ОПТИКА

В результате изучения данной главы студент должен: знать

  • • основные законы геометрической и волновой оптики;
  • • правила построения изображений в тонких линзах;
  • • методы наблюдения интерференции и дифракции; уметь
  • • строить изображения, даваемые тонкими линзами;
  • • решать задачи геометрической и волновой оптики;
  • • определять характеристики и параметры волн; владеть
  • • методиками определения параметров волн;
  • • навыками построения изображений, даваемых линзами и сферическими зеркалами.

Геометрическая оптика

На одной из своих лекций Давид Гильберт[1] сказал: «Каждый человек имеет некоторый горизонт. Когда он сужается и становится бесконечно малым, он превращается в точку. Тогда человек говорит: «Это моя точка зрения».

Начнем изучение оптики с геометрической точки зрения.

В целом, оптику как раздел физики можно представить в двух частях: геометрическая и волновая.

Геометрическая рассматривает световую волну как вектор, луч, который распространяется, отражается, преломляется исключительно по законам геометрии. Следовательно, и оптика называется геометрической. И задачи, которые решает эта часть оптики — геометрические.

Волновая же рассматривает свет как волну и дает объяснение явлениям, свойственным для волн.

Закон прямолинейного распространения света. В однородной среде свет всегда распространяется прямолинейно. Обратим внимание на понятие «в однородной». Если среда не однородна, т.е. плотность ее в разных точках разная, то вследствие преломления луч света может менять свое направление. Может быть, вы слышали (или даже видели) явление под названием мираж, которое возникает именно вследствие сильной неоднородности воздуха вблизи поверхности Земли при высоких температурах и луч света приходит к нам не оттуда, откуда кажется. То есть объект мы видит совсем не там, где он в действительности находится.

Существует также и не менее интересный эффект, связанный с искривлением световых лучей. Это — гравитационное линзирование.

Гравитационное линзирование. Суть эффекта состоит в том, что любая электромагнитная волна, в том числе и световая, искривляется, проходя в гравитационном поле крупных космических объектов (звезд, планет и даже целых галактик). Иллюстрация эффекта изображена на рис. 7.1.

Гравитационное линзирование и крест Эйнштейна (справа)

Рис. 7.1. Гравитационное линзирование и крест Эйнштейна (справа)

Закон независимости световых лучей: световые лучи при пересечении не возмущают друг друга.

Для сравнения рассмотрим два пересекающихся воздушных потока. При пересечении такие потоки будут мешать друг другу, перемешиваться и т.д. Пересекающиеся световые потоки друг другу не мешают. Причина проста — световые потоки не сопровождаются переносом вещества, поэтому не мешают друг другу.

Закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. При этом угол падения равен углу отражения (рис. 7.2).

Заметим, что в оптике принято углы отсчитывать от перпендикуляра. Таким образом, на рис. 7.2 введены следующие обозначения: а — угол падения, р — угол отражения, у — угол преломления.

Законы отражения и преломления света

Рис. 7.2. Законы отражения и преломления света

Закон Снеллиуса[2] (закон преломления). Углы падения и преломления связаны соотношением

где пх показатель преломления среды 1; п2 — показатель преломления среды 2. Из последнего соотношения следует, что при прохождении светового луча из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем — угол преломления меньше угла падения, и наоборот.

  • [1] Давид Гильберт (1862—1943) — немецкий математик-универсал, внес значительныйвклад в развитие многих областей математики. В 1910—1920-е гг. (после смерти Анри Пуанкаре) был признанным мировым лидером математиков.
  • [2] Виллеброрд Снелл (Снеллиус, 1580—1626) — голландский математик, физик и астроном. В 1621 г. открыл закон преломления света. Однако его труды не были опубликованы,но они были обнаружены в архивах Рене Декартом, который использовал их при написаниисвоих «Начал философии».
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >