Оптическая физика. Законы геометрической оптики

Со словом "оптика" мы сталкиваемся, например, когда проходим мимо торговой точки, в которой продаются очки. Также многие помнят, что изучали оптику в школе. Что такое оптика?

Оптика - это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с веществами. Чтобы лучше понять, что такое оптика, следует разобраться с тем, что такое свет.

Представления о свете в современной физике

Физика рассматривает привычный нам свет как сложное явление, имеющее двойственную природу. С одной стороны, свет считается потоком мельчайших частиц - квантов света (фотонов). С другой стороны, свет можно описать как вид электромагнитных волн, имеющих определенную длину.

Отдельные разделы оптики изучают свет как физическое явление с различных сторон.

Разделы оптики

• Геометрическая оптика. Рассматривает законы распространения света, а также отражения и преломления световых лучей. Представляет свет как луч, распространяющийся в однородной среде прямолинейно (в этом его сходство с геометрическим лучом). Не учитывает волновую природу света.
• Волновая оптика. Изучает свойства света как разновидности электромагнитных волн.
• Квантовая оптика. Изучает квантовые свойства света (исследует фотоэффект, фотохимические процессы, лазерное излучение и т. д.)

Оптика в жизни человека

Изучая природу света и закономерности его распространения, человек использует полученные знания себе на пользу. Наиболее часто встречающиеся в окружающей жизни оптические приборы - это очки, микроскоп, телескоп, фотообъектив, а также оптико-волоконный кабель, используемый для прокладки ЛВС (об этом вы можете узнать в статье

Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.

Что изучает оптика

Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как "наука о зрительных восприятиях". Оптика - раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз - это сложная оптическая система.

История становления науки

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.

Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.

В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах - крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.

В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.

Разделы

Предмет исследований оптики - это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.

• геометрическая оптика;
• волновая;
• квантовая.

Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.

Геометрическая оптика

В данном разделе существуют следующие законы оптики:

Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.

Закон отражения:

Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления:

Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.

Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.

Линза - это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:

1/d + 1/f = D, где

d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние до изображения от линзы; D - оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).

Волновая оптика и ее понятия

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.

Основные понятия данного раздела оптики - это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.

Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.

Любому свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как "разломанный". Дифракция в оптике - это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца - светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.

Последнее ключевое понятие волновой оптики - это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.

Квантовая оптика

Свет - это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.

Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός - "свет"). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc 2 также применяется для изучения свойств света.

Главная задача этого раздела - изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.

Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:

• тепловое излучение;
• фотоэффект;
• фотохимические процессы;
• вынужденное излучение и др.

В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение - квантовая криптография - секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному - 1.

Значение оптики и оптических приборов

В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?

Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.

Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.

Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.

Оптика и зрение

Глаз - это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название - оптика.

Можно подвести итог. Итак, оптика - это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

Ученые древности, которые жили в 5 веке до нашей эры, высказывали предположение, что все в природе и этом мире условно, а реальностью можно назвать только атомы и пустота. На сегодняшний день сохранились важные исторические документы, подтверждающие понятие строения света как постоянного потока частиц, которые имеют определенные физические свойства. Однако сам термин «оптика» появится намного позднее. Зерна таких философов, как Демокрит и Евклида, посеянные при постижении структуры всех происходящих на земле процессов, дали свои ростки. Только в начале 19 столетия классическая оптика смогла приобрести свои характерные черты, узнаваемые современными учеными, и предстала как полноценная наука.

Определение 1

Оптика - огромный раздел физики , который изучает и рассматривает явления, напрямую связанные с распространением мощных электромагнитных волн видимого спектра, а также близких к нему диапазонов.

Основная классификация указанного раздела соответствует историческому развитию учения о специфике строения света:

• геометрическая – 3 век до нашей эры (Евклид);
• физическая – 17 век (Гюйгенс);
• квантовая – 20 век (Планк).

Оптика полностью характеризует свойства преломления света и объясняет явления, непосредственно имеющие отношение к этому вопросу. Способы и принципы оптических систем и используются во многих прикладных дисциплинах, включая физику, электротехнику, медицину (в особенности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных областях огромной популярностью пользуются достижения прикладной оптики который наряду с точной механикой создают прочную основу оптико-механической промышленности.

Природа света

Оптика считается одним из первых и главных разделов физики, где была представлена ограниченность древних представлений о природе.

В результате ученым удалось установить двойственность природных явлений и света:

• корпускулярная гипотеза света, берущая начало от Ньютона, изучает этот процесс как поток элементарных частиц -фотонов, где абсолютно любое излучение осуществляется дискретно, а минимальная порция мощности данной энергии имеет частоту и величину, соответствующие интенсивности излучаемого света;
• волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, подразумевает концепцию света как совокупность параллельных монохроматических электромагнитных волн, наблюдаемые в оптических явлениях и представленных в результате действий этих волн.

При таких свойствах света отсутствие перехода силы и энергии излучения в другие виды энергии считается вполне нормальным процессом, так как электромагнитные волны не взаимодействуют друг с другом в пространственной среде интерференционных явлений, ведь световые эффекты продолжает распространяться без изменения своей специфики.

Волновая и корпускулярная гипотезы электрического и магнитного излучения нашла свое применение в научных трудах Максвелла в форме уравнений.

Такое новое представления о свете, как о постоянно движущейся волне, дает возможность объяснить процессы, связанные с дифракцией и интерференцией, в числе которых есть и структура светового поля.

Характеристики света

Протяженность световой волны $\lambda$ напрямую зависит от общей скорости распространения этого явления в пространственной среде $v$ и связана с частотой $\nu$ таким соотношением:

$\lambda = \frac{v}{\nu}=\frac {c}{n\nu}$

где $n$ - параметр преломления среды. В общем, этот показатель является основной функцией длины электромагнитной волны: $n=n(\lambda)$.

Зависимость коэффициента преломления от волновой длины проявляется в виде явления систематической дисперсии света. Универсальным и до сих пор малоизученным понятием в физике считается скорость света $c$. Её особое значение в абсолютной пустоте представляет собой не только максимальную скорость диссеминации мощных электромагнитных частот, а также и предельную интенсивность распространения информации или другого физического воздействия на материальные объекты. При увеличении движения потока света в различных областях изначальная скорость света $v$ зачастую уменьшается: $v = \frac {c}{n}$.

Главными особенностями света являются:

• спектральный и комплексный состав, определяемый масштабом длин волн света;
• поляризация, которая определяется общим изменением пространственной среды электрического вектора путем распространения волны;
• направление диссеминации луча света, которое должно совпадать с волновым фронтом при отсутствии процесса двойного лучепреломления.

Квантовая и физиологическая оптика

Идея детального описания электромагнитного поля с помощью квантов появилась еще в начале 20 столетия, и была озвучена Максом Планком. Ученые предположил, что постоянное излучение света осуществляется посредством определенных частиц – квантов. Через 30 лет было доказано, что свет не только излучается парциально и параллельно, но и поглощается.

Это предоставило возможность Альберту Эйнштейну определить дискретную структуру света. В наши дни ученые называют кванты света фотонами, а сам поток рассматривается как целостной группа элементов. Таким образом, в квантовой оптике свет рассматривается и как поток частиц, и как волн одновременно, так как такие процессы, как интерференция и дифракция невозможно объяснить путем только одного потока фотонов.

В середине 20 века исследовательская деятельность Брауна–Твисса, позволила более точно определить территорию использования квантовой оптики. Работы ученого доказали, что определенное число источников света, которые излучают фотоны на два фотоприемника и подают постоянный звуковой сигнал о регистрации элементов, могут заставить аппараты функционировать одновременно.

Внедрение практического использования неклассического света привело исследователей к невероятным результатам. В связи с этим, квантовая оптика представляет собой уникальное современное направление с огромными возможностями в исследовании и применении.

Замечание 1

Современная оптика уже давно включает в себя многие сферы научного мира и разработки, которые пользуются спросом и популярностью.

Эти области оптической науки имеют непосредственное отношение к электромагнитным или квантовым свойствам света, включая в себя и другие области.

Определение 2

Физиологическая оптика - новая междисциплинарная наука, изучающая зрительное восприятии света и объединяющая информацию по биохимии, биофизике и психологии.

Учитывая все законы оптики, данный раздел науки базируется на указанных науках и имеет особое практическое направление. Исследованию подвергаются элементы зрительного аппарата, а также уделяется особое внимание уникальным явлениям, таким как, оптическая иллюзия и галлюцинации. Результаты работ в этой области используются в физиологии, медицине, оптической технике и киноиндустрии.

На сегодняшний день слово оптика чаще употребляется как название магазина. Естественно, в таких специализированных точках возможно приобрести разнообразные приборы технической оптики - линзы, очки, защищающие зрение механизмы. На данном этапе магазины обладает современным оборудованием, которые позволяет на месте точно определить остроту зрения, а также установить существующие проблемы и способы их устранения.

Геометрическая оптика – предельно простой случай оптики. По сути, это упрощенная версия волновой оптики, которая не рассматривает и просто не предполагает таких явлений, как интерференция и дифракция. Тут все упрощено до предела. И это хорошо.

Основные понятия

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах, законы отражения света от зеркальных поверхностей, принципы построения изображений при прохождении света через оптические системы.

Важно! Все эти процессы рассматриваются без учета волновых свойств света!

В жизни геометрическая оптика, являясь крайне упрощенной моделью, тем не менее, находит широкое применение. Это как классическая механика и теория относительности. Произвести нужный расчет чаще всего гораздо легче в рамках классической механики.

Основное понятие геометрической оптики – световой луч .

Отметим, что реальный световой пучок не распространяется вдоль линии, а имеет конечное угловое распределение, которое зависит от поперечного размера пучка. Геометрическая оптика пренебрегает поперечными размерами пучка.

Закон прямолинейного распространения света

Этот закон говорит нам о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Иными словами, из точки А в точку Б свет движется по тому пути, который требует минимального времени на преодоление.

Закон независимости световых лучей

Распространение световых лучей происходит независимо друг от друга. Что это значит? Это значит, что геометрическая оптика предполагает, что лучи не влияют друг на друга. И распространяются так, будто других лучей и вовсе нет.

