Реферат: Оптика

Содержание:

ØИстория развития оптики.

ØОсновные положения корпускулярной теорииНьютона.

ØОсновные положения волновой теории Гюйгенса.

ØВзгляды на природу света в XIX– XXстолетия.

ØОсновные положения волновой теории Френеля.

ØОсновные положения оптики.

ØВолновые свойства света и геометрической оптики.

ØГлаз как оптическая система.

ØСпектроскоп.

Ø Оптический измерительный прибор.

Ø Заключение.

ØСписок использованной литературы.

/>/>/>/>/>История развития оптики.

Оптика – учение о природе света,световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история –это история поиска ответа: что такое свет?

Одна из первых теорийсвета – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платономоколо 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи,которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающегомира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности,Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение опрямолинейности распространения света, установил закон отражения.

В те же годы были открытыследующие факты:

– прямолинейностьраспространения света;

– явление отражения светаи закон отражения;

– явление преломлениясвета;

– фокусирующее действиевогнутого зеркала.

Древние греки положилиначало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.

Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей донас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занималсяизучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света влинзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечнойскоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным

шагом в понимании природысвета.

В эпоху Возрождения было совершеномножество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальныйметод, как основа изучения и познания окружающего мира.

На базе многочисленныхопытных фактов в середине XVIIвека возникают две гипотезы о природе световых явлений:

– корпускулярная,предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростьюсветящимися телами;

– волновая, утверждавшая,что свет представляется собой продольные колебательные движения особойсветоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

Все дальнейшее развитиеучения о свете вплоть до наших дней – это история развития и борьбы этихгипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.

Основные положения корпускулярной теории Ньютона:

1) Свет состоит из малыхчастичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, илилучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие изкорпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник (рис. 1).

Рис. 1

2) Световые корпускулыимеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущениекрасного цвета, самые мелкие – фиолетового.

3) Белый цвет – смесьвсех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

4) Отражение света отповерхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по законуабсолютного упругого удара (рис. 2).

5) Явление преломления светаобъясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем средаплотнее, тем угол преломления меньше угла падения.

6) Явление дисперсии света, открытоеНьютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. Каждый цвет уже присутствуетв белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферусовместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразныхкорпускул – испытывает преломление, пройдя через призму. С точки зрениямеханической теории, преломления обязано силам со стороны частиц стекла,действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Онинаибольшие для фиолетового и наименьшие для красного цвета. Путь корпускул впризме для каждого цвета будет преломляться по- своему, поэтому белый сложныйлуч расщепится на цветные составляющие лучи.

7) Ньютон наметил путиобъяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи светаобладают «различными сторонами» – особым свойством, обуславливающимих различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

Корпускулярная теорияНьютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в товремя. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоретеория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах.

Основные положения волновой теории света Гюйгенса.

1) Свет – этораспространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны ипохожи на импульсы звука в воздухе.

2) Эфир – гипотетическаясреда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Онаневесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большойупругостью.

3) Принципраспространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходитвозбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдаетсятолько там, где проходит их огибающая

поверхность – фронт волны (принципГюйгенса) (рис.3).

Чем дальше волновой фронтот источника, тем более плоским он становится.

Световые волны,приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения.

Очень важным пунктомтеории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света.Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многие явления геометрическойоптики:

– явление отражения светаи его законы;

– явление преломлениясвета и его законы;

– явление полноговнутреннего отражения;

– явление двойноголучепреломления;

– принцип независимостисветовых лучей.

Теория Гюйгенса давалатакое выражение для показателя преломления среды:

Из формулы видно, чтоскорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютногопоказателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теорииНьютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVII века исключал возможность установить, какая из теорийверна.

Многие сомневались вволновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядовна природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученыхтеория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодическихколебаний, распространяющихся в эфире.

Взгляды на природу света в XIX-XXстолетиях.

В 1801 году Т. Юнгвыполнил эксперимент, который изумил ученых мира (рис.4)

/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />

/>Рис. 4.

S – источник света;

Э – экран;

В и С – очень узкие щели,отстоящие друг от друга на 1-2 мм.

По теории Ньютона наэкране должны появиться две светлые полоски, на самом деле появились несколькосветлых и темных полос, а прямо против промежутка между щелями В и С появиласьсветлая линия Р. Опыт показал, что свет явление волновое. Юнг развил теориюГюйгенса представлениями о колебаниях частиц, о частоте колебаний. Онсформулировал принцип интерференции, основываясь на котором, объяснил явлениедифракции, интерференции и цвета тонких пластинок.

Французский физик Френельсоединил принцип волновых движений Гюйгенса и принцип интерференции Юнга. Наэтой основе разработал строгую математическую теорию дифракции. Френель сумелобъяснить все оптические явления, известные в то время.

Основные положения волновой теории Френеля.

– Свет – распространениеколебаний в эфире со скоростью />, гдемодуль упругости эфира, r – плотность эфира;

– Световые волны являютсяпоперечными;

– Световой эфир обладаетсвойствами упруго-твердого тела, абсолютно несжимаем.

При переходе из однойсреды в другую упругость эфира не меняется, но меняется его плотность.Относительный показатель преломления вещества />.

Поперечные колебаниямогут происходить одновременно по всем направлениям, перпендикулярнымнаправлению распространению волны.

Работа Френеля завоевалапризнание ученых. Вскоре появился целый ряд экспериментальных и теоретическихработ, подтверждающих волновую природу света.

В середине XIX века начали обнаруживаться факты,указывающие на связь оптических и электрических явлений. В 1846 г. М. Фарадейнаблюдал вращения плоскостей поляризации света в телах, помещенных в магнитноеполе. Фарадей ввел представление об электрическом и магнитном полях, как о своеобразныхналожениях в эфире. Появился новый «электромагнитный эфир». Первым наэти взгляды обратил внимание английский физик Максвел. Он развил этипредставления и построил теорию электромагнитного поля.

Электромагнитная теориясвета не зачеркнула механическую теорию Гюйгенса- Юнга- Френеля, а поставила еена новый уровень. В 1900 г. немецкий физик Планк выдвинул гипотезу о квантовомхарактере излучения. Суть ее состояла в следующем:

– излучение света носитдискретный характер;

– поглощение происходит тожедискретно-порциями, квантами.

Энергия каждого квантапредставляется по формуле E=hn, где h – постоянная Планка, а n – это частота света.

Через пять лет послеПланка вышла работа немецкого физика Эйнштейна о фотоэффекте. Эйнштейн считал:

– свет, еще не вступившийво взаимодействие с веществом, имеет зернистую структуру;

– структурным элементомдискретного светового излучения является фотон.

В 1913 г. датский физикН. Бор опубликовал теорию атома, в которой объединил теорию квантовПланка-Эйнштейна с картиной ядерного строения атома.

Таким образом, появиласьновая квантовая теория света, родившаяся на базе корпускулярной теории Ньютона.В роли корпускулы выступает квант.

Основные положения.

– Свет испускается, распространяется и поглощаетсядискретными порциями – квантами.

– Квант света – фотоннесет энергию, пропорциональную частоте той волны, с помощью которой онописывается электромагнитной теорией E=hn.

– Фотон, имеет массу (/>), импульс /> и момент количествадвижения (/>).

– Фотон, как частица,существует только в движении скорость которого – это скорость распространениясвета в данной среде.

– При всехвзаимодействиях, в которых участвует фотон, справедливы общие законы сохраненияэнергии и импульса.

– Электрон в атоме можетнаходиться только в некоторых дискретных устойчивых стационарных состояниях.Находясь в стационарных состояниях, атом не излучает энергию.

– При переходе из одногостационарного состояния в другое атом излучает (поглощает) фотон с частотой />, (где Е1и Е2 – энергии начального и конечного состояния).

С возникновениемквантовой теории выяснилось, что корпускулярные и волновые свойства являютсялишь двумя сторонами, двумя взаимосвязанными проявлениями сущности света. Онине отражают диалектическое единство дискретности и континуальности материи,выражающейся в одновременном проявлении волновых и корпускулярных свойств. Одини тот же процесс излучения может быть описан, как с помощью математическогоаппарата для волн, распространяющихся в пространстве и во времени, так и спомощью статистических методов предсказания появления частиц в данном месте и вданное время. Обе эти модели могут быть использованы одновременно, и взависимости от условий предпочтение отдается одной из них.

Достижения последних летв области оптики оказались возможными благодаря развитию, как квантовой физики,так и волновой оптики. В наши дни теория света продолжает развиваться.

/>Волновыесвойства света и геометрическая оптика.

Оптика – раздел физики,изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие свеществом.

Простейшие оптическиеявления, например возникновение теней и получение изображений в оптическихприборах, могут быть понятны в рамках геометрической оптики, которая оперируетпонятием отдельных световых лучей, подчиняющихся известным законам преломленияи отражения и независимых друг от друга. Для понимания более сложных явленийнужна физическая оптика, рассматривающая эти явления в связи с физическойприродой света. Физическая оптика позволяет вывести все законы геометрическойоптики и установить границы их применимости. Без знания этих границ формальноеприменение законов геометрической оптики может в конкретных случаях привести крезультатам, противоречащим наблюдаемым явлениям. Поэтому нельзя ограничиватьсяформальным построением геометрической оптики, а необходимо смотреть на нее какна раздел физической оптики.

Понятие светового лучаможно получить из рассмотрения реального светового пучка в однородной среде, изкоторого при помощи диафрагмы выделяется узкий параллельный пучок. Чем меньшедиаметр этих отверстий, тем уже выделяемый пучок, и в пределе, переходя котверстиям сколь угодно малым, можно казалось бы получить световой луч какпрямую линию. Но подобный процесс выделения сколь угодно узкого пучка (луча)невозможен вследствие явления дифракции. Неизбежное угловое расширениереального светового пучка, пропущенного через диафрагму диаметра D, определяется углом дифракции j~l/D. Только в предельном случае, когда l=0, подобное расширение не имело быместа, и можно было бы говорить о луче как о геометрической линии, направлениекоторой определяет направление распространения световой энергии.

Таким образом, световойлуч – это абстрактное математическое понятие, а геометрическая оптика являетсяприближенным предельным случаем, в который переходит волновая оптика, когдадлина световой волны стремится к нулю.

Глаз как оптическая система.

Органом зрения человекаявляются глаза, которые во многих отношениях представляют собой весьмасовершенную оптическую систему.

Рис.6. Строение человеческого глаза

/>В целом глаз человека — это шарообразное тело диаметром около2,5 см, которое называют глазным яблоком (рис.5). Непрозрачную и прочную внешнююоболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и более выпуклую переднюючасть — роговицей. С внутренней стороны склера покрыта сосудистой оболочкой, состоящей из кровеносныхсосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходит в радужнуюоболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделена отроговицы камерой с прозрачной водянистой массой.

В радужной оболочке имеется круглое отверстие, называемоезрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом, радужная оболочкаиграет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. При ярком освещениизрачок уменьшается, а при слабом освещении — увеличивается. Внутри глазногояблока за радужной оболочкой расположен хрусталик, который представляет собойдвояковыпуклую линзу из прозрачного вещества с показателем преломления около1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца, которая может изменять кривизну егоповерхностей, а значит, и его оптическую силу.

Сосудистая оболочка свнутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительного нерва,особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатую оболочку,на которой получается действительное изображение предметов, создаваемое оптическойсистемой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталиком заполнено прозрачнымстекловидным телом, имеющим студенистое строение. Изображение предметов насетчатке глаза получается перевернутое. Однако деятельность мозга, получающегосигналы от светочувствительного нерва, позволяет нам видеть все предметы внатуральных положениях.

Когда кольцевая мышцаглаза расслаблена, то изображение далеких предметов получается на сетчатке.Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть без напряженияпредметы, расположенные не ближе 6 метра от глаза. Изображение более близкихпредметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для полученияотчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всёсильнее до тех пор, пока изображение предмета не окажется на сетчатке, а затемудерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Таким образом, «наводкана фокус» глаза человека осуществляется изменением оптической силы хрусталика спомощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глаза создаватьотчетливые изображения предметов, находящих на различных расстояниях от него,называют аккомодацией ( от латинского «аккомодацио» – приспособление). Прирассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. Вэтом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодация глаза небесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза может увеличиватьсяне больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близких предметов глазустает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображение предметарасплывается.

