezi Newtona in Huygensa združeni v konceptu dualnosti valov in delcev, po katerem ima svetloba lastnosti tako delcev kot valov.

Oddelki

Predmet raziskovanja v optiki ni le svetloba in njena narava, temveč tudi instrumenti za te raziskave, zakonitosti in lastnosti tega pojava in še marsikaj. Zato v znanosti obstaja več oddelkov, posvečenih določenim vidikom raziskovanja.

geometrijska optika;
val;
kvantni.

Vsak razdelek bo podrobno obravnavan spodaj.

geometrijska optika

V tem razdelku so naslednji zakoni optike:

Zakon o premočrtnosti širjenja svetlobe, ki prehaja skozi homogeni medij. Svetlobni žarek se obravnava kot ravna črta, po kateri prehajajo svetlobni delci.

Zakon refleksije:

Vpadni in odbiti žarek ter pravokotnica na vmesnik med dvema medijema, obnovljena na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini ( vpadna ravnina). Odbojni kot γ je enak vpadnemu kotu α.

Zakon loma:

Vpadni in lomljeni žarek ter pravokotnica na vmesnik med dvema medijema, obnovljena na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini. Razmerje med sinusom vpadnega kota α in sinusom lomnega kota β je konstanta za dani mediji.

Sredstvo za proučevanje lastnosti svetlobe v geometrijski optiki so leče.

Leča je prozorno telo, ki je sposobno prepuščati in spreminjati.Delimo jih na konveksne in konkavne ter zbiralne in razpršilne. Objektiv je glavni sestavni del vseh optičnih naprav. Ko je njegova debelina majhna v primerjavi s polmeri površin, se imenuje tanka. V optiki je formula tanke leče videti takole:

1/d + 1/f = D, kjer je

d je razdalja od predmeta do leče; f je razdalja do slike od leče; D je optična moč leče (merjena v dioptrijah).

Valovna optika in njeni koncepti

Ker je znano, da ima svetloba vse lastnosti elektromagnetnega valovanja, ločena veja fizike proučuje manifestacije teh lastnosti. Imenuje se valovna optika.

Osnovni koncepti tega dela optike so disperzija, interferenca, uklon in polarizacija.

Pojav disperzije je odkril Newton s svojimi poskusi s prizmami. To odkritje je pomemben korak k razumevanju narave svetlobe. Odkril je, da je lom svetlobnih žarkov odvisen od njihove barve. Ta pojav so poimenovali disperzija ali sipanje svetlobe. Zdaj je znano, da je barva odvisna od valovne dolžine. Poleg tega je bil Newton tisti, ki je predlagal koncept spektra za označevanje mavričnega traku, ki ga dobimo z disperzijo skozi prizme.

Potrditev valovne narave svetlobe je interferenca njenih valov, ki jo je odkril Jung. To je superpozicija dveh ali več valov enega na drugega. Posledično lahko opazimo pojav ojačanja in oslabitve svetlobnih nihanj na različnih točkah prostora. Milni mehurčki in mavrični večbarvni filmi razlitega bencina so lepi in znani znaki motenj.

Za vsakogar je značilen pojav difrakcije. Ta izraz je preveden iz latinščine kot "zlomljen". Difrakcija v optiki je upogibanje svetlobnih valov okoli robov ovir. Na primer, če je krogla postavljena na pot svetlobnega žarka, se bodo na zaslonu za njo pojavili izmenični obroči - svetli in temni. To se imenuje uklonski vzorec. Pojav sta preučevala Jung in Fresnel.

Zadnji ključni koncept valovne optike je polarizacija. Svetloba se imenuje polarizirana, če je smer njenega valovanja urejena. Ker je svetloba longitudinalno in ne transverzalno valovanje, se tudi nihanja pojavljajo izključno v transverzalni smeri.

kvantna optika

Svetloba ni samo val, ampak tudi tok delcev. Na podlagi te komponente je nastala taka veja znanosti, kot je kvantna optika. Njegov videz je povezan z imenom Max Planck.

