Геометрическая (лучевая) оптика

Ярославский государственный университет

Им. П.Г.Демидова

Физический факультет

Кафедра общей и экспериментальной физики

М.Н.Преображенский

КОНСПЕКТ

Лекций по физике у биологов

ОПТИКА.

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Ярославль 2009

ОСНОВЫ ОПТИКИ, АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Лекция 1

Введение

Свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны 0,4…0,76 мкм или частотой (0,39…0,75) 10¹⁵ Гц и как это видно, на шкале электромагнитных волн занимает очень незначительную область. Выделение оптики в отдельный раздел физики объясняется в первую очередь тем, что свет характеризуется специфическим воздействием на органы чувств и отвечает за многие процессы в природе. Законы его распространения и взаимодействия описываются уравнениями Максвелла. Способы получения и регистрации аналогичны способам для электромагнитных волн соседних диапазонов. Другого особого физического смысла нет, т.е. смысл сугубо биологический. Надо только добавить, что воздействие на органы чувств, как показывает опыт, оказывает воздействие компонента напряженности электрического поля Е, оно же определяет и другие биологические, фотохимические и физико-химические процессы.

Свечение тел может быть вызвано различными причинами, т.е. энергия, расходуемая светящимся телом на излучение, может пополняться за счет: а) химических реакций – хемилюминесценция; б) самостоятельного газового разряда – электролюминесценция; в) бомбардировки электронами – катодолюминесценция; г) облучение светом – фотолюминесценция;
д) нагревания – тепловое излучение.

Время процесса при излучении света имеет порядок 10^-8с, поэтому в рамках волновой теории считается, что свет излучается в виде цуга, длиной около 3 м – это расстояние, которое проходит волна за это время. Эта волна имеет строго определенную длину волны, говорят что она монохроматична и определенные плоскости колебания векторов Е и В, говорят что волна плоско поляризована. В естественном свете в каждом цуге ориентация плоскостей колебания векторов Е и В произвольна говорят, что такой свет не поляризован. Зависимость светового потока, приходящегося на некоторый диапазон длин волн U = dФ/dl от длины волны характеризует спектральную плотность света. На рис. 1 в качестве примера приведены спектральные плотности солнечного света (а) и света, прошедшего через светофильтр (б), который называют квазимонохроматичным.

Рис. 1. Рис. 2.

Поскольку, как уже отмечалось, одной из причин выделения раздела оптики является воздействие света на органы чувств, важным является вопрос о восприятии глазом света в различных спектральных диапазонах. Данная характеристика носит название кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Данная характеристика индивидуальна. Ее примерный вид изображен на рис. 2. По виду она близка к кривой спектральной плотности солнечного света. Ее смысл заключается в том, что по оси Y откладывается величина V(l), обратно пропорциональная величине потока световой энергии, вызывающая одинаковые зрительные ощущения V(l₁)/V(l₂) = U(l₂)/U(l₁). При этом максимальное значение функции V(l) принимается за 1.

Геометрическая (лучевая) оптика

Ряд оптических явлений (отражение, преломление и ряд других) может быть объяснен в рамках геометрической оптики. В этом разделе пользуются следующими понятиями. Луч – линия вдоль которой распространяется свет или световая энергия. Показатель преломления среды (оптическая плотность) – отношения скорости света в вакууме к скорости света в среде n = с/c_сред. Среда, у которой n = const называется однородной. Оптическая длина пути (L) – произведение геометрической длины (s) на оптическую плотность: L = ns.

В основу геометрической оптики можно положить принцип Ферма или принцип наименьшего времени, который формулируется следующим образом: свет распространяется по такому пути, для которого требуется наименьшее время или по пути с минимальной оптической длиной. Из этого принципа, в частности, следует:

1) в однородной среде свет распространяется прямолинейно;

2) если из точки 1 в точку 2 свет распространялся по пути s, то из точки 2 в точку 1 он пойдет по тому же пути.

Из этого же принципа можно вывести законы отражения и преломления.

Поиск по сайту: