[Регистрация открыта!] Образовательный спецпроект «Дистант 2020» Подтвердить участие→
Конкурс разработок «Пять с плюсом» октябрь 2020
Добавляйте свои материалы в библиотеку и получайте ценные подарки
Конкурс проводится с 1 октября по 31 октября

Курс лекций по физике. Часть IV. Оптика

Учебное пособие представляет собой четвертую из пяти частей курса лекций по физике по разделу «Оптика». В пособии изложены темы по основным разделам изучаемых в рамках СПО. Содержание соответствует Федеральное Государственному образовательному стандарту среднего профессионального образования. Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами всех специальностей (профессий) и всех форм обучения, так же для преподавателей.
Просмотр
содержимого документа

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное автономное профессиональное  образовательное учреждение Тюменской области

«ТОБОЛЬСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»

 

 

 

Техническое отделение

 

 

 

 

 

Алиева Р. М., Алиев И. М.  

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

 

Часть IV

 

ОПТИКА

 

 

 

 

 

 

учебное пособие для студентов

направлений программы подготовки специалистов среднего звена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тобольск

ТМТ

2018

УДК 53 ББК 22.3      К 93

 

Рецензенты:

 

У. М. Маллабоев доктор физико-математических наук, профессор кафедры Электроэнергетики

Тобольского индустриального института (филиал)

ФГБОУ ВО Тюменского индустриального университета.

 

А. К. Алексеевнина кандидат педагогических наук, доцент  кафедры Физики, математики, информатики и методик преподавания 

Тобольского педагогического института им. Д. И. Менделеева (филиал) ФГАОУ ВО Тюменского государственного университета.

 

 

К 93 Курс лекций по физике. Часть IV. Оптика: Учебное пособие. / Алиева Р. М., Алиев И. М. – Тобольск: ТМТ, 2018. – 86 с.

 

 

ISBN 978-5-6041288-4-8

 

Учебное пособие представляет собой четвертую из пяти частей курса лекций по физике по разделу «Оптика». В пособии изложены темы по основным разделам изучаемых в рамках СПО.

Содержание соответствует Федеральное Государственному образовательному стандарту среднего профессионального образования.

Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами всех специальностей (профессий) и всех форм обучения, так же для преподавателей.

 

ISBN 978-5-6041288-4-8

 

 

© Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Тюменской области

«Тобольский многопрофильный техникум», 2018

© Алиева Руфина Манзуровна,

© Алиев Ильяс Манзурович,

2018


 


Предисловие

 

Учебное пособие «Курс лекций по физике» написан в соответствии с действующими в настоящее время стандартами по дисциплине «Физика» и учебными программами, для подготовки направлений подготовки специалистов среднего звена.

Материал учебного пособия разделен на лекции. Каждая лекция имеет глоссарий и вопросы для закрепления материала.

Курс лекций по физике состоит из пяти частей.

ü    Часть I. Классическая механика.

ü    Часть II. Молекулярная физика и термодинамика.

ü    Часть III. Электричество и магