1 kaj proučuje optika. Optika je veja fizike, ki proučuje obnašanje in lastnosti svetlobe. Optične naprave. Zakon odboja od zrcalne površine

- (grško optike veda o vidnem zaznavanju, iz optos viden, viden), veja fizike, v kateri preučujejo 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 valove in 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 ogledal, 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:

- korpuskularno, 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 eksperiment, 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 pojavijo istočasno v vseh smereh, pravokotnih 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 elektromagnetno polje.

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 V zadnjih letih na področju optike so bili 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 fotosenzibilnega 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: Oksana Ryazantseva

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.

Geometrijska optika je izjemno preprost primer optike. Pravzaprav je to poenostavljena različica valovne optike, ki ne upošteva in preprosto ne predpostavlja takšnih pojavov, kot sta interferenca in difrakcija. Tukaj je vse poenostavljeno do meje. In to je dobro.

Osnovni pojmi

geometrijska optika- del optike, ki obravnava zakone širjenja svetlobe v prosojnih medijih, zakone odboja svetlobe od zrcalnih površin, principe konstruiranja slik pri prehodu svetlobe skozi optične sisteme.

Pomembno! Vsi ti procesi so obravnavani brez upoštevanja valovnih lastnosti svetlobe!

V življenju geometrijska optika, ki je zelo poenostavljen model, kljub temu najde široko uporabo. To je kot klasična mehanika in relativnostna teorija. Pogosto je veliko lažje narediti potreben izračun v okviru klasične mehanike.

Osnovni koncept geometrijske optike je svetlobni žarek.

Upoštevajte, da se pravi svetlobni žarek ne širi vzdolž premice, ampak ima končno kotno porazdelitev, ki je odvisna od prečne velikosti žarka. Geometrijska optika zanemarja prečne dimenzije žarka.

Zakon premočrtnega širjenja svetlobe

Ta zakon nam pove, da svetloba v homogenem mediju potuje premočrtno. Z drugimi besedami, od točke A do točke B se svetloba premika po poti, za premagovanje katere je potreben najmanjši čas.

Zakon o neodvisnosti svetlobnih žarkov

Širjenje svetlobnih žarkov poteka neodvisno drug od drugega. Kaj to pomeni? To pomeni, da geometrijska optika predpostavlja, da žarki ne vplivajo drug na drugega. In širijo se, kot da drugih žarkov sploh ni.

Zakon odboja svetlobe

Ko se svetloba sreča z zrcalno (odsevno) površino, pride do odboja, to je do spremembe smeri širjenja svetlobnega žarka. Torej, odbojni zakon pravi, da ležita vpadni in odbiti žarek v isti ravnini skupaj z normalo, narisano na vpadno točko. Poleg tega je vpadni kot enak odbojnemu kotu, tj. Normala deli kot med žarki na dva enaka dela.

Zakon loma (Snell)

Na meji med mediji se poleg odboja pojavi tudi lom, tj. Žarek delimo na odbit in lomljen.

Mimogrede! Za vse naše bralce velja popust 10% na kakršno koli delo.

Razmerje sinusov vpadnega in lomnega kota je stalna vrednost in je enako razmerju lomnih količnikov teh medijev. Ta vrednost se imenuje tudi lomni količnik drugega medija glede na prvega.

Tukaj je vredno ločeno razmisliti o primeru popolnega notranjega odboja. Pri širjenju svetlobe iz optično gostejšega medija v manj gost medij je lomni kot večji od vpadnega kota. Skladno s tem se bo s povečanjem vpadnega kota povečal tudi lomni kot. Pri določenem mejnem vpadnem kotu bo lomni kot postal enak 90 stopinj. Z nadaljnjim povečevanjem vpadnega kota se svetloba ne bo lomila v drugi medij, intenzivnost vpadnega in odbitega žarka pa bo enaka. To se imenuje popolni notranji odboj.

Zakon reverzibilnosti svetlobnih žarkov

Predstavljajmo si, da je žarek, ki se širi v neko smer, doživel vrsto sprememb in lomov. Zakon reverzibilnosti svetlobnih žarkov pravi, da če proti temu žarku izstrelimo drug žarek, bo šel po isti poti kot prvi, vendar v nasprotni smeri.

Nadaljevali bomo s preučevanjem osnov geometrijske optike, v prihodnje pa bomo zagotovo obravnavali primere reševanja problemov za uporabo različnih zakonov. No, če imate zdaj kakršna koli vprašanja, dobrodošli pri strokovnjakih za prave odgovore. študentski servis. Pomagali vam bomo rešiti vsako težavo!

Uvod ................................................. ................................................ .. ............................. 2

1. poglavje. Osnovni zakoni optičnih pojavov .................................. 4

1.1 Zakon o premočrtnem širjenju svetlobe .............................................. .... .......... 4

1.2 Zakon o neodvisnosti svetlobnih žarkov .............................................. ..................... 5

1.3 Zakon odboja svetlobe............................................. ... ................................................ ... 5

1.4 Zakon o lomu svetlobe............................................. ......................................................... ..... 5

Poglavje 2. Idealni optični sistemi..................................... ... ......... 7

Poglavje 3. Komponente optičnih sistemov.................................................. .... .. 9

3.1 Diafragme in njihova vloga v optičnih sistemih .............................................. .................. .................. 9

3.2 Vstopni in izstopni učenci ............................................. ........................ ........................ ................. 10

Poglavje 4. Sodobni optični sistemi..................................... ... 12

4.1 Optični sistem..................................................... ................ ................................. ............... ..... 12

4.2 Fotografski aparati ............................................. ................ ................................. ........... 13

4.3 Oko kot optični sistem..................................................... ......................................................... 13

5. poglavje

5.1 Povečevalno steklo ............................................. . ................................................ .. ................................. 17

5.2 Mikroskop.................................................. ................................................. ... ................... 18

5.3 Optični daljnogledi ............................................. ................ ................................. ................. 20

5.4 Projekcijske naprave..................................................... ................ ................................. ............. 21

5.5 Spektralne naprave..................................................... ................ ................................. ............... 22

5.6 Optični merilni instrument............................................. ................. .............................. 23

Zaključek..................................................... ................................................. . ................... 28

Bibliografija................................................. ................................................ .. ... 29

Uvod.

Optika je veja fizike, ki preučuje naravo optičnega sevanja (svetlobe), njegovo širjenje in pojave, opažene med interakcijo svetlobe in snovi. Optično sevanje je elektromagnetno valovanje, zato je optika del splošne teorije elektromagnetnega polja.

Optika je preučevanje fizikalnih pojavov, povezanih s širjenjem kratkih elektromagnetnih valov, katerih dolžina je približno 10 -5 -10 -7 m. 760 nm leži območje vidne svetlobe, ki jo neposredno zazna človeško oko. Po eni strani je omejen z rentgenskimi žarki, po drugi pa z mikrovalovnim območjem radijskega sevanja. Z vidika fizike potekajočih procesov izbira tako ozkega spektra elektromagnetnega valovanja (vidne svetlobe) nima velikega smisla, zato pojem "optično območje" običajno vključuje tudi infrardeče in ultravijolično sevanje.

Omejitev optičnega območja je pogojna in v veliki meri določena s splošnostjo tehnična sredstva in metode za proučevanje pojavov v navedenem območju. Za ta sredstva in metode je značilno oblikovanje slik optičnih predmetov na podlagi valovnih lastnosti sevanja z uporabo naprav, katerih linearne dimenzije so veliko večje od dolžine sevanja λ, kot tudi uporaba svetlobnih sprejemnikov, katerih delovanje je na podlagi njegovih kvantnih lastnosti.

Po izročilu optiko običajno delimo na geometrijsko, fizikalno in fiziološko. Geometrijska optika zapušča vprašanje narave svetlobe, izhaja iz empiričnih zakonov njenega širjenja in uporablja idejo o svetlobnih žarkih, ki se lomijo in odbijajo na mejah medijev z različnimi optičnimi lastnostmi in so premočrtni v optično homogenem mediju. Njegova naloga je matematično raziskati potek svetlobnih žarkov v mediju z znano odvisnostjo lomnega količnika n od koordinat ali, nasprotno, ugotoviti optične lastnosti in obliko prozornih in odbojnih medijev, v katerih se žarki pojavljajo. po dani poti. Geometrijska optika je najpomembnejša za izračun in načrtovanje optičnih instrumentov, od leč za očala do kompleksnih leč in ogromnih astronomskih instrumentov.

Fizikalna optika se ukvarja s problemi, povezanimi z naravo svetlobe in svetlobnimi pojavi. Izjava, da je svetloba transverzalno elektromagnetno valovanje, temelji na rezultatih velikega števila eksperimentalnih raziskav uklona svetlobe, interference, polarizacije svetlobe in širjenja svetlobe v anizotropnih medijih.

Eno najpomembnejših tradicionalnih nalog optike - pridobivanje slik, ki ustrezajo izvirnikom tako v geometrijski obliki kot v porazdelitvi svetlosti, rešuje predvsem geometrijska optika z vključevanjem fizične optike. Geometrijska optika daje odgovor na vprašanje, kako je treba zgraditi optični sistem, da bi bila vsaka točka predmeta tudi upodobljena kot točka, hkrati pa ohranila geometrijsko podobnost slike s predmetom. Prikazuje vire popačenja slike in njihovo stopnjo v realnih optičnih sistemih. Za gradnjo optičnih sistemov je bistvenega pomena tehnologija izdelave optičnih materialov z zahtevanimi lastnostmi ter tehnologija obdelave optičnih elementov. Iz tehnoloških razlogov se najpogosteje uporabljajo leče in zrcala s sferično površino, optični elementi pa se uporabljajo za poenostavitev optičnih sistemov in izboljšanje kakovosti slike pri visoki svetilnosti.

Poglavje 1. Osnovni zakoni optičnih pojavov.

Že v prvih obdobjih optičnih raziskav so bile eksperimentalno ugotovljene štiri osnovne zakonitosti optičnih pojavov:

1. Zakon premočrtnega širjenja svetlobe.

2. Zakon o neodvisnosti svetlobnih žarkov.

3. Zakon odboja od zrcalne površine.

4. Zakon o lomu svetlobe na meji dveh prozornih medijev.

Nadaljnja študija teh zakonov je pokazala, prvič, da imajo veliko globlji pomen, kot se morda zdi na prvi pogled, in drugič, da je njihova uporaba omejena in so le približni zakoni. Ugotovitev pogojev in meja uporabnosti osnovnih optičnih zakonov je pomenila pomemben napredek pri proučevanju narave svetlobe.

Bistvo teh zakonov je naslednje.

V homogenem mediju svetloba potuje v ravnih črtah.

Ta zakon najdemo v delih o optiki, pripisanih Evklidu, in je bil verjetno poznan in uporabljen veliko prej.

Eksperimentalni dokaz tega zakona je lahko opazovanje ostrih senc, ki jih daje točkovni viri svetlobo ali slikanje skozi majhne odprtine. riž. 1 prikazuje slikanje z majhno zaslonko, oblika in velikost slike kažeta, da je projekcija s premočrtnimi žarki.

Slika 1 Premočrtno širjenje svetlobe: slikanje z majhno odprtino.

Zakon o premočrtnem širjenju se lahko šteje za trdno uveljavljen z izkušnjami. Ima zelo globok pomen, saj je sam koncept ravne črte očitno izhajal iz optičnih opazovanj. Geometrijski pojem premice kot premice, ki predstavlja najkrajšo razdaljo med dvema točkama, je pojem premice, po kateri se širi svetloba v homogenem mediju.

Podrobnejša študija opisanih pojavov pokaže, da zakon o premočrtnem širjenju svetlobe izgubi veljavo, če preidemo na zelo majhne zaslonke.

Tako je v poskusu, prikazanem na sl. 1, bomo dobili dobro sliko z luknjo velikosti približno 0,5 mm. Z naknadnim zmanjšanjem luknje bo slika nepopolna, z luknjo približno 0,5-0,1 mikronov pa se slika sploh ne bo izkazala in zaslon bo skoraj enakomerno osvetljen.

Svetlobni tok lahko razdelimo na ločene svetlobne žarke, ki jih ločimo na primer z diafragmami. Delovanje teh izbranih svetlobnih žarkov se izkaže za neodvisno, tj. učinek, ki ga povzroči posamezen žarek, ni odvisen od tega, ali so drugi žarki aktivni hkrati ali pa so izločeni.

Vpadni žarek, normala na odbojno površino in odbiti žarek ležijo v isti ravnini (slika 2), koti med žarki in normalo pa so med seboj enaki: vpadni kot i je enak kotu odboja i". Ta zakon je omenjen tudi v spisih Evklida. Njegova vzpostavitev je povezana z uporabo poliranih kovinskih površin (ogledal), znanih že v zelo daljni dobi.

riž. 2 Zakon refleksije.

riž. 3 Zakon loma.

Zaslonka je neprozorna pregrada, ki omejuje presek svetlobnih žarkov v optičnih sistemih (pri teleskopih, daljinomerih, mikroskopih, filmih in kamerah itd.). vlogo diafragm pogosto igrajo okvirji leč, prizme, zrcala in drugi optični deli, očesna zenica, meje osvetljenega predmeta in reže v spektroskopih.

Vsak optični sistem - oboroženo in neoboroženo oko, fotografski aparat, projekcijski aparat - na koncu nariše sliko na ravnino (zaslon, fotografska plošča, mrežnica); predmeti so v večini primerov tridimenzionalni. Vendar tudi idealen optični sistem, ne da bi bil omejen, ne bi dal slike tridimenzionalnega predmeta na ravnini. Posamezne točke tridimenzionalnega objekta se namreč nahajajo na različnih razdaljah od optičnega sistema in ustrezajo različnim konjugiranim ravninam.

Svetleča točka O (slika 5) daje ostro sliko O` v ravnini MM 1, konjugirani z EE. Toda točki A in B dajeta ostri sliki v A` in B`, v ravnini MM pa sta projicirani s svetlobnimi krogi, katerih velikost je odvisna od omejitve širine žarka. Če sistem ne bi bil z ničemer omejen, potem bi žarka iz A in B enakomerno osvetlila ravnino MM, od tam pa ne bi dobili slike predmeta, ampak samo sliko njegovih posameznih točk, ki ležijo v ravnini EE.

Čim ožji so žarki, tem jasnejša je slika prostora predmeta na ravnini. Natančneje, na ravnini ni upodobljen sam prostorski objekt, temveč tista ploska slika, ki je projekcija predmeta na neko ravnino EE (namestitvena ravnina), konjugirana glede na sistem s slikovno ravnino MM . Projekcijsko središče je ena od točk sistema (središče vhodne zenice optičnega instrumenta).

Velikost in položaj zaslonke določata osvetlitev in kakovost slike, globinsko ostrino in ločljivost optičnega sistema ter vidno polje.

Diafragma, ki najmočneje omejuje svetlobni žarek, se imenuje zaslonka ali aktivna. Njegovo vlogo lahko igra okvir katere koli leče ali posebna zaslonka BB, če ta zaslonka močneje omejuje svetlobne žarke kot okvirji leč.

riž. 6. BB - diafragma zaslonke; B 1 B 1 - vhodni učenec; B 2 B 2 - izhodna zenica.

Aperturna diafragma razstreliva se pogosto nahaja med posameznimi komponentami (lečami) kompleksnega optičnega sistema (slika 6), lahko pa je tudi pred sistemom ali za njim.

Če je BB dejanska diafragma zaslonke (slika 6) in sta B 1 B 1 in B 2 B 2 njeni sliki v sprednjem in zadnjem delu sistema, bodo vsi žarki, ki so šli skozi BB, šli skozi B 1 B 1 in B 2 B 2 in obratno, tj. katera koli od diafragm BB, B 1 B 1 , B 2 B 2 omejuje aktivne žarke.

Vhodna zenica je zenica pravih lukenj ali njihovih podob, ki najbolj omejuje vhodni žarek, tj. gledano pod najmanjšim kotom od presečišča optične osi z ravnino predmeta.

Izhodna zenica je luknja ali njena slika, ki omejuje žarek, ki zapušča sistem. Vhodna in izstopna zenica sta konjugirani glede na celoten sistem.

Vlogo vhodne zenice lahko igra ena ali druga luknja ali njena podoba (resnična ali namišljena). V nekaterih pomembnih primerih je slikani predmet osvetljena luknja (na primer reža spektrografa), osvetlitev pa zagotavlja neposredno vir svetlobe, ki se nahaja v bližini luknje, ali s pomočjo pomožnega kondenzatorja. V tem primeru lahko, odvisno od lokacije, vlogo vhodne zenice igra meja vira ali njegova slika ali meja kondenzatorja itd.

Če diafragma zaslonke leži pred sistemom, potem sovpada z vhodno zenico, njena slika v tem sistemu pa bo izstopna zenica. Če leži za sistemom, potem sovpada z izhodno zenico, njegova slika v sistemu pa bo vhodna zenica. Če odprtina diafragme eksploziva leži znotraj sistema (slika 6), potem njegova slika B 1 B 1 na sprednji strani sistema služi kot vhodna zenica, slika B 2 B 2 na zadnji strani sistema pa služi kot vhodna zenica. kot izhodni učenec. Kot, pod katerim je polmer vhodne zenice viden iz presečišča osi z ravnino predmeta, se imenuje "odprti kot", kot, pod katerim je polmer izstopne zenice viden iz točke presečišča osi s slikovno ravnino je projekcijski kot ali kot izhodne zaslonke. [ 3 ]

Poglavje 4. Sodobni optični sistemi.

Tanka leča je najpreprostejši optični sistem. Preproste tanke leče se uporabljajo predvsem v obliki očal za očala. Poleg tega je dobro znana uporaba leče kot povečevalnega stekla.

Delovanje številnih optičnih naprav - projekcijske svetilke, kamere in drugih naprav - lahko shematično primerjamo z delovanjem tankih leč. Vendar pa tanka leča daje dobro sliko le v razmeroma redkih primerih, ko se lahko omejimo na ozek enobarvni žarek, ki prihaja iz vira vzdolž glavne optične osi ali pod velikim kotom nanjo. V večini praktičnih problemov, kjer ti pogoji niso izpolnjeni, je slika, ki jo ustvari tanka leča, precej nepopolna. Zato se v večini primerov zatečemo k izdelavi kompleksnejših optičnih sistemov, ki imajo veliko število lomnih površin in niso omejeni z zahtevo po bližini teh površin (zahteva, ki jo tanka leča izpolnjuje). [ 4 ]

Na splošno je človeško oko sferično telo s premerom približno 2,5 cm, ki se imenuje zrklo (slika 10). 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

imenujemo 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.

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 m 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.

Poglavje 5. Optični sistemi, ki oborožijo oko.

Čeprav oko ni tanka leča, je v njem vseeno mogoče najti točko, skozi katero gredo žarki praktično brez loma, tj. točka, ki igra vlogo optičnega središča. Optično središče očesa se nahaja znotraj leče blizu njene zadnje površine. Razdalja h od optičnega središča do mrežnice, imenovana globina očesa, je za normalno oko 15 mm.

Če poznamo položaj optičnega središča, lahko zlahka zgradimo sliko katerega koli predmeta na mrežnici očesa. Slika je vedno resnična, zmanjšana in inverzna (slika 11, a). Kot φ, pod katerim vidimo predmet S 1 S 2 iz optičnega središča O, imenujemo zorni kot.

Retikulum ima kompleksno strukturo in je sestavljen iz ločenih svetlobno občutljivih elementov. Zato dve točki predmeta, ki sta tako blizu druga drugi, da njuna slika na mrežnici pade v isti element, oko zaznava kot eno točko. Najmanjši zorni kot, pri katerem dve svetleči piki ali dve črni piki na belem ozadju še vedno ločeno zaznava oko, je približno ena minuta. Oko slabo prepozna podrobnosti predmeta, ki ga vidi pod kotom, manjšim od 1 ". To je kot, pod katerim je viden segment, katerega dolžina je 1 cm na razdalji 34 cm od očesa. V slaba osvetlitev (v mraku), se minimalni kot ločljivosti poveča in lahko doseže 1º.

Če predmet približamo očesu, povečamo zorni kot in s tem dobimo

sposobnost boljšega razlikovanja drobnih podrobnosti. Očesu pa se ne moremo zelo približati, saj je zmožnost očesa za akomodacijo omejena. Za normalno oko je najugodnejša razdalja za opazovanje predmeta približno 25 cm, na kateri oko precej dobro razloči podrobnosti brez pretirane utrujenosti. Ta razdalja se imenuje najboljša vidna razdalja. za kratkovidno oko je ta razdalja nekoliko manjša. zato kratkovidni ljudje s tem, ko zadevni predmet približajo očesu kot normalnovidni ali daljnovidni ljudje, vidijo pod večjim vidnim kotom in bolje razločijo drobne podrobnosti.

Znatno povečanje zornega kota dosežemo s pomočjo optičnih instrumentov. Glede na njihov namen lahko optične naprave, ki oborožijo oko, razdelimo v naslednje velike skupine.

1. Naprave za pregledovanje zelo majhnih predmetov (lupa, mikroskop). Te naprave tako rekoč "povečajo" zadevne predmete.

2. Instrumenti za opazovanje oddaljenih predmetov (zorni daljnogled, daljnogled, teleskop itd.). te naprave tako rekoč "približajo" zadevne predmete.

Zaradi povečanja zornega kota pri uporabi optičnega instrumenta se poveča velikost slike predmeta na mrežnici v primerjavi s sliko s prostim očesom in s tem poveča sposobnost prepoznavanja podrobnosti. Razmerje med dolžino b na mrežnici v primeru oboroženega očesa b "do dolžine slike za golo oko b (slika 11, b) se imenuje povečava optične naprave.

S pomočjo sl. 11b je enostavno videti, da je povečanje N enako tudi razmerju med zornim kotom φ" pri opazovanju predmeta skozi instrument in zornim kotom φ za golo oko, ker sta φ" in φ majhna. [ 2,3 ] Torej,

N \u003d b " / b \u003d φ" / φ,

kjer je N povečava predmeta;

b" je dolžina slike na mrežnici za oboroženo oko;

b je dolžina slike na mrežnici za prosto oko;

φ" je zorni kot pri opazovanju predmeta skozi optični instrument;

φ je zorni kot pri opazovanju predmeta s prostim očesom.

Ena najpreprostejših optičnih naprav je povečevalno steklo - konvergentna leča, namenjena ogledu povečanih slik majhnih predmetov. Lečo približamo samemu očesu, predmet pa postavimo med lečo in glavno žarišče. Oko bo videlo virtualno in povečano sliko predmeta. Najprimerneje je opazovati predmet skozi povečevalno steklo s popolnoma sproščenim očesom, ki je akomodirano v neskončnost. Da bi to naredili, je predmet postavljen v glavno goriščno ravnino leče, tako da žarki, ki izhajajo iz vsake točke predmeta, tvorijo vzporedne žarke za lečo. Na sl. 12 prikazuje dva taka žarka, ki prihajata iz robov predmeta. Žarki vzporednih žarkov, ki prodrejo v oko, prilagojeno neskončnosti, se usmerijo na mrežnico in tukaj dajejo jasno sliko predmeta.

Kotna povečava. Oko je zelo blizu leče, zato lahko zorni kot vzamemo kot 2γ, ki ga tvorijo žarki, ki prihajajo z robov predmeta skozi optično središče leče. Če ne bi bilo povečevalnega stekla, bi morali predmet postaviti na razdaljo najboljšega vida (25 cm) od očesa in zorni kot bi bil enak 2β. Če upoštevamo pravokotne trikotnike s katetama 25 cm in F cm, ki označujejo polovico predmeta Z, lahko zapišemo:

kjer je 2γ zorni kot, gledano skozi povečevalno steklo;

2β - zorni kot, gledano s prostim očesom;

F je razdalja od predmeta do povečevalnega stekla;

Z je polovica dolžine zadevnega predmeta.

Glede na to, da se majhne podrobnosti običajno gledajo skozi povečevalno steklo in sta zato kota γ in β majhna, lahko tangente nadomestimo s koti. Tako dobimo naslednji izraz za povečevanje lupe = =.

Zato je povečava povečevalnega stekla sorazmerna z 1 / F, to je z njegovo optično močjo.

Naprava, ki vam omogoča veliko povečanje pri pregledu majhnih predmetov, se imenuje mikroskop.

Najenostavnejši mikroskop je sestavljen iz dveh zbiralnih leč. Zelo kratkofokusna leča L 1 daje močno povečano realno sliko predmeta P "Q" (slika 13), ki jo okular gleda kot povečevalno steklo.

Označimo linearno povečanje, ki ga daje leča skozi n 1, okular pa skozi n 2, to pomeni, da = n 1 in = n 2,

kjer je P"Q" povečana realna slika predmeta;

PQ je velikost predmeta;

Z množenjem teh izrazov dobimo = n 1 n 2,

kjer je PQ velikost predmeta;

P""Q"" - povečana imaginarna slika predmeta;

n 1 - linearna povečava leče;

n 2 - linearna povečava okularja.

To kaže, da je povečava mikroskopa enaka zmnožku povečav, ki jih dajeta objektiv in okular ločeno. Zato je mogoče zgraditi instrumente, ki dajejo zelo velike povečave – do 1000 in celo več. Pri dobrih mikroskopih sta objektiv in okular kompleksna.

Okular je običajno sestavljen iz dveh leč, objektiv je veliko bolj zapleten. Želja po velikih povečavah sili v uporabo kratkogoriščnih leč z zelo visoko optično močjo. Obravnavani predmet je postavljen zelo blizu leče in daje širok snop žarkov, ki zapolni celotno površino prve leče. Tako nastanejo zelo neugodni pogoji za pridobitev ostre slike: debele leče in izvencentrični žarki. Zato se je treba za odpravo vseh vrst pomanjkljivosti zateči k kombinacijam številnih leč iz različnih vrst stekla.

Pri sodobnih mikroskopih je teoretična meja že skoraj dosežena. Celo zelo majhne predmete je mogoče videti skozi mikroskop, vendar so njihove slike videti kot majhne pike, ki niso podobne predmetu.

Pri pregledu tako majhnih delcev se uporablja tako imenovani ultramikroskop, to je običajen mikroskop s kondenzorjem, ki omogoča intenzivno osvetlitev obravnavanega predmeta s strani, pravokotno na os mikroskopa.

Z ultramikroskopom je mogoče zaznati delce, katerih velikost ne presega milimikronov.

Najenostavnejši zorni daljnogled je sestavljen iz dveh zbiralnih leč. Ena leča, obrnjena proti predmetu, se imenuje objektiv, druga, obrnjena proti očesu opazovalca, pa okular.

Leča L 1 daje resnično inverzno in močno pomanjšano sliko predmeta P 1 Q 1, ki leži blizu glavnega žarišča leče. Okular je nameščen tako, da je slika predmeta v njegovem glavnem žarišču. V tem položaju ima okular vlogo povečevalnega stekla, s katerim pregledamo dejansko sliko predmeta.

Delovanje cevi, podobno kot povečevalno steklo, je povečanje zornega kota. S pomočjo cevi se predmeti običajno obravnavajo na razdaljah, ki so večkrat večje od njegove dolžine. Zato lahko zorni kot, pod katerim vidimo predmet brez cevi, vzamemo za kot 2β, ki ga tvorijo žarki, ki prihajajo z robov predmeta skozi optično središče leče.

Slika je vidna pod kotom 2γ in leži skoraj v samem žarišču F objektiva in v žarišču F 1 okularja.