Kvant je kateri koli del nečesa. In v tem primeru govorijo o sevalnih kvantih, to je delih svetlobe, ki se med njim oddajajo. Za označevanje delcev se uporablja beseda fotoni (iz grščine φωτός - "svetloba"). Ta koncept je predlagal Albert Einstein. V tem delu optike se Einsteinova formula E=mc 2 uporablja tudi za preučevanje lastnosti svetlobe.

Glavna naloga tega oddelka je preučevanje in karakterizacija interakcije svetlobe s snovjo ter preučevanje njenega širjenja v netipičnih pogojih.

Lastnosti svetlobe kot toka delcev se pojavijo pod naslednjimi pogoji:

toplotno sevanje;
fotoelektrični učinek;
fotokemični procesi;
stimulirana emisija itd.

V kvantni optiki obstaja koncept neklasične svetlobe. Dejstvo je, da kvantnih karakteristik svetlobnega sevanja ni mogoče opisati v okviru klasične optike. Neklasična svetloba, na primer dvofotonska, stisnjena, se uporablja na različnih področjih: za kalibracijo fotodetektorjev, za natančne meritve itd. Druga aplikacija je kvantna kriptografija - skrivna metoda za prenos informacij z uporabo binarnih kod, kjer je navpično usmerjena svetloba. fotonu je dodeljena 0, vodoravno usmerjenemu pa 1.

Vrednost optike in optičnih instrumentov

Na katerih področjih optične tehnologije so našli svojo glavno uporabo?

Prvič, brez te znanosti ne bi bilo optičnih instrumentov, ki jih pozna vsak: teleskop, mikroskop, kamera, projektor in drugi. S pomočjo posebej izbranih leč so ljudje lahko raziskovali mikrosvet, vesolje, nebesna telesa ter zajemali in prenašali informacije v obliki slik.

Poleg tega so bila zahvaljujoč optiki narejena številna pomembna odkritja na področju narave svetlobe, njenih lastnosti, odkriti so bili pojavi interference, polarizacije in drugo.

Nazadnje se je optika široko uporabljala v medicini, na primer pri preučevanju rentgenskih žarkov, na podlagi katerih je bila ustvarjena naprava, ki je rešila številna življenja. Zahvaljujoč tej znanosti je bil izumljen tudi laser, ki se pogosto uporablja pri kirurških posegih.

Optika in vid

Oko je optični sistem. Zahvaljujoč lastnostim svetlobe in zmožnostim organov vida lahko vidite svet okoli sebe. Na žalost se le malo ljudi lahko pohvali s popolnim vidom. S pomočjo te discipline je postalo mogoče obnoviti sposobnost ljudi, da bolje vidijo s pomočjo očal in kontaktnih leč. Zato so zdravstvene ustanove, ki se ukvarjajo z izbiro orodij za korekcijo vida, prejele tudi ustrezno ime - optika.

Lahko povzamete. Optika je torej veda o lastnostih svetlobe, ki vpliva na številna področja življenja in ima široko uporabo v znanosti in vsakdanjem življenju.

Amangeldinov Mustafa Rahatoviča
študent
Intelektualna šola Nazarbajev mustafastu[e-pošta zaščitena] gmail. com

Optika. Zgodovina optike, aplikacije optike.

Zgodovina razvoja optike.

Optika je preučevanje narave svetlobe, svetlobnih pojavov in interakcije svetlobe s snovjo. In skoraj vsa njena zgodovina je zgodovina iskanja odgovora: kaj je svetloba?

V istih letih so bila odkrita naslednja dejstva:

– naravnost širjenja svetlobe;

– pojav odboja svetlobe in odbojni zakon;

– pojav loma svetlobe;

– fokusno delovanje konkavnega zrcala.

Stari Grki so postavili temelje za vejo optike, kasneje imenovano geometrija.

