Оптика як розділ фізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Розвиток поглядів на природу світла

2. Два способи передавання дії

3. Корпускулярна і хвильова теорії світла

4. Геометрична і хвильова оптика

5. Лінзи - оптичний прилад

Використана література

Вступ

Оптика - розділ фізики, в межах якого вивчається природа оптичного випромінювання (світла), досліджуються процеси випромінювання світла, його поширення в різноманітних середовищах і взаємодії з речовиною.

Оптика вивчає широку область спектра електромагнітних хвиль, що примикають до діапазону видимого світла:ультрафіолетову область (включно з м'яким рентгенівським випромінюванням) та інфрачервону (до міліметрових радіохвиль); експериментальне та теоретичне вивчення випромінювання світла, його поширення в середовищах різної природи, поглинання в середовищі, а також заломлення та відбивання на границі поділу, взаємодії кількох світлових потоків, утворення когерентних джерел світла, оптичного запису інформації. Дослідження використовують широко відомі або оригінальні методи.

Відмінність оптики від інших розділів фізики, що пов'язані з електромагнітним випромінюванням, полягає не лише в довжинах досліджуваних хвиль, але й у сукупності специфічних, розвинутих історично і широко використовуваних методів і понять.

Оптика поділяється на геометричну оптику, фізіологічну оптику, фізичну оптику, нелінійну оптику тощо.

оптика корпускулярна хвильова лінзи

1. Розвиток поглядів на природу світла

Перші уявлення давніх учених про те, що таке світло, були досить наївні. Вважали, що з очей виходять особливі тонкі щупальця і що зорові враження виникають від ощупування ними предметів. Спинятися докладно на таких поглядах тепер, звичайно, немає потреби. Простежимо коротко за розвитком наукових уявлень про те, що таке світло.

2. Два способи передавання дії

Від джерела світла, наприклад від лампочки, світло поширюється в усі боки й падає на предмети навколо, спричиняючи, зокрема, їх нагрівання. Потрапляючи в око, світло спричиняє зорове відчуття - ми бачимо. Можна сказати, що під час поширення світла передається дія від одного тіла (джерела) до іншого (приймача).

Взагалі ж одне тіло може діяти на інше двома різними способами: або перенесенням речовини від джерела до приймача, або ж зміною стану середовища між тілами (без перенесення речовини).

Можна, наприклад, змусити задзвонити дзвінок, що перебуває на деякій відстані, вціливши в нього кулькою. Це - перенесення речовини. Але можна діяти інакше: прив'язати шнур до серця дзвінка і змусити дзвінок звучати, посилаючи по шнуру хвилі, які розгойдуватимуть його серце. У цьому випадку речовина не переноситиметься. По шнуру поширюється хвиля, тобто змінюється стан (форма) шнура.

Отже, дія від одного тіла до другого може передаватися хвилями.

3. Корпускулярна і хвильова теорії світла

Відповідно до двох можливих способів передавання дії від джерела до приймача виникли й почали розвиватися дві зовсім різні теорії про те, що таке світло, яка його природа. Причому виникли вони майже одночасно в XVII ст.

Одна теорія зв'язана з ім'ям Ньютона, а друга - з ім'ям Гюйгенса.

Ньютон дотримувався так званої корпускулярної теорії світла, за якою світло - це потік частинок, що йдуть від джерела в усі боки (перенесення речовини).

За уявленнями Гюйгенса, світло - це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі - ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла перемогти. Лише авторитет Ньютона змушував більшість учених віддавати перевагу корпускулярній теорії. Відомі на той час із досліду закони поширення світла більш або менш успішно пояснювались обома теоріями.

На основі корпускулярної теорії було важко пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, ніяк не діють один на одного. Адже світлові частинки повинні стикатися й розсіюватися.

Хвильова ж теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад, на поверхні води вільно проходять одна крізь одну, не впливаючи взаємно.

Проте за хвильовою теорією важко пояснити прямолінійне поширення світла, яке приводить до утворення за предметами різких тіней. За корпускулярною ж теорією прямолінійне поширення світла - це просто наслідок закону інерції.

Таке непевне становище щодо природи світла тривало до початку XIX ст., коли були відкриті явища огинання світлом перешкод (дифракція) та посилення або послаблення світла від накладання світлових пучків (інтерференція). Ці явища властиві тільки хвильовому рухові. Пояснити їх за корпускулярною теорією не можна. Тому здавалося, що хвильова теорія остаточно перемогла.

Така впевненість особливо зросла після того, як Максвелл у другій половині XIX ст. показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Праці Максвелла заклали основиелектромагнітної теорії світла.

Після того, як Герц експериментально виявив електромагнітні хвилі, ніяких сумнівів у тому, що під час поширення світло поводиться як хвиля, не лишилося. Немає їх і тепер.

Але на початку XX ст. уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Несподівано з'ясувалося, що відкинута корпускулярна теорія все-таки має під собою основу. Виявилося, що під час випромінювання і поглинання світло поводиться подібно до потоку частинок.

Було виявлено переривчасті, або, як кажуть, квантові, властивості світла. Виникла незвичайна ситуація: явища інтерференції і дифракції, як і раніше, можна було пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання і поглинання - вважаючи світло потоком частинок.

Спочатку ознайомимося із хвильовими властивостями світла. Про корпускулярно-хвильовий дуалізм (двоїстість) властивостей світла розповідатиметься далі.

4. Геометрична і хвильова оптика

На початку ознайомлення з оптичними явищами було введено поняття світлового променя. Промені показують напрям поширення світла. Щоб визначити цей напрям, виділяють вузькі світлові пучки, діаметр яких значно більший від довжини хвилі. Потім замінюють ці пучки лініями, що є ніби осями світлових пучків. Ці лінії і зображають світлові промені.

Зручність від введення цього поняття полягає в тому, що напрям світлових променів у просторі визначається простими законами - законами геометричної оптики.

Геометричною оптикою називається розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлової енергії в прозорих середовищах на основі уявлень про світловий промінь.

Ці закони було встановлено експериментально, задовго до , з'ясування природи світла. Але вони випливають з хвильової теорії світла як наближення, дійсне, коли довжина хвилі значно менша від розмірів перешкод, розміщених не дуже далеко від місця спостереження.

5. Лінзи - оптичний прилад

Лінза - це оптичний прилад, який дає збільшене зображення предмета. Як правило, лінзи зроблені зі скла і мають опуклу чи увігнуту поверхню. Коли світло проходить крізь скло, воно заломлюється, тобто змінює напрям свого руху. Цей ефект можна спостерігати, якщо опустити соломинку в склянку з водою: здається, що вона зламана. Якщо скло, крізь яке проходить світло, має змінну товщину, то зображення предмета, розміщеного за ним, спотворюватиметься, стаючи більшим чи меншим.

Відхилення світлового променя при переході з повітря в скло використовується в оптичних інструментах, наприклад у лінзах. Лінзи - шматочки скла чи прозорої пластмаси спеціальної форми, які фокусують світло, створюють зображення і збільшують їх, змінюючи напрям променів світла. Лінзи бувають опуклими й увігнутими. Краї опуклої лінзи тонші від центра, а увігнутої - товщі. Від форми лінзи залежить, чи збиратиметься світло в одну точку, чи розсіюватиметься. Таким чином, лінзи діляться на ті, що збирають і розсіюють світло.

Лінзи використовуються в різних оптичних приладах. У фотоапараті для одержання чіткого і яскравого зображення на плівці використовується опукла лінза. У дорогих камерах, призначених для професійної зйомки, розміщують ще й увігнуті лінзи, які товщі по краях, ніж у центрі. Вони використовуються використовуються для зменшення зображень великих предметів.

Фотографія - це спосіб одержання зображення предметів на світлочутливих матеріалах за допомогою спеціальних камер.

Ще в 1515 році Леонардо да Вінчі описав, як одержати зображення на стіні темної кімнати, пустивши світло через невеликий отвір на протилежній стіні. Саме так і діє камера - обскура, що в перекладі з латини означає " темна кімната”. Спочатку одержане зображення просто замальовували на папері, і лише у XVIII ст. англійські вчені Гемфрі Деві(1778-1829) та Томас Уеджвуд(1771-1805) навчились фіксувати зображення листя та облич на папері чи шкірі, вкритих світлочутливим шаром хлориду срібла.

Найперші фотографії зробив у 20-х рр. ХІХст. французький хімік Джозеф Ньєпс зафіксував зображення, одержані за допомогою камери-обскури, на олов'яно-свинцевих пластинах, вкритих світлочутливим бітумним лаком і назвав цей метод геліографією. Англійський винахідник Уільям Фокс Толбот знайшов спосіб фіксувати йодисте срібло, щоб після зйомки воно більше не реагувало на світло і не темніло. Він же винайшов спосіб виготовлення з однієї фотографії безліч копій.

Спочатку фотопроцес був досить складний, поки в 1888р. американець Джордж Істмен не винайшов фотоплівку і невеликий фотоапарат у вигляді ящичка. Невдовзі фотографія стала масовим захопленням, доступним майже кожному. Нові технічні досягнення - наприклад винайдення фотоспалаху і кольорової плівки в 30-ті рр. ХХст. - зробили фотографію ще масовішим заняттям. Своєї популярності вона не втратила і в наші дні. Сучасні фотоапарати стають дедалі мініатюрнішими і простішими у користуванні. Знімки, зроблені електронними камерами, можна переглядати на екрані телевізора, чи завантажувати в комп'ютер для обробки, друку та пересилання мережою в інтернет. У цифрових фотоапаратах немає плівки - зображення перетворене на цифровий код, записується на дискету.

Телескоп - це астрономічний прилад для спостереження за зорями, планетами та іншими космічними тілами. Є два основних типи оптичних телескопів: рефрактори і рефлектори. У рефракторах використовуються лінзові об'єктиви, які створюють перевернуте зображення. У рефлекторі замість лінз - велике увігнуте дзеркало, яке фокусує світло, що, відбиваючись від другого дзеркала, потрапляє в окуляр телескопа. Зображення виходить прямим. Перший телескоп створив голландський учений Ханс Ліпперсгей у 1608 році. Це був оптичний телескоп зі скляними лінзами, які збільшували зображення віддаленого об'єкта.

Іншим оптичним приладом є мікроскоп. Він використовується для розглядання при дуже великому збільщенні предметів, невидимих неозброєним оком. Перший у світі мікроскоп було створено в 1609 році голландцем З.Янссеном, майстром з виготовлення окулярів. Першим ученим, який побачив бактерії, був голландець Антоні ван Левенгук, який сам зробив мікроскоп і в 1670-х рр. спостерігав та описав бактерії, рух еритроцитів по капілярах. Перші мікроскопи були оптичними, тобто досліджуваний об'єкт розглядався в окуляр і мав бути достатньо тонкий, щоб пропускати світло.

В оптичному мікроскопі світловий потік, що проходить крізь об'єкт, заломлюється лінзою. В результаті досліджуваний об'єкт починає виглядати значно більше, ніж він є насправді. Якщо додати ще одну лінзу, збільшення стане ще більшим. Оптичні мікроскопи з кількома лінзами можуть дати 2000 - кратне збільшення.

Наші очні яблука виконують роль велетенських опуклих лінз, які фокусують світло на задній стінці ока.

За допомогою очних м'язів ці "лінзи” стають більш пласкими, якщо ми хочемо роздивитись віддалений об'єкт, і, навпвки, стають товщими, якщо предмет близько.

Використана література

1. Фізична енциклопедія. - М., 1989.

2. Основи оптики. - М., 2001.

Размещено на Allbest.ru