Оптика. Основные законы и формулы

Оптика

Оптика - раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, распространения его в различных средах и взаимодействия его с веществом. Оптика изучает видимую часть спектра электромагнитных волн и примыкающие к ней ультрафиолетовую (включая мягкий рентген) и инфракрасную (вплоть до миллиметровых радиоволн) области.

В оптике существует два раздела: геометрическая и волновая оптика.

Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, она исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Волновая оптика - это раздел оптики, который рассматривает свет, как электромагнитную волну; в ней изучаются явления, в которых проявляются волновые свойства света (как поперечной электромагнитной волны).

Скорость света в вакууме определена экспериментально. Она равна приблизительно 300000 км/с. Во всех средах скорость света меньше, чем в вакууме.

Закон отражения света: Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела сред, восстановленной в точке падения, причем угол падения равен углу отражения.

=

Закон преломления света: Падающий и преломленные лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела сред, восстановленной в точке падения, причем преломленный луч связан с падающим отношением:

Различают собирающие и рассеивающие линзы. Параллельный пучок лучей падающей на собирающую линзу, собирается в одной точке, называемой фокусом линзы. Параллельный пучок лучей, падающий на рассеивающую линзу, расходится так, что продолжения лучей собираются в одной точке. Эта точка называется фокусом, но в данном случае он мнимый.

Основная формула линзы связывает ее фокусное расстояние F (расстояние от линзы до фокуса) с расстоянием d от предмета до линзы и расстоянием f от линзы до изображения:

Показатель преломления света зависит от цвета. Цвет же света определяется частотой колебаний (или длиной световой волны). Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний называется дисперсией. Дисперсия приводит к тому, что призма разлагает белый свет в спектр. Скорость света и длина волны уменьшаются при переходе из вакуума в среду. Частота колебаний остается неизменной.

Световые волны одинаковой длины, имеющие постоянную разность фаз, называются когерентными. При наложении когерентных волн друг на друга наблюдается интерференция света. Волны усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности хода между ними. Когерентные волны образуются при отражении световых волн от двух поверхностей тонкой пленки. Так как разность фаз колебаний интерферирующих волн зависит не только от толщины пленки, но и от длины волны, то при освещении пленки белым цветом образуется цветная интерференционная картина.

Световые волны огибают препятствия, сравнимые по размерам с длиной волны. Это дифракция света. Так как длина световой волны очень мала (порядка 10-5см), то наблюдение дифракции света затруднено и требует специальных приспособлений.

На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки: совокупности большого числа щелей, разделенными узкими промежутками. Значения углов , определяющих направления на дифракционные максимумы спектра, полученного с помощью решетки, находят из равенства

dsin=k

где k=0,1,2…, d-период решетки.

Решетка разлагает свет в спектр, с ее помощью можно изменять длины волн.

Примеры решения задач

Задача 1. Здание, освещенное солнечными лучами, отбрасывает тень длиной L=36 м. Вертикальный шест высотой h = 2,5 м отбрасывает тень длиной l = 3 м (см. рисунок). Найдите высоту H здания.