Все загадки света. Оптика

Цели и задачи:
сформулировать законы геометрической оптики;
сформулировать законы волновой оптики

Оптика - это раздел физики, изучающий законы распространения света
Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом.
Световой луч – это линия вдоль которой распространяется световая энергия

Оптика
Геометри́ческая
раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных
средах и принципы построения
изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его
волновых свойств
Волновая
раздел оптики, который описывает распространение света с учётом его волновой природы.
Явления волновой оптики — интерференция,
дифракция,
поляризация.

Закон отражения света

Преломление света
Преломление света - это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую.
Преломление света в стакане с водой.

Радуга – пример преломления света
Радуга возникает из-за преломления света в капельках дождя или тумана, парящих в атмосфере.
Схема образования радуги
1) сферическая капля
2) внутреннее отражение
3) первичная радуга
4) преломление
5) вторичная радуга
6) входящий луч света
7) ход лучей при формировании первичной радуги
8) ход лучей при формировании вторичной радуги
9) наблюдатель
10) область формирования первичной радуги
11) область формирования вторичной радуги
12) облако капелек

Преломление света
Рассмотрим преломление света подробнее:
1.Линия MN- поверхность раздела двух сред (вода-воздух).
2.На эту поверхность из точки S падает пучок света. Его направление задано лучом SO. Луч SO - падающий луч.
3.Луч OB- преломлённый луч.
4.Из точки падения луча О проведём перпендикуляр к ОС к поверхности раздела двух сред.
5.Угол между падающий лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения луча называется лучом отражённым.
6.Угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения луча называется углом преломления.

Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло и воздух имеют разную оптическую плотность. Оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Скорость распространения света в стекле меньше, чем в воздухе. Поэтому оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха.
Преломление света

Таким образом, можно сформулировать закон преломления света:
1.Лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2.Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред.
где n- относительный показатель преломления для двух данных сред. Например, если луч переходит из воздуха в воду, то относительный показатель их преломления равен 1,33.

Дисперсия
Это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света, или зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Призма
Призма — устройство для преломления световых лучей, имеющая форму геометрической призмы.

Преломления пучка света
при прохождении им призмы
Пучок света падает нормально на стеклянную призму (n = 1,5) и после преломления выходит из нее. Найдите угол β отклонения пучка света от первоначального направления, если преломляющий угол призмы α = 30°.
Задача:

Плоскопараллельная пластинка
Плоскопараллельная пластинка- это ограниченный параллельными поверхностями слой однородной среды, прозрачной в некотором интервале длин волн λ оптического излучения.

Линза- прозрачное тело, образованное двумя сферическим поверхностями либо сферическое с одной стороны и плоское с другой.
Линза
Главный фокус линзы находится в точки пересечения преломлённых лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси.

Фокусное расстояние- расстояние между главным фокусом (F) и оптическим центром (O).
Оптическая сила обратно пропорциональна фокусному расстоянию.
Увеличение- это отношение высоты изображения (H) к высоте предмета (h).
В системе СИ — (Дптр) — диоптрии

Волновая оптика
Волна- это процесс переноса в пространстве колебаний.
Волновая о́птика — раздел оптики, который описывает распространение света с учётом его волновой природы.
Явления волновой оптики :
интерференция,
дифракция,
поляризация.
Волновая оптика рассматривает свет как электромагнитные волны.
Явления интерференции и дифракции служат опытным подтверждением его волновой природы.

Свет как волна
Волновым процессам характерна интерференция и дифракция, дисперсия т.е. если предположить, что свет - волна, то нужно обнаружить его волновые свойства.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света а также, от координат.
Дисперсия
В результате прохождения света через прозрачную призму получается упорядоченное расположение монохроматических электромагнитных волн оптического диапазона – спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона в 1672 году к открытию дисперсии света.

Интерференция
Интерференцией волн называется явление, возникающее при сложении двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства.
Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз их колебаний. Такие волны называются когерентными.

Условие максимума интерференционной картины:
Условие минимума интерференционной картины:

Дифракция
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционная решётка
Дифракционная решётка - оптический прибор, предназначенный для анализа спектрального состава оптического излучения.
. Дифракционная решётка состоит из тысяч узких и близко расположенных щелей.
Из-за интерференции интенсивность света прошедшего через дифракционную решётку различна в различных направлениях. Имеются выделенные направления в которых световые волны от различных щелей решётки складываются в фазе, многократно усиливая друг друга.
При освещении решётки монохроматическим светом на её выходе наблюдаются узкие лучи с большой интенсивностью