Оптика
Раздел физики, изучающий световые явления, выясняющий природу света, устанавливающий свойства света, закономерности его излучения, распространения и взаимодействия с веществом, называется оптикой.
Оптика подразделяется на следующие разделы; фотометрия, геометрическая оптика, физическая оптика.
Основы фотометрии
Свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом.
Световой поток
Для оценки световой энергии по зрительному восприятию используют понятие светового потока. Энергию светового излучения можно оценить визуально (глазом) или фотоэлементом.
С
ветовой
поток характеризует (по зрительному
ощущению) световую энергиюW
,
переносимую через какую-либо поверхность
за времяt
.
Световой поток - это мощность, оцениваемая визуально.
Точечный источник света
Равномерно излучает свет по всем направлениям. Размеры его много меньше расстояния, на котором оценивается его действие.
Т
елесный
угол
.
Угол, существующий вокруг точки и
опирающийся на всю площадь сферы (
),
называют полным телесным углом:
Если
,
то
1
ср.
Сила света
- энергетическая характеристика
источника света.
Е
диница
силы света в СИ - кандела (кд).
Единица светового потока
.
Выражается в люменах.
Полный световой поток
,
так как
ср.
Освещенность (Е )
Скалярная физическая величина, измеряемая отношением светового потока к площади S равномерно освещенной поверхности:
.
Единица освещенности
В СИ выражается в люксах.
Д
ля
измерения освещенности используется
люксомер.
Законы освещенности
1. Освещенность поверхности лучами, падающими перпендикулярно, пропорциональна силе света I и обратно пропорциональна квадрату расстоянияr 2 от источника до освещенной поверхности:
E =I /r 2 .
2. Освещенность поверхности пропорциональна косинусу угла падения луча на эту поверхность.
3
.
.
Сравнение силы света двух источников
Для практического определения силы света источника используют фотометр, схема которого показана на рисунке.
Если E 1 =E 2 то при расстоянияхr 1 иr 2
,
.
Яркость
Характеризует световой поток, который излучается единицей площади в перпендикулярном направлении в пределах единичного телесного угла:
,
так как
,
,
гдеS
п
- светящаяся
поверхность. Единица яркости в СИ -
нит: 1 нт = 1 кд/м 2 .
Геометрическая оптика
Геометрическая оптика изучает законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче.
Прямолинейное распространение света происходит в однородной среде.
Световой луч - линия, указывающая направление распространения световой энергии.
П
рямолинейностью
распространения света объясняется
образование тени и полутени.
П
ри
малых размерах источника (светящаяся
точка) получается только тень.
При больших размерах источника света создаются нерезкие тени (тень и полутень).
С
корость
света
Астрономический метод измерения скорости света
М
етод
Ремера (1676). Когда Земля очень близко
подошла к Юпитеру (на расстояниеL
1),
промежуток времени между двумя появлениями
спутникаU
0 оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля
удалилась от Юпитера на расстояниеL
2 ,
этот промежуток времени увеличился на
22 мин. Объяснение Ремера: увеличение
промежутка времени идет за счет того,
что свет проходит дополнительное
расстояние Δl
=L
2 –L
1 . Он определил,
что скорость света:
=
300 000 км/с.
Лабораторный метод измерения скорости света
Метод Физо (1849):
= 313 000 км/с, гдеZ
- количество зубьев;ω
- угловая скорость,L
-
расстояние от зубчатого колеса до
зеркала.
По современным данным, в вакууме c = (299792456,2 ± 0,8) м/с.
О
птические
явления на границе раздело двух сред
Отражение и поглощение падающего на тело излучения зависит от рода вещества, состояния поверхности, состава излучения и угла падения.
О
тражение
света
Диффузное, или рассеянное, отражение позволяет нам видеть тела.
Зеркальное отражение.
Законы отражения света
1. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности.
2. Угол отражения луча равен углу его падения (α =γ ). Световые лучи обладают свойством обратимости.
И
зображение
в плоском зеркале
И
зображение
любого предмета в плоском зеркале
(мнимое и прямое) равно по размерам
самому предмету и расположено относительно
зеркала симметрично предмету.
Из множества лучей, падающих из точки S на зеркалоMN , выделим для простоты три луча:SO ,SO 1 ,SO 2 . Каждый луч отразится от зеркала под таким же углом, под каким падаем на зеркало. Если продолжить отраженные лучи за зеркалоMN , то они сойдутся в точкеS" . Глаз воспринимает их как бы исходящими из точкиS" и видит там точкуS .
Сферическое зеркало
С
ферическое
зеркало представляет собой поверхность
шарового сегмента, зеркально отражающего
свет. Если отражение идет от внутренней
поверхности сегмента, то зеркало
вогнутое; если-от внешней, то зеркало
выпуклое.
Вогнутое зеркало собирающее, выпуклое рассеивающее.
Центр О сферы -оптический центр зеркала. ВершинаС -полюс .
OB -OC -R - радиус кривизны сферического зеркала.