V času renesanse je prišlo do številnih različnih odkritij in izumov; začela se je uveljavljati eksperimentalna metoda kot osnova za preučevanje in spoznavanje okoliškega sveta.

Na podlagi številnih eksperimentalnih dejstev sta sredi 17. stoletja nastali dve hipotezi o naravi svetlobnih pojavov:

– korpuskularno, kar nakazuje, da je svetloba tok delcev, ki jih z veliko hitrostjo izbijejo svetleča telesa;

– vala, ki je trdil, da je svetloba vzdolžno nihajno gibanje posebnega svetlobnega medija - etra - vzbujenega z nihanjem delcev svetlečega telesa.

Ves nadaljnji razvoj doktrine svetlobe do danes je zgodovina razvoja in boja teh hipotez, katerih avtorja sta bila I. Newton in H. Huygens.

Glavne določbe Newtonove korpuskularne teorije:

1) Svetloba je sestavljena iz majhnih delcev snovi, ki se oddajajo v vse smeri v ravnih črtah ali žarkov, ki jih osvetljuje telo, kot je goreča sveča. Če ti žarki, sestavljeni iz korpuskul, vstopijo v naše oko, potem vidimo njihov izvor.

2) Svetlobne celice so različnih velikosti. Največji delci, ki pridejo v oko, dajejo občutek rdeče barve, najmanjši - vijoličen.

3) Bela barva - mešanica vseh barv: rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična.

4) Odboj svetlobe od površine nastane zaradi odboja korpuskul od stene po zakonu absolutnega elastičnega udarca.

5) Pojav loma svetlobe je razložen z dejstvom, da delci medija privlačijo korpuskule. Čim gostejši je medij, tem manjši je lomni kot od vpadnega kota.

7) Newton je orisal načine za razlago dvojnega loma s hipotezo, da imajo svetlobni žarki "različne strani" - posebno lastnost, ki povzroča njihov različen lom pri prehodu skozi dvolomno telo.

Pogledi na naravo svetlobe v XIX-XX stoletju.

Leta 1801 je T. Jung izvedel poskus, ki je presenetil znanstvenike sveta: S je vir svetlobe; E - zaslon; B in C sta zelo ozki reži, ki sta med seboj oddaljeni 1-2 mm.

Osnovne določbe Fresnelove valovne teorije.

– Svetloba je širjenje nihanja v etru s hitrostjo, kjer je modul elastičnosti etra, r gostota etra;

– Svetlobni valovi so prečni;

– Lahki eter ima lastnosti elastično-trdnega telesa, je popolnoma nestisljiv.

Pri prehodu iz enega medija v drugega se elastičnost etra ne spremeni, spremeni pa se njegova gostota. Relativni lomni količnik snovi.

Prečne vibracije se lahko pojavljajo hkrati v vseh smereh, ki so pravokotne na smer širjenja valov.

Fresnelovo delo je dobilo priznanje znanstvenikov. Kmalu so se pojavila številna eksperimentalna in teoretična dela, ki so potrdila valovno naravo svetlobe.

– oddajanje svetlobe je diskretno;

– absorpcija poteka tudi v diskretnih delih, v kvantih.

Energija vsakega kvanta je predstavljena s formuloE=hn , Kjeh je Planckova konstanta in n je frekvenca svetlobe.

Pet let po Plancku je bilo objavljeno delo nemškega fizika Einsteina o fotoelektričnem učinku. Einstein je verjel:

– svetloba, ki še ni interagirala s snovjo, ima zrnato strukturo;

– foton je strukturni element diskretnega svetlobnega sevanja.

Leta 1913 je danski fizik N. Bohr objavil teorijo atoma, v kateri je združil Planck-Einsteinovo teorijo kvantov s sliko jedrske zgradbe atoma.

Tako se je pojavila nova kvantna teorija svetlobe, rojena na podlagi Newtonove korpuskularne teorije. Kvant deluje kot korpuskula.

Temeljne določbe.

– Svetloba se oddaja, širi in absorbira v diskretnih delih – kvantih.

