Лекции по физике. Оптика Геометрическая оптика

2 Основные законы оптики 1. Закон прямолинейного распространения света (в однородной среде) 2. Закон независимости световых пучков (в линейной оптике) 3. Закон отражения света 4. Закон преломления света

3 Закон прямолинейного распространения света Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно Доказательством является наличие резкой тени от предметов Этот закон нарушается в случае малых размеров освещаемых объектов

4 Закон независимости световых пучков Эффект, производимый несколькими световыми пучками, является суммой эффектов, производимых каждым пучком Этот закон может нарушаться в случае сильных световых потоков. Такие отклонения рассматриваются в нелинейной оптике Другой случай отклонения от закона независимости световых пучков связан с явлением интерференции

5 Закон отражения света Отражённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к плоскости раздела двух сред, проведённым в точке падения. Угол падения равен углу отражения: i = R i R 1 2

6 Закон преломления света Преломлённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к плоскости раздела двух сред, проведённым в точке падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред i R 1 2

7 Закон преломления света Закон преломления описывается формулой: (1) где n 21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой i R 1 2

8 Показатель преломления Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n 21 =n 2 /n 1 (2) Абсолютным показателем преломления n среды называется отношение скорости света в вакууме c к фазовой скорости света v ф в среде: n=c/v ф (3)

9 Закон преломления света Имеет место обратимость хода светового луча. Она означает, что если обратить преломлённый или отражённый луч т.е. направить его в обратную сторону и сделать падающим, то преломлённый/отражённый луч пойдёт в направлении обратном первоначальному падавшему лучу

10 Закон преломления света Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем, то угол преломления (отсчитанный от нормали) будет больше угла падения. Если увеличивать угол падения, то наступит момент, когда угол преломления превысит После этого будет наблюдаться полное внутреннее отражение, свет не будет выходить за пределы более плотной среды

11 Геометрическая оптика Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором распространение света рассматривается как поток лучей Световыми лучами называют линии перпендикулярные волновому фронту Моделью светового луча является поток света, прошедшего сквозь малое отверстие

12 Геометрическая оптика Ход световых лучей в рамках геометрической оптики определяется принципом Ферма (принципом минимальности времени распространения): Действительный путь распространения света (луч) есть путь, для прохождения которого свету требуется минимальное время по сравнению с любым другим путём между теми же точками

13 Геометрическая оптика Для изменения хода лучей используют различные элементы. Наиболее распространенные из них призмы, зеркала и линзы Линзы – прозрачные тела, ограниченные сферическими или цилиндрическими поверхностями Различают собирающие и рассеивающие линзы

14 Геометрическая оптика Собирающая линза преобразует параллельный световой пучок лучей в сходящийся пучок Рассеивающая линза преобразует параллельный световой пучок лучей в расходящийся пучок F F

15 Геометрическая оптика Важной характеристикой линзы является её фокусное расстояние F. Это расстояние от центра линзы до точки схождения пучка лучей, параллельных оптической оси линзы. Оно определяется радиусами кривизны R и показателем преломления n линзы:

16 Геометрическая оптика Оптической силой линзы называется величина обратная фокусному расстоянию. Она измеряется в диоптриях (дптр) У отрицательной линзы фокусное расстояние считается отрицательным. Оно находится на продолжении преломлённых лучей за плоскость линзы

17 Построение изображения с помощью линзы С помощью линзы можно получить изображение объекта. Положение этого изображения находится с помощью вспомогательных лучей один из которых идёт через центр линзы, а второй параллелен главной оптической оси F a b О

18 Построение изображения с помощью линзы Расстояния от линзы до объекта a и до его изображения b связаны с фокусным расстоянием F формулой тонкой линзы: Размер изображения отличается от размера исходного объекта. Увеличение изображения определяется величиной: Г=b/a

19 Аберрации В реальных оптических системах возникают различные искажения изображений: 1. Сферическая аберрация возникает из- за того, что линза не является бесконечно-тонкой. Пучки лучей, испущенных точечным источником вдоль главной оптической оси и под углом к ней, собираются в разных точках

20 Аберрации В результате изображение точки размывается Исправить сферическую аберрацию можно изменяя форму линзы, используя систему из вогнутых и выпуклых линз или зеркальную оптику

21 Аберрации 2. Хроматическая аберрация возникает из- за различия показателя преломления для света с различной длиной волны. Хроматическую аберрацию можно подавить, используя выпуклые и вогнутые линзы из различных сортов стёкол

22 Диапазон световых волн Видимый свет занимает диапазон от 400 до 800 нм в шкале электромагнитных волн Вид излучения Длина волны, м Частота волны, Гц Радиоволны · ·10 12 Световые волны ИК-излучение Видимый свет УФ-излучение 5· · · · · · ,75· ,75· ,5· ,5· ·10 17 Рентгеновское излучение 2· · ,5· ·10 19 Гамма-излучение<6· <5·10 19