Любую прямую, проходящую через оптический центр, называют оптической осью. Оптическая ось, проходящая через полюс зеркала,- главная оптическая ось.
Диаметр КМ окружности, ограничивающей зеркало, называют отверстием зеркала.
Главный фокус сферического зеркала
Т
очкаФ
, в которой пересекаются лучи,
параллельные главной оптической оси,
называется главным фокусом.
У вогнутого зеркала фокус действительный, у выпуклого мнимый, т. е. пересекаю!ся продолжении отраженных лучей.
ФС -фокусное расстояние F . У вогнутого оно +F , у выпуклого –F .
Плоскость ММ", проходящую через главный фокус зеркала перпендикулярно главной оптической оси, называют фокальной плоскостью.
Е
сли
побочные оси составляют небольшой угол
с главной оптической осью, то все фокусы
зеркала располагаются в фокальной
плоскости (для вогнутого и выпуклого
зеркал).
Связь F с R
Л
учAA
1 , параллельный
главной оптической оси зеркала, после
отражения идет по путиА
1 Ф
.
Соединяем точкуA
1 ,
сО
. Из
законов отражения следует, что2=3.
Так какA
1 A
||OC
,
то1 =2.
Следовательно,1 =3 и ΔA
1 ФО
равнобедренный, т.е.А
1 Ф
=ФО
,А
1 Ф
≈СФ
. ТочкаФ
делитR
, т.е. делитОС
пополам:
.
Из законов отражения следует, что луч
падающий и луч отраженный в сферическом
зеркале обладают обратимостью. Лучи,
падающие на зеркало параллельно одной
из его побочных оптических осей, после
отражения собираются в фокусе зеркала.
Формулы сферического зеркала
- для вогнутого зеркала;
- для выпуклого зеркала, гдеd
(на рис.SC
) - расстояние от предмета
до зеркала,φ
(на рис.S"C
) -
расстояние от изображения до зеркала,F
(на рис.FС
) - фокусное расстояние.
Оптическая сила сферического зеркала
,
,
,
гдеR
- радиус сферического зеркала.
Единица в СИ-диоптрия:
.
Линейное увеличение
,
гдеh
- высота предмета,H
- высота изображения.
Построение изображения
Для построения изображения точки 1 пользуются любыми двумя из трех лучей. Луч 1 проводится параллельно главной оптической оси. После отражения от зеркала проходит через главный фокусФ .
Луч 2 проводится черезФ . После отражения от зеркала он идет параллельно главной оптической оси зеркала.
Луч 3 проводится через сферический центрО зеркала. После отражения он идет обратно к точкеА по той же прямой. В точке пересечения отраженных лучей от зеркала (1 ,2 ,3 ) получим изображение точкиА .
Примеры построения изображений предметов, создаваемых сферическими зеркалами
В
зависимости от расстоянияd
, на
котором находится предмет от зеркала,
возможны следующие случаи построения
для вогнутого зеркала:
при d = ∞ изображение оказывается действительным в виде точки в фокусе;
при 2F <d < ∞ изображение действительное, перевернутое, уменьшенное;
при d = 2F изображение действительное, перевернутое, равное предмету;
при F <d < 2F изображение действительное, перевернутое, увеличенное;
при d =F изображение не существует (в бесконечности);
при d <F изображение мнимое, прямое, увеличенное.
В выпуклом зеркале изображение всегда мнимое, уменьшенное, прямое.
П
реломление
На границе раздела двух сред падающий световой поток делится на две части.
Датский астроном и математик В. Снелл до X. Гюйгенса и И. Ньютона в 1621 г. экспериментально открыл закон преломления света:
.
Абсолютный
показатель преломления данной среды
.
Если
,
то
.
Если
,
то
.
Применим принцип Гюйгенса для вывода закона преломления света.
Р
аспространение
падающих и преломленных лучей.MM"
-
граница раздела двух сред; лучиA
1 A
иВ
1 В
падающие лучи;AA
2 иBB
2 преломленные
лучи;α
- угол падения;β
- угол
преломления:
где
– постоянная величина для двух сред.
Таким образом,
.
,
.
Преломление света подчиняется двум законам:
1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной той плоскости с перпендикуляром, восставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред ;
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная (для монохроматического света) .
П
олное
отражение
П
ри
дальнейшем увеличении угла падения
преломленный луч исчезает, а яркость
стекла на пути распространения отраженного
луча становится та кой же, как и на пути
падающего луча.
Предельный угол α
пр для сред
воздух - стекло:
,
,
,α
пр = 42°
Для алмаза (n = 2,42)α пр = 25°, для сред вода (n 2 = 1,33) - стекло (n 2 = 1,5):
,
,α
пр = 60°.
Угол падении, которому соответствует угол преломления 90°, называют предельным углом падения (α пр).
|
Оборачивающая призма. |
Поворотная призма. |
|
|
|
Световод - стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньше чем у волокна. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по изогнутому пути.
Поворотные и оборачивающие призмы применяют в перископах, биноклях, киноаппаратах, а также часто вместо зеркал.