Закон отражения света

Когда свет встречается с зеркальной (отражающей) поверхностью, происходит отражение, то есть изменение направления распространения светового луча. Так вот, закон отражения гласит, что падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости вместе с проведенной к точке падения нормалью. Причем угол падения равен углу отражения, т.е. нормаль делит угол между лучами на две равные части.

Закон преломления (Снеллиуса)

На границе раздела сред наряду с отражением происходит и преломление, т.е. луч разделяется на отраженный и преломленный.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .

Отношение синусов углов падения и преломления является постоянной величиной и равняется отношению показателей преломления этих сред. Еще эта величина называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Здесь стоит отдельно рассмотреть случай полного внутреннего отражения. При распространении света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления по величине больше угла падения. Соответственно, при увеличении угла падения будет увеличиваться и угол преломления. При некотором предельном угле падения угол преломления станет равным 90 градусов. При дальнейшем увеличении угла падения свет не будет преломляться во вторую среду, а интенсивность падающего и отраженного лучей будут равны. Это называется полным внутренним отражением.

Закон обратимости световых лучей

Представим, что луч, распространяясь в каком-то направлении, претерпел ряд изменений и преломлений. Закон обратимости световых лучей гласит, что если пустить навстречу этому лучу другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.

Мы продолжим изучать основы геометрической оптики, а в будущем мы обязательно рассмотрим примеры решения задач на применение различных законов. Ну а если сейчас у вас имеются какие-либо вопросы, добро пожаловать за верными ответами к специалистам студенческого сервиса . Мы поможем решить любую задачу!

). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики .

Природа света

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

• Волновая теория света , берущая начало от Гюйгенса («Трактат о свете »; 1690), рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн , а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла . Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией , в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).
• Корпускулярная теория света , берущая начало от Ньютона («{{lang-en|Оптика »; 1704), рассматривает свет как поток частиц - квантов света или фотонов . В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину ε = h ν {\displaystyle \varepsilon =h\nu } , где частота ν {\displaystyle \nu } соответствует частоте излучённого света, а h {\displaystyle h} - постоянная Планка . Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.

Характеристики света

Длина световой волны λ {\displaystyle \lambda } зависит от скорости распространения волны в среде v {\displaystyle v} и связана с нею и частотой ν {\displaystyle \nu } соотношением:

где n {\displaystyle n} - показатель преломления среды. В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n (λ) {\displaystyle n=n(\lambda)} . Зависимость показателя преломления от длины волны проявляется в виде явления дисперсии света.

Характеристиками света являются:

Скорость света

Универсальным понятием в физике является скорость света c {\displaystyle c} . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения информации или любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах фазовая скорость света v {\displaystyle v} обычно уменьшается: v = c / n {\displaystyle v=c/n} , где n {\displaystyle n} есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n (ν) {\displaystyle n=n(\nu)} . В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше c {\displaystyle c} . Последнее утверждение не входит в противоречие с теорией относительности , поскольку передача информации с помощью света происходит не с фазовой, а, как правило, с групповой скоростью .

Оптика других диапазонов

Разделы оптики

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика (оптика луча ) не занимается рассмотрением вопроса о природе света, а основывается лишь на эмпирических законах его распространения. Центральное понятие геометрической оптики, с помощью которого описывается распространение света, - световой луч , представляющий собой линию , вдоль которой переносится энергия света. В однородной оптической среде световые лучи представляют собой прямые линии .

Геометрическая оптика позволила успешно объяснить многие явления, наблюдающиеся при прохождении света в различных средах. К таким явлениям относятся, например, искривление лучей в земной атмосфере, образование радуг и миражей . Геометрическая оптика позволяет изучать и определять закономерности и правила построения изображений. Её методы широко используются при расчётах и конструировании разнообразных оптических приборов.

Вместе с тем в приближении геометрической оптики невозможно объяснить происхождение многих важных оптических эффектов, таких, например, как дифракция , интерференция и поляризация света.

Параксиальное приближение

Следующее упрощение в геометрической оптике - параксиальное приближение , или «приближение малых углов». Математически поведение луча становится линейным, позволяя представить оптические компоненты простыми матрицами. Применение методов Гауссовской оптики позволяет найти свойства первого порядка оптических систем.

Гауссовское распространение луча - расширение параксиальной оптики, описывающее более точную модель поведения лучей. Используя параксиальное приближение и явление дифракции, данный набор методов описывает расширение светового пучка с расстоянием и минимальный размер светового пятна, в которое может быть сосредоточен световой пучок. Тем самым эта модель является промежуточной между геометрической и физической оптикой.

История

Работы Гюйгенса «Волновая теория света», которые были написаны под влиянием фундаментальных работ Ньютона , и вошли потом в «Оптику», оказали большое влияние на современников. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука , он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришёл к выводу, что «явление окрашивания остаётся ещё весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма». Поэтому он счёл наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своём трактате.

В своем небольшом трактате первым он рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части - отражение , в третьей - преломление , в четвёртой - атмосферную рефракцию, в пятой -