Глаза человека позволяютхорошо видеть предметы не только при дневном освещении. Способность глазаприспосабливаться к различной степени раздражения окончанийсветочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркостинаблюдаемых объектов называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз наопределенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены назначительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предметана другой между осями глаз практически не изменяется, и человек теряетспособность правильно определять положение предмета. Когда предметы находятсяочень далеко, то оси глаз располагаются параллельно, и человек не может дажеопределить, движется предмет или нет, на который он смотрит. Некоторую роль в определенииположения тел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик прирассматривании предметов, расположенных недалеко от человека. Спектроскоп.

Для наблюдения спектровпользуются спектроскопом.

Наиболее распространенныйпризматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещаюттрехгранную призму (рис. 7).

В трубе А, называемой коллиматоромимеется узкая щель, ширину которой можно регулировать поворотом винта. Передщелью помещается источник света, спектр которого необходимо исследовать. Щельрасполагается в плоскости коллиматора, и поэтому световые лучи из коллиматоравыходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму, световые лучинаправляются в трубу В, через которую наблюдают спектр. Если спектроскоп предназначендля измерений, то на изображение спектра с помощью специального устройства накладываетсяизображение шкалы с делениями, что позволяет точно установить положениецветовых линий в спектре.

Оптический измерительный прибор.

Оптический измерительныйприбор — средство измерения, в котором визирование (совмещение границконтролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определениеразмера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия.Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическимпринципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы соптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы, имеющиемеханический контакт с измерительным прибором, с оптическим способомопределения перемещения точек контакта.

Из приборов первойраспространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющихсложный контур, небольшие размеры.

Наиболее распространенныйприбор второй — универсальный измерительный микроскоп, в котором измеряемаядеталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп — напоперечной.

Приборы третьей группыприменяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерками или шкалами. Ихобъединяют обычно под общим названием компараторы. К этой группе приборовотносятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактный интерферометр,оптический дальномер и др.).

Оптические измерительныеприборы также широко распространены в геодезии (нивелир, теодолит и др.).

Теодолит — геодезическийинструмент для определения направлений и измерения горизонтальных ивертикальных углов при геодезических работах, топографической и маркшейдерскихсъемках, в строительстве и т.п.

Нивелир — геодезическийинструмент для измерения превышений точек земной поверхности — нивелирования, атакже для задания горизонтальных направлений при монтажных и т.п. работах.

В навигации широкораспространён секстант — угломерный зеркально-отражательный инструмент дляизмерения высот небесных светил над горизонтом или углов между видимымипредметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшаяособенность секстанта — возможность совмещения в поле зрения наблюдателяодновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяетпользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного сниженияточности даже во время качки.

Перспективнымнаправлением в разработке новых типов оптических измерительных приборовявляется оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющимиупростить отсчет показаний и визирования, и т.п. />

Заключение.

Практическоезначение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики.Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший ибогатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретениемикроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжаетпомогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научнойаппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа,спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т.п. не было бы очков, и многиелюди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать ивыполнять многие работы, связанные со зрением.

Областьявлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явлениятеснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, аоптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтомунеудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежалаведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основныхфизических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теориипрошлого столетия — теория относительности и теория квантов — зародились и взначительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретениелазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в еёприложениях в различных отраслях науки и техники.

Московский комитет образования

Всемирный ОRТ

Московский технологический колледж

Кафедра естественных наук

Итоговая работа по физике

На тему:

Выполнила студентка 14 группы:Рязанцева Оксана

Преподаватель: Груздева Л.Н.

Москва 2001 год.

Список литературы.

ØАрцыбышев С.А. Физика — М.: Медгиз, 1950.

ØЖданов Л.С. Жданов Г.Л. Физика для средних учебных заведений- М.: Наука, 1981.