Линзы
П
розрачное
для света тело, ограниченное выпуклыми
или вогнутыми преломляющими поверхностями,
называется линзой.
Собирающие (положительные) линзы
Двояковыпуклые (1 ), гдеО 1 О 2 - главная оптическая ось,R 1 R 2 - радиусы кривизны поверхности, плоско-выпуклые (2 ), выпукло-вогнутые (3 ).
Рассеивающие (отрицательные)
Вогнуто-выпуклые (4 ), двояковогнутые (5 ), плоско-вогнутые (6 ).
Линзы, у которых середины толще, чем края, называют собирающими, а у которых толще края - рассеивающими.
Эти условия выполняются, если показатель преломления стекла, из которою изготовлена линза, больше показателя преломления среды, в которой используется линза
Главные фокусы и фокусное расстояние линзы
Точка F на главной оптической оси, в которой пересекаются после преломления лучи, параллельные этой оси, называется главным фокусом.
У собирающей линзы фокусы действительные, у рассеивающей мнимые, OF - фокусное расстояние. Его обозначают буквойF . У собирающей линзы +F , у рассеивающей -F .
Плоскость, которая перпендикулярна главной оптической оси линзы, а также проходи! через ее главный фокус, называется фокальной: М 1 М 2 иМ 3 М 4 .
П
обочный
фокусF"
- это точка на фокальной
плоскостиМ
3 М
4 в
которой собираются лучи, падающие на
линзу параллельно побочной оси
Оптическая сила линзы
.
Единица оптической силы линзы в СИ -
диоптрия.
Оптическая сила линзы определяется
кривизной ее поверхности, а также
показателем преломления ее вещества
относительно окружающей среды:
,
гдеR
1 иR
2 - радиусы
сферических поверхностей линзы;n
- относительный показатель преломления.
Вывод формулы тонкой линзы
И
з
подобия треугольников, заштрихованных
одинаково, следует
и
откуда
,df
=dF
+Ff
,
df
=F
(d
+f
),
.
или
где d
- расстояние предмета от линзы;f
- расстояние от
линзы до изображения;F
- фокусное
расстояние. Оптическая сила линзы равна:
.
При расчетах числовые значения действительных величин всегда подставляются со знаком «плюс», а мнимых - со знаком «минус».
Линейное увеличение
.
И
з
подобия заштрихованных треугольников
следует
,
.
Построение изображений светящейся точки, расположенной на главной оптической оси линзы
1
.
В собирающей линзе точкаS
находится
между главным фокусом и точкойО
,
т.e.d
<F
.
Проведем побочную осьOA
параллельно произвольному лучуSA
,
а затем прямуюАА
1 до пересечения
с главной оптической осью в точкеS
1 .
Луч, идущий вдоль главной оси, проходит
линзу не преломляясь, поэтому изображение
точкиS
будет находиться
на главной оси в точке пересечения с
прямойАА
1 .
2
.
В рассеивающей линзе точкаS
находится
за главным фокусом, т. е.d
>F
.
Так как все лучи после преломления в
линзе сходятся в точкеS
1 то достаточно установить, где пересекутся
два луча. Найдем ход произвольного лучаSA
после линзы. Для этого из точкиО
проведем побочную оптическую ось
параллельно лучуSA
. Она пересечет
фокальную плоскость в точкеA
1 .
Прямая, проведенная через точкиA
иA
1 устанавливает
ход луча SA после преломления в линзе.
Продолжив прямуюAA
1 до пересечения с главной оптической
осью, получим изображениеS
1 точкиS
.
Собирающая линза
Точка находится на побочной оптической оси. Линза создает ее изображение на той же оси.
Изображение действительное.
Изображение мнимое (для собирающей линзы и рассеивающей).
И
зображение
действительное, уменьшенное, перевернутое.
Изображение мнимое, прямое, увеличенное.
Рассеивающая линза
Рассеивающая линза всегда дает изображение мнимое, прямое, уменьшенное.
|
Изображение мнимое, прямое, уменьшенное. |
Мнимое изображение |
Глаз
Глаз - это 90% информации, система линз. Диаметр глаза ~ 23 мм.
С
остоит
из склеры1
(защитная оболочка из
эластичной ткани), роговицы2
, камеры3
(полость, заполненная прозрачной
жидкостью), сосудистой оболочки4
,
радужной оболочки5
, отверстия6
(зрачокd
от 2 до 8 мм), хрусталика7
(n
=1,44), мышц, изменяющих
оптические свойства глаза8
, прозрачной
студенистой массы9
(глазное дно),
сетчатки10
(7 млн. колбочек, 130 млн.
палочек, которые реагируют на свет
разной частоты неодинаково), разветвлений
зрительного нерва11
.
О
сновные
свойства глаза
Аккомодация - свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие разноудаленных предметов. Изменяется главный фокус глаза от 16 до 13 мм. Оптическая сила глаза от 60 до 75 дптр.
Предельный угол зрения φ 0 =1´. С приближением предмета увеличивается угол зренияφ 0 , под которым мы видим две близкие точки предмета.