– Kvant svetlobe - foton nosi energijo, ki je sorazmerna s frekvenco valovanja, s katero ga opisuje elektromagnetna teorijaE=hn .

– Foton ima maso (), zagon in zagon ().

– Foton kot delec obstaja samo v gibanju, katerega hitrost je hitrost širjenja svetlobe v danem mediju.

– Za vse interakcije, v katerih sodeluje foton, veljajo splošni zakoni ohranitve energije in gibalne količine.

– Elektron v atomu je lahko le v nekaterih diskretnih stabilnih stacionarnih stanjih. Ker je atom v stacionarnem stanju, ne seva energije.

– Pri prehodu iz enega stacionarnega stanja v drugo atom odda (absorbira) foton s frekvenco, (kjerE 1 inE 2 sta energiji začetnega in končnega stanja).

Dosežki zadnjih let na področju optike so postali mogoči zaradi razvoja tako kvantne fizike kot valovne optike. Danes se teorija svetlobe še naprej razvija.

Valovne lastnosti svetlobe in geometrijska optika.

Optika je veja fizike, ki preučuje lastnosti in fizikalno naravo svetlobe ter njeno interakcijo s snovjo.

Koncept svetlobnega žarka lahko dobimo iz obravnave pravega svetlobnega žarka v homogenem mediju, od katerega je z diafragmo ločen ozek vzporedni žarek. Manjši kot je premer teh lukenj, ožji je žarek in v meji, ki prehaja na poljubno majhne luknje, se zdi, da je svetlobni žarek mogoče dobiti kot ravno črto. Toda tak postopek ločevanja poljubno ozkega snopa (žarka) je nemogoč zaradi pojava uklona. Neizogibna kotna ekspanzija realnega svetlobnega žarka, ki gre skozi diafragmo s premerom D, je določena z uklonskim kotom j~l /D . Le v mejnem primeru, ko je l = 0, do takšne ekspanzije ne bi prišlo in bi lahko o žarku govorili kot o geometrijski črti, katere smer določa smer širjenja svetlobne energije.

Tako je svetlobni žarek abstrakten matematični koncept, geometrijska optika pa je približen mejni primer, v katerega valovna optika preide, ko gre valovna dolžina svetlobe na nič.

Oko kot optični sistem.

Organ človeškega vida so oči, ki v mnogih pogledih predstavljajo zelo popoln optični sistem.

Tako se "ostrenje" človeškega očesa izvaja s spreminjanjem optične moči leče s pomočjo obročaste mišice. Sposobnost optičnega sistema očesa, da ustvari različne slike predmetov, ki se nahajajo na različnih razdaljah od njega. imenovano akomodacija (iz latinske "acomodation" - prilagoditev). Pri opazovanju zelo oddaljenih predmetov pridejo v oko vzporedni žarki. V tem primeru naj bi bilo oko akomodirano do neskončnosti.

Spektroskop.

Za opazovanje spektrov se uporablja spektroskop.

Najpogostejši prizmatični spektroskop je sestavljen iz dveh cevi s triedrsko prizmo med njima.

Optična merilna naprava.

Od instrumentov so se projektorji prvi razširili za merjenje in kontrolo delov s kompleksno konturo in majhnimi dimenzijami.

Druga najpogostejša naprava je univerzalni merilni mikroskop, pri katerem se merjeni del premika po vzdolžnem vozičku, glava mikroskopa pa po prečnem.

Optični merilni instrumenti se pogosto uporabljajo tudi v geodeziji (libela, teodolit itd.).

Teodolit je geodetski pripomoček za določanje smeri ter merjenje vodoravnih in navpičnih kotov pri geodetskih delih, topografskih in rudniških raziskavah, v gradbeništvu itd.

Nivelma je geodetsko orodje za merjenje višin točk na zemeljskem površju – niveliranje, pa tudi za določanje vodoravnih smeri pri montaži ipd. dela.