Ob upoštevanju dveh pravokotnih trikotnikov s skupnim krakom Z" lahko zapišemo:

F - fokus leče;

F 1 - fokus okularja;

Z" je polovica dolžine zadevnega predmeta.

Kota β in γ nista velika, zato lahko z zadostnim približkom tgβ in tgγ nadomestimo s koti, nato pa povečanje cevi = ,

kjer je 2γ kot, pod katerim je vidna slika predmeta;

2β - zorni kot, pod katerim je predmet viden s prostim očesom;

F - fokus leče;

F 1 - fokus okularja.

Kotno povečavo tubusa določa razmerje med goriščno razdaljo objektiva in goriščno razdaljo okularja. Za visoko povečavo morate vzeti lečo z dolgim ostrenjem in okular s kratkim ostrenjem. [ 1 ]

Projekcijska naprava se uporablja za prikazovanje gledalcem na platnu povečane slike risb, fotografij ali risb. Risba na steklu ali na prozornem filmu se imenuje prosojnica, sama naprava, namenjena prikazovanju takšnih risb, pa se imenuje diaskop. Če je naprava namenjena prikazovanju neprozornih slik in risb, se imenuje episcope. Naprava, zasnovana za oba primera, se imenuje epidiaskop.

Lečo, ki ustvari sliko predmeta pred seboj, imenujemo leča. Običajno je leča optični sistem, ki odpravlja najpomembnejše pomanjkljivosti posameznih leč. Da bi bila slika predmeta jasno vidna občinstvu, mora biti predmet sam močno osvetljen.

Diagram naprave projekcijskega aparata je prikazan na sl. 16.

Svetlobni vir S je postavljen v sredino konkavnega zrcala (reflektorja) R. svetloba prihaja neposredno iz vira S in se odbija od reflektorja R, pade na zbiralnik K, ki je sestavljen iz dveh plankonveksnih leč. Kondenzator zbira te svetlobne žarke

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 goriščni 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.

Pri pregledu spektra je pogosto bolj smotrno, da ga fotografiramo in nato proučujemo z mikroskopom.

Naprava za fotografiranje spektrov se imenuje spektrograf.

Shema spektrografa je prikazana na sl. 18.

Emisijski spekter s pomočjo leče L 2 fokusiramo na brušeno steklo AB, ki ga med fotografiranjem zamenjamo s fotografsko ploščo. [ 2 ]

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. [ 5 ]

Poglavje 6. Uporaba optičnih sistemov v znanosti in tehnologiji.

Uporaba, pa tudi vloga optičnih sistemov v znanosti in tehnologiji je zelo velika. Brez preučevanja optičnih pojavov in brez razvoja optičnih instrumentov človeštvo ne bi bilo na tako visoki stopnji tehnološkega razvoja.

Skoraj vsi sodobni optični instrumenti so namenjeni neposrednemu vizualnemu opazovanju optičnih pojavov.

Zakoni gradnje slike služijo kot osnova za izdelavo različnih optičnih naprav. Glavni del vsake optične naprave je nek optični sistem. Pri nekaterih optičnih napravah je slika pridobljena na zaslonu, medtem ko so druge naprave zasnovane za delo z očmi. v slednjem primeru naprava in oko predstavljata tako rekoč en sam optični sistem, slika pa se dobi na mrežnici očesa.

Nekaj študija Kemijske lastnosti snovi so znanstveniki iznašli način za fiksiranje slike na trdne površine, za projiciranje slik na to površino pa so začeli uporabljati optične sisteme, sestavljene iz leč. Tako so na svet prišle foto in filmske kamere, s kasnejšim razvojem elektronike pa so se pojavili video in digitalni fotoaparati.

Za preučevanje majhnih predmetov, ki so skoraj nevidni očesu, se uporablja povečevalno steklo, in če njegova povečava ni dovolj, se uporabljajo mikroskopi. Sodobni optični mikroskopi omogočajo povečavo slike do 1000-krat, elektronski mikroskopi pa desettisočkrat. To omogoča preučevanje predmetov na molekularni ravni.

Sodobne astronomske raziskave ne bi bile mogoče brez »Galilejeve cevi« in »Keplerjeve cevi«. Galilejeva cev, ki se pogosto uporablja v običajnih gledaliških daljnogledih, daje neposredno sliko predmeta, Keplerjeva cev - obrnjeno. Posledično, če se Keplerjeva cev uporablja za zemeljska opazovanja, potem je opremljena z invertnim sistemom (dodatna leča ali sistem prizem), zaradi česar postane slika ravna. Primer takšne naprave je prizmatični daljnogled.

Prednost Keplerjeve cevi je v tem, da ima dodatno vmesno sliko, v katere ravnino lahko postavite merilno skalo, fotografsko ploščo za slikanje itd. Zaradi tega se v astronomiji in v vseh primerih, povezanih z meritvami, uporablja Keplerjeva cev.

Poleg teleskopov, zgrajenih po vrsti zornega daljnogleda - refraktorjev, so v astronomiji zelo pomembni zrcalni (odbojni) teleskopi ali reflektorji.

Zmogljivosti opazovanja, ki jih daje vsak teleskop, so določene s premerom njegove odprtine. Zato je bila znanstvena in tehnična misel že od antičnih časov usmerjena v iskanje

kako narediti velika ogledala in leče.

Z izgradnjo vsakega novega teleskopa se širi radij vesolja, ki ga opazujemo.

Vizualno zaznavanje zunanjega prostora je kompleksna operacija, pri kateri je bistvena okoliščina, da v normalnih pogojih uporabljamo dve očesi. Zaradi velike gibljivosti oči hitro fiksiramo eno točko predmeta za drugo; hkrati lahko ocenimo razdaljo do obravnavanih predmetov, pa tudi primerjamo te razdalje med seboj. Takšna ocena daje idejo o globini prostora, volumetrični porazdelitvi podrobnosti predmeta in omogoča stereoskopski vid.

Stereoskopski sliki 1 in 2 si ogledamo z lečama L 1 in L 2, ki sta postavljeni pred eno oko. Slike se nahajajo v goriščnih ravninah leč, zato njihove slike ležijo v neskončnosti. Obe očesi sta akomodirani do neskončnosti. Slike obeh posnetkov zaznavamo kot en reliefni objekt, ki leži v ravnini S.

Stereoskop se zdaj pogosto uporablja za preučevanje fotografij terena. S fotografiranjem območja z dveh točk dobimo dve sliki, pri gledanju skozi stereoskop se jasno vidi teren. Visoka ostrina stereoskopskega vida omogoča uporabo stereoskopa za odkrivanje ponarejanja dokumentov, denarja itd.

Pri vojaških optičnih instrumentih, namenjenih opazovanju (daljnogledi, stereocevi), so razdalje med središči leč vedno veliko večje od razdalje med očmi, oddaljeni predmeti pa so videti veliko bolj izstopajoči kot pri opazovanju brez instrumenta.

Preučevanje lastnosti svetlobe, ki potuje v telesih z visokim lomnim količnikom, je vodilo do odkritja popolnega notranjega odboja. Ta lastnost se pogosto uporablja pri izdelavi in uporabi optičnih vlaken. Optična vlakna omogočajo prevajanje katerega koli optičnega sevanja brez izgub. Uporaba optičnih vlaken v komunikacijskih sistemih je omogočila pridobitev hitrih kanalov za sprejemanje in pošiljanje informacij.

Popolni notranji odboj omogoča uporabo prizem namesto ogledal. Na tem principu so zgrajeni prizmatični daljnogledi in periskopi.

Uporaba laserjev in sistemov za fokusiranje omogoča fokusiranje laserskega sevanja v eno točko, kar se uporablja pri rezanju različnih snovi, v napravah za branje in zapisovanje zgoščenk ter v laserskih daljinomerih.

Optični sistemi se pogosto uporabljajo v geodeziji za merjenje kotov in višin (livele, teodoliti, sekstanti itd.).

Uporaba prizem za razgradnjo bele svetlobe v spektre je vodila do nastanka spektrografov in spektroskopov. Omogočajo opazovanje absorpcijskih in emisijskih spektrov. trdne snovi in plini. Spektralna analiza vam omogoča, da ugotovite kemična sestava snovi.

Uporaba najpreprostejših optičnih sistemov - tankih leč, je mnogim ljudem z okvarami vida omogočila normalen vid (očala, očesne leče itd.).

Zahvaljujoč optičnim sistemom je bilo doseženih veliko znanstvenih odkritij in dosežkov.

Optični sistemi se uporabljajo na vseh področjih znanstvenega delovanja, od biologije do fizike. Zato lahko rečemo, da je obseg optičnih sistemov v znanosti in tehnologiji neomejen. [4,6]

Zaključek.

Bibliografija.

1. Artsybyshev S.A. Fizika - M.: Medgiz, 1950. - 511s.

2. Ždanov L.S. Ždanov G.L. Fizika za srednješolske ustanove - M.: Nauka, 1981. - 560s.

3. Landsberg G.S. Optika - M.: Nauka, 1976. - 928s.

4. Landsberg G.S. Osnovni učbenik fizike. - M.: Nauka, 1986. - V.3. - 656s.

5. Prokhorov A.M. Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1974. - T.18. - 632s.

6. Sivukhin D.V. Splošni potek fizike: Optika - M.: Nauka, 1980. - 751s.

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 mnoga 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.