Адаптация - приспосабливаемое к различным условиям освещенности: d зр от 2 до 8 мм,S зр изменяется в 16 раз.
Поле зрения. По оси ОХ 150°, по осиOY 125°.
Спектральная чувствительность от 380 до 760 нм. Самая большая чувствительность λ = 555 нм (зеленый цвет).
О
строта
зрения -
свойство глаза раздельно различать
две близкие точки.
Расстояние наилучшего зрения d 0 = 250мм. Дальние предметы глаз видит без напряжения.
Недостатки глаза
Г
лаз
не может создать резкое изображение на
сетчатке.
Дальнозоркость - дефект зрения, состоящий в том, что изображение предмета в ненапряженном состоянии глаза получается за сетчаткой.
При рассматривании близких предметов предел аккомодации исчерпывается при расстоянии больше 25 см. Исправляется ношением очков с собирающими линзами , гдеF г - фокусное расстояние глаза;F c - фокусное расстояние системы глаз - очки.
Б
лизорукость
- дефектзрения
, когда глаз в
ненапряженном состоянии создает
изображение удаленного предмета не на
сетчатке, а перед ней т.е. не можем видеть
удаленные предметы. Исправляется
ношением очков с рассеивающими линзами
П
одбор
очков
,
,
,
гдеf
- глубина глаза;d
гл – расстояние, на которое
видит глаз без очков;d
0 - 25 см
– расстояние наилучшего зрения глаза;
.
Близорукость и дальнозоркость могут быть исправлены с по мощью современной хирургии по изменению формы роговицы или хрусталика
Оптические приборы
Лупа
Увеличить угол зрения можно, используя лупу, микроскоп:
Т
ак
какОВ
2 =d
0 , aОВ
1 ≈F
, то
.
Сферическое зеркало представляет собой сферический сегмент, зеркально отражающий свет.
Сферические зеркала бывают вогнутые (рис. 16.13, а) - у них отражающее покрытие нанесено на внутреннюю поверхность, и выпуклые (рис. 16.13, б) - у них отражающее покрытие нанесено на внешнюю поверхность.
Геометрический центр О сферической поверхности зеркала радиусом R называется центром зеркала , а точка Р, являющаяся вершиной сферического сегмента - полюсом зеркала . Любая прямая (например, ОМ и ОР), проходящая через центр О зеркала, называется оптической осью . Оптическая ось ОР, проходящая через полюс зеркала, называется главной оптической осью , все остальные оси - побочными оптическими осями . Ясно, что любая оптическая ось в точке пересечения с поверхностью зеркала является нормалью к последней (любой радиус перпендикулярен к касательной к поверхности сферы). Точка F на главной оптической оси, через которую проходят после отражения от зеркала лучи (или их продолжения), падающие на зеркало параллельно главной оптической оси, называется фокусом зеркала . У вогнутого зеркала фокус действительный, у выпуклого зеркала фокус мнимый. Расстояние от фокуса сферического зеркала до его полюса PF называется фокусным расстоянием . Его принято обозначать также буквой F. Плоскость KL, проходящая через фокус перпендикулярно к главной оптической оси, называется фокальной плоскостью . В фокальной плоскости пересекаются после отражения от зеркала лучи (или их продолжения), падающие на зеркало параллельно какой-либо побочной оптической оси.
Определим положение фокуса сферического зеркала. Пусть на зеркало (рис. 16.14) падает луч NM, параллельный главной оптической оси. Отраженный от зеркала луч MF пройдет через фокус F. Луч NM составляет с радиусом ОМ угол \(~\alpha\). Угол отражения \(~\ang OMF=\alpha\) и \(~\ang MOF=\alpha\) как накрест лежащие при параллельных прямых MN и РО и секущей МО. Следовательно, \(~\Delta MOF\) - равнобедренный (FO = MF). Угол MFE = 2\(~\alpha\) (угол внешний по отношению к \(~\Delta MOF\)).
Будем рассматривать только так называемые параксиальные пучки, т.е. узкие пучки, составляющие с оптической осью зеркала очень малые углы (в широком пучке три луча, образующие значительные углы друг с другом, не пересекаются в одной точке). Тогда \(PE \ll R, EF \approx PF\) и \(tg \alpha \approx \sin \alpha = \alpha \).
Из \(~\Delta MOC\) \(\sin \alpha = \frac{h}{R} \Rightarrow \alpha \approx \frac{h}{R} \) Из \(~\Delta MEF\) \(tg 2 \alpha = \frac{h}{EF} \Rightarrow 2 \alpha \approx \frac{h}{PF}. \)
Отсюда \(2 \frac{h}{R}=\frac{h}{PF} \Rightarrow PF=\frac{R}{2}.\) Таким образом, точка F лежит на главной оптической оси и делит радиус зеркала ОР на две одинаковые части. Значит, фокусное расстояние \(F=\frac{F}{2}.\)
Аналогично можно доказать, что фокус выпуклого сферического зеркала лежит на главной оптической оси за зеркалом и удален от полюса зеркала на расстояние, равное половине радиуса зеркала. Фокусное расстояние выпуклого зеркала принято считать отрицательным (так как увыпуклого зеркала фокус мнимый), т.е. у выпуклого зеркала \(F=-\frac{F}{2}.\)
Формула сферического зеркала. Пусть точечный источник света S (рис. 16.15) расположен на главной оптической оси зеркала на расстоянии SP = d . Угол падения луча SM на поверхность зеркала \(~\ang SMO = \alpha\). Отраженный луч пересекает главную оптическую ось в точке S". Угол отражения \(\ang OMS" = \alpha\) (по закону отражения). Обозначим угол наклона падающего луча к главной оптической оси \(\ang MSO = \varphi\), угол наклона отраженного луча \(\ang MS"P = \gamma\), угол наклона радиуса \(\ang MOP = \beta,\) расстояние от точки М до главной оптической оси через ME = h.
Угол \(~\beta\) - внешний по отношению к \(\Delta OMS\). Поэтому \(\beta = \alpha + \varphi\).
Угол \(~\gamma\) - внешний по отношению к \(\Delta S"OM\). Поэтому \(~\gamma = \alpha + \beta\).
Из этих равенств получаем
\(\gamma + \varphi = 2 \beta\)
Из \(\Delta S"EM\) находим \(tg \gamma= \frac{h}{ES"} \approx \frac{h}{f}\). Из \(\Delta OME\) имеем \(tg \beta=\frac{h}{OE} \approx \frac{h}{R}.\)
Из \(\Delta SEM\) имеем \(tg \varphi= \frac{h}{SE} \approx \frac{h}{d}\)
Так как мы рассматриваем только параксиальные лучи, то тангенсы углов можно заменить значениями самих углов в радианах.
Следовательно, \(\gamma = \frac{h}{f};\) \(\beta = \frac{h}{R};\) \(\varphi = \frac{h}{d}.\) Подставим в (16.1), получим \(\frac{h}{f} + \frac{h}{d} = 2 \frac{h}{R} \Rightarrow \frac{1}{d} + \frac{1}{f} = \frac{2}{R}. \)А так как \(F=\frac{R}{2},\) то можно записать
\(\frac{1}{d} + \frac{1}{f} = \frac{1}{F}\)
Это выражение называют формулой сферического зеркала. Формулу (16 2) можно применять и для выпуклых сферических зеркал, если использовать правило знаков: считать знаки величин d, f, R и F положительными, если эти расстояния измерены от полюса зеркала в ту сторону, откуда на зеркало падает свет от предмета, и отрицательными, если они отсчитаны от полюса за зеркало. Для выпуклых зеркал d>0, a R<0, F<0. Если изображение мнимое, то f<0.
Так как в формулу (16.1) не входят значения h и угла \(\varphi\), то это означает, что любой луч, выходящий из S, пройдет через точку S". Следовательно, точка S" является изображением точки S.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 461-464.
Найдем связь между оптической характеристикой и расстояниями, определяющими положение предмета и его изображения.
Пусть предметом служит некоторая точка А, располагающаяся на оптической оси. Используя законы отражения света, построим изображение этой точки (рис. 2.13).
Обозначим
расстояние от предмета до полюса зеркала
(АО),
а от полюса до изображения
(ОА).
Рассмотрим
треугольник АРС, получаем, что
Из треугольника
АРА, получаем, что
.
Исключим из этих выражений угол
,
так как единственный который не опирается
на ОР.
,
или
(2.3)
Углы ,,опираются на ОР. Пусть рассматриваемые пучки параксиальны, тогда эти углы малы и, следовательно, их значения в радианной мере равно тангенсу этих углов:
;
;
,
гдеR=OC,
является радиусом кривизны зеркала.
Подставим полученные выражения в уравнение (2.3)
Так как мы ранее выяснили, что фокусное расстояние связано с радиусом кривизны зеркала, то
(2.4)
Выражение (2.4) называется формулой зеркала, которая используется лишь с правилом знаков:
Расстояния
,
,
считаются положительными, если они
отсчитываются по ходу луча, и отрицательными
– в противном случае.
Выпуклое зеркало .
Рассмотрим несколько примеров на построение изображений в выпуклых зеркалах.
Фокус выпуклого зеркала мнимый. Формула выпуклого зеркала
.
Правило знаков для d и f остается таким же, как и для вогнутого зеркала.
Линейное увеличение предмета определяется отношением высоты изображения к высоте самого предмета
. (2.5)
Таким образом, независимо от расположения предмета относительно выпуклого зеркала изображение оказывается всегда мнимым, прямым, уменьшенным и расположенным за зеркалом. В то время как изображения в вогнутом зеркале более разнообразны, зависят от расположения предмета относительно зеркала. Поэтому вогнутые зеркала применяются чаще.
Рассмотрев принципы построения изображений в различных зеркалах, мы подошли к пониманию действия столь различных приборов, как астрономические телескопы и увеличивающие зеркала в косметических приборах и медицинской практике, мы способны сами спроектировать некоторые приборы.
Зеркальное отражение, диффузное отражение
Плоское зеркало.
Простейшей оптической системой является плоское зеркало. Если параллельный пучок лучей, падающий на плоскую поверхность раздела двух сред, после отражения остается параллельным, то отражение называется зеркальным, а сама поверхность называется плоским зеркалом (рис. 2.16).
Если отражающая поверхность шероховата, то отражение неправильное и свет рассеивается, или диффузно отражается (рис.2.19)
Диффузное отражение гораздо более приятно для глаза, чем отражение гладкими поверхностями, называемое правильным отражением.
Линзы.
Линзы, также как и зеркала являются оптическими системами, т.е. способны изменять ход светового луча. Линзы по форме могут быть различными: сферическими, цилиндрическими. Мы остановимся только на сферических линзах.
Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями, называется линзой .
Собирающие линзы . Фокусом собирающей линзы называется точка, в которой пересекаются параллельные оптической оси лучи после преломления в линзе. Фокус собирающей линзы – действительный. Фокус, лежащий на главной оптической оси, называется главным фокусом. Любая линза имеет два главных фокуса: передний (со стороны падающих лучей) и задний (со стороны преломленных лучей). Плоскость, в которой лежат фокусы, называется фокальной плоскостью. Фокальная плоскость всегда перпендикулярна главной оптической оси и проходит через главный фокус. Расстояние от центра линзы до главного фокуса называется главным фокусным расстоянием F (рис.2.21).
Для построения изображений какой- либо светящейся точки следует проследить ход любых двух лучей, падающих на линзу и преломленных в ней до их пересечения (или пересечения их продолжения). Изображение протяженных светящихся предметов представляет собой совокупность изображений отдельных его точек. Наиболее удобными лучами, используемыми при построении изображений в линзах, являются следующие характерные лучи:
На рисунке 2.25 продемонстрировано построение изображения точки А предмета АВ.
Кроме перечисленных лучей при построении изображений в тонких линзах используют лучи, параллельные какой-либо побочной оптической оси. Следует иметь в виду, что лучи, падающие на собирающую линзу пучком, параллельным побочной оптической оси, пересекают заднюю фокальную поверхность в той же точке, что и побочная ось.
Формула тонкой линзы:
, (2.6)
где F - фокусное расстояние линзы; D - оптическая сила линзы; d - расстояние от предмета до центра линзы; f - расстояние от центра линзы до изображения. Правило знаков будет таким же, как и для зеркала: все расстояния до действительных точек считаются положительными, все расстояния до мнимых точек считаются отрицательными.
Линейное увеличение, даваемое линзой,
, (2.7)
где H - высота изображения; h - высота предмета.
Рассеивающие линзы . Лучи, падающие на рассеивающую линзу параллельным пучком, расходятся так, что их продолжения пересекаются в точке, называемоймнимым фокусом.
Правила хода лучей в рассеивающей линзе:
2)луч, идущий вдоль оптической оси, не меняет своего направления.
Формула рассеивающей линзы:
(правило знаков остается прежним).
На рисунке 2.27 приведен пример построения изображений в рассеивающих линзах.
Цель работы: ознакомление с принципом определения фокусного расстояния сферического зеркала.
Оборудование: оптическая скамья со шкалой, осветителем, экраном, ползунками; набор сферических зеркал, плоское зеркало, спица, линейка.
Теория метода.
Сферическим называют зеркало, отражающая поверхность которого имеет форму части сферы.
Рис 1. Сферическое зеркало
Радиус сферы (рис.1) является радиусом кривизны зеркала. Круг, ограничиваемый краями зеркала, называют апертурой. Прямая MN, проходящая через центр апертуры B и центр кривизны C зеркала, называется
главной оптической осью зеркала. Другие прямые, проходящие через центр кривизны, но не проходящие через центр апертуры, называются побочными оптическими осями зеркала. Точка A пересечения зеркала с главной оптической осью называют вершиной зеркала. Если отражающей является вогнутая поверхность зеркала, то его называют вогнутым, если же выпуклая – выпуклым. Вогнутое зеркало может дать как действительное, так и мнимое изображение, выпуклое - только мнимое. Главным фокусом вогнутого зеркала называют точку F, лежащую на главной оптической оси, в которой пересекаются после отражения от зеркала лучи, падающие на него параллельно главной оптической оси.
Расстояние AF от главного фокуса до вершины зеркала называют главным фокусным расстоянием зеркала. Приблизительно оно равно половине радиуса кривизны зеркала.
Непосредственное измерение фокусного расстояния зеркала оказывается недостаточно точным, так как создание точечного источника или вполне параллельного пучка лучей трудно осуществимо.
Для более точного определения фокусного расстояния сферического зеркала пользуются либо соотношением:
где F - фокусное расстояние,
f - расстояние от предмета до зеркала,
d – расстояние от изображения до зеркала,
либо формулой:
(2),
связывающей отношение размера предмета и его изображения с F; d и f. Формулы (1) и (2) справедливы только в тех случаях, когда падающие лучи составляют с осью зеркала лишь небольшие углы.