Obetavna smer pri razvoju novih vrst optičnih merilnih instrumentov je njihova opremljanje z elektronskimi bralnimi napravami, ki omogočajo poenostavitev branja indikacij in opazovanja itd.

Zaključek.

Bibliografija. Artsybyshev S.A. Fizika - M.: Medgiz, 1950.

Ždanov L.S. Ždanov G.L. Fizika za srednje šole - M.: Nauka, 1981.

Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976.

Landsberg G.S. Osnovni učbenik fizike. - M.: Nauka, 1986.

Prohorov A.M. Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1974.

Sivuhin D.V. Splošni tečaj fizike: Optika - M.: Nauka, 1980.

Optika- To je veja fizike, ki preučuje naravo svetlobnega sevanja, njegovo porazdelitev in interakcijo s snovjo. Svetlobni valovi so elektromagnetni valovi. Valovna dolžina svetlobnih valov leži v intervalu . Valove tega razpona zaznava človeško oko.

Svetloba potuje po črtah, ki jih imenujemo žarki. V približku žarkovne (ali geometrijske) optike zanemarjamo končnost valovnih dolžin svetlobe ob predpostavki, da je λ→0. Geometrijska optika v mnogih primerih omogoča dokaj dober izračun optičnega sistema. Najenostavnejši optični sistem je leča.

Pri preučevanju interference svetlobe je treba upoštevati, da interferenco opazimo le iz koherentnih virov in da je interferenca povezana s prerazporeditvijo energije v prostoru. Pri tem je pomembno, da znamo pravilno zapisati pogoj največje in najmanjše svetlobne jakosti ter biti pozorni na vprašanja, kot so barve tankih filmov, enako debeli trakovi in enak naklon.

Pri preučevanju pojava uklona svetlobe je potrebno razumeti Huygens-Fresnelov princip, metodo Fresnelovih con, da bi razumeli, kako opisati uklonski vzorec na eni reži in na uklonski mreži.

Pri proučevanju pojava polarizacije svetlobe je treba razumeti, da ta pojav temelji na prečni naravi svetlobnih valov. Pozornost je treba nameniti metodam pridobivanja polarizirane svetlobe ter Brewsterjevim in Malusovim zakonom.

Tabela osnovnih formul v optiki

Fizikalni zakoni, formule, spremenljivke

Optične formule

Absolutni lomni količnik

kjer je c hitrost svetlobe v vakuumu, c=3 108 m/s,

v je hitrost širjenja svetlobe v mediju.

Relativni lomni količnik

kjer sta n 2 in n 1 absolutna lomna količnika drugega in prvega medija.

Zakon loma

kjer je i vpadni kot,

r je lomni kot.

Formula tanke leče

kjer je F goriščna razdalja leče,

d je razdalja od predmeta do leče,

f je razdalja od leče do slike.

Optična moč leče

kjer sta R 1 in R 2 polmera ukrivljenosti sferičnih površin leče.

Za konveksno površino R>0.

Za konkavno površino R<0.

Dolžina optične poti:

kjer je n lomni količnik medija;

r je geometrijska dolžina poti svetlobnega vala.

Optična potovalna razlika:

L 1 in L 2 - optični poti dveh svetlobnih valov.

Stanje motenj

največ:

najmanj:

kjer je λ 0 valovna dolžina svetlobe v vakuumu;

m je vrstni red največje ali najmanjše motnje.

Optična razlika poti v tankih filmih

v odbiti svetlobi:

v presvetljeni svetlobi:

kjer je d debelina filma;

i - vpadni kot svetlobe;

n je lomni količnik.

Širina interferenčnih robov v Youngovem poskusu:

kjer je d razdalja med koherentnimi svetlobnimi viri;

L je razdalja od vira do zaslona.

Pogoj glavnih maksimumov uklonske rešetke:

kjer je d konstanta uklonske rešetke;

φ - uklonski kot.

Ločljivost uklonske rešetke:

kjer je Δλ najmanjša razlika valovnih dolžin dveh spektralnih črt, ki ju loči mreža;