1.Определение главного фокусного расстояния вогнутого сферического зеркала.
Описание установки.
Вогнутое зеркало и экран для получения действительного изображения предмета укрепляются каждый на специальном держателе. Держатель может передвигаться по оптической скамье. Имеется шкала или линейка, дающая возможность довольно точно фиксировать положение держателя.
В качестве предмета можно использовать стрелку, начерченную на матовом стекле, а в качестве источника – электрическую лампочку.
 |
Стрелка, служащая предметом, помещена выше экрана для того, чтобы экран
не преграждал лучам путь к зеркалу (рис.2).
Рис.2 Схема хода лучей.
Порядок выполнения работы.
1. Поставив предмет на расстоянии от зеркала заведомо большем, чем удвоенное фокусное расстояние, подбирают такое положение экрана, чтобы изображение было наиболее резким.
2. Отсчитав на шкале расстояния d и f и измерив линейкой величину стрелки (её длину) – x и величину её изображения на экране y, вносят данные в отчетную таблицу.
3. Изменив d на 1,0-1,5 см, вновь находят положение экрана, соответствующее наибольшей резкости и измеряют d, f, и x, y, и т.д.
4. Из данных каждого опыта вычисляют F, воспользовавшись выражениями:
вытекающими из равенств (1) и (2).
Таблица 1.
| № | Расстояния | F 1 | F ср. | ∆F ср. | ∆F c р. /F ср. | |
| d | f | |||||
| Среднее |
Таблица 2.
| № | Длина | F 2 | F ср. | ∆F ср. | ∆F c р. /F ср. | |
| предмета x | изображения y | |||||
| Среднее |
6. Сравнить полученные результаты.
2.Определение главного фокусного расстояния выпуклого сферического зеркала.
Описание установки.
Выпуклое зеркало не дает действительного изображения, главный фокус его является мнимым. Чтобы найти главное фокусное расстояние такого зеркала можно снова воспользоваться формулой зеркала (1), учтя при этом, что F , f будут мнимыми, т.е. войдут в формулу (1) со знаком «-». Основную трудность использования формулы (1) составляет определение величины f – расстояния от зеркала до мнимого изображения предмета. Определить f можно с помощью плоского зеркала методом отсутствия параллакса, сущность которого состоит в следующем: если два предмета не наложены друг на друга, а разделены пространственно, то, рассматривая их и перемещая при этом голову вправо или влево, можно обнаружить смещение одного предмета относительно другого (параллактическое смещение). Если же предметы наложены друг на друга, то такого смещения нет.
Если между рассматриваемым предметом и выпуклым зеркалом поместить еще плоское зеркало так, чтобы его верхний край был ниже верхней части выпуклого зеркала, то можно одновременно рассматривать изображение одного и того же предмета сразу в двух зеркалах: плоском и выпуклом.
Перемещая плоское зеркало, можно добиться такого его положения, при котором мнимые изображения предмета в плоском и выпуклом зеркалах при перемещении головы наблюдателя вправо или влево не будут смещаться друг относительно друга, т.е. будут находиться в одной плоскости. Так как изображение в плоском зеркале находится на таком же расстоянии от зеркала, что и предмет, то, измерив расстояние между рассматриваемым предметом и плоским зеркалом (рис.3) найдем, что
f + d = 2b ; f = 2b – d. (3)
Рис.3 Ход лучей и построение изображения, даваемое выпуклым зеркалом.
Порядок выполнения работы.
1.Расположить на оптической скамье рассматриваемый предмет (спицу), выпуклое и плоское зеркало. Измерить расстояние от спицы до выпуклого зеркала.
2.Перемещая плоское зеркало, определить местоположение мнимого изображения спицы. Повторить измерение не менее пяти раз и результаты внести в таблицу.
Таблица 3.
| № | d | b | f | F | ∆F | ∆F/F |
| Среднее |
Контрольные вопросы.
1.Каковы основные характеристики сферических зеркал?
2.Почему при проведении опытов нужно предмет ставить на расстоянии, превышающем 2F?
3.Какое и где получилось бы изображение при F 4.Где надо поместить перед вогнутым зеркалом предмет, чтобы обратное и действительное изображение его было в 3 раза больше предмета? 5.Вывести соотношения данные в равенствах (2). Список литературы: 1. Матвеев А.Н. Оптика: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1985.-351с. 2.Савельев И.В. Курс общей физики 3-е изд., испр.-м.: Наука, - т.2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 1988. 496с. 3. Элементарный учебник физики: в трех томах, т.3:Колебание и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика./Под ред. Г.С.Ландсберга – 12-е изд.-М.: ФИЗМАТХИТ, 2000.-656с. Сферические зеркала подразделяются на выпуклые и вогнутые или соответственно отрицательные и положительные, которые различаются между собой лишь знаком радиуса кривизны. Фокус вогнутого зеркала – действительный, а фокус выпуклого – мнимый. Точка главного фокуса сферического зеркала расположена на середине между центром сферы и ее вершиной, т.е. при равенстве показателей преломления пространства предметов и пространства изображений: ƒ = ƒ"= r/2
. Главные плоскости Н и Н" при этом совпадают и касательны к сферической поверхности. Построение изображения сферическим зеркалом можно выполнить графическим методом. Для такого построения изображения используют лучи, ход которых заранее известен: Луч, идущий в пространстве предметов параллельно оптической оси; Луч, проходящий через передний фокус; Луч, направленный по радиусу кривизны. Первый луч, отразившись от зеркала, пройдет через его фокус, второй – выйдет параллельно оптической оси, третий отразится в том же направлении. Рассмотрим построение изображения предмета в вогнутом зеркале для нескольких вариантов положений предмета: Вариант 1.
При этом, как и для сферической линзы (случай 1), предмет бесконечно удален от сферического зеркала (находится на расстоянии намного большем, чем фокусное расстояние зеркала), т.е. а
® ¥ (рис. 11). В этом случае действительное изображение предмета в виде точки будет находится в главном фокусе зеркала. Покажем на этом же рисунке наличие продольной сферической аберрации в вогнутом зеркале, т.е. когда точки F 1 , F 2 , F 3 , F 4 являются фокусами лучей I, II, III, IV, а чем ближе луч к главной оптической оси зеркала, тем ближе его фокус к главному фокусу зеркала. При отсутствии сферической аберрации все лучи сойдутся в точке главного фокуса F. Рис. 11. Построение изображения сферическим зеркалом при размещении предмета на расстоянии намного большем, чем фокусное расстояние а
® ∞.
Вариант 2.
В этом случае предмет находится на конечном расстоянии от оптического центра О сферического зеркала (Рис. 12), т. е. 2f
< a
< ¥. Изображение предмета будет действительным, перевернутым, уменьшенным и находится между фокусом и оптическим центром зеркала. Рис. 12. Построение изображения А"В" при размещении предмета АВ на расстоянии 2f
< a
< ¥. Вариант 3.
Предмет находится в точке оптического центра сферического зеркала (Рис. 13), т. е. a
= 2f
. Изображение предмета – действительное, перевернутое, равное предмету и находится также в оптическом центре зеркала. Рис. 13. Построение изображения при размещении предмета АВ на расстоянии a
= 2f
. Вариант 4.
Предмет находится между оптическим центром вогнутого сферического зеркала и точкой главного фокуса (Рис. 14), т.е. f
< a
< 2f
. Изображение предмета будет действительным, перевернутым, увеличенным и находится за оптическим центром зеркала. Рис. 14. Построение изображения А"В" при размещении предмета АВ на расстоянии f
< a
< 2f
. Вариант 5.
Предмет находится в точке фокуса сферического зеркала (Рис.15), т.е. a
= f
. Изображение предмета – перевернутое и находится в бесконечности. Рис. 15. Построение изображения при размещении предмета АВ на расстоянии a
= f
. Вариант 6.
Предмет находится между главным фокусом и главной плоскостью сферического зеркала, т.е. a
< f
. Изображение предмета – мнимое, прямое, увеличенное. Рис. 16. Построение изображения А"В" при размещении предмета АВ на расстоянии a
< f
. Аналогично вогнутому зеркалу можно построить изображения предмета в выпуклом зеркале. Рис. 17. При расположении предмета АВ перед зеркалом на любом расстоянии не равном нулю изображение А"В" получается мнимым и находится за зеркалом.
Рис. 18. Если предмет АВ находится в вершине зеркала, то изображение А"В" также будет в вершине (предмет находится в главной плоскости Н, следовательно, изображение будет в этой же плоскости, так как у зеркала главные плоскости Н и Н" совмещены).
Рис. 19. Предмет АВ - за зеркалом, между вершиной и точкой F, изображение А"В" – перед зеркалом (в этом случае предмет - мнимый, а изображение - действительное).
Рис.20. Предмет АВ в точке главного фокуса F, изображение – в бесконечности.
Рис. 21. Предмет АВ за точкой главного фокуса F, изображение А"В" – за зеркалом (предмет и изображение мнимые).
Разновидностью сферических линз являются концентрические
линзы, у которых центры кривизны поверхностей находятся в одной точке, и телескопические
линзы (Рис. 22), преобразующие параллельные лучи, падающие на них, также в параллельные при их выходе из линзы. Рис. 22. Разновидности телескопических линз.
Телескопическая двояковыпуклая линза переворачивает пучек лучей (простейшая система Кеплера), а выпукло-вогнутая телескопическая линза является простейшей системой Галилея, не переворачивающая пучек параллельных лучей. Для этих линз справедливы следующие соотношения: ƒ" 1 = nr 1 / (n-1); ƒ" 2 = nr 2 / (n-1); ƒ" 1 - ƒ" 2 = d.
Мы рассмотрели оптическое действие отдельно для каждого элемента со сферическими поверхностями. Но еще есть волоконные, несферические, нецентрированные и растровые оптические элементы и системы, которые широко применятся в современных оптических и светотехнических приборах и о которых недостаточно информирован читатель. Мы постараемся восполнить этот пробел в следующей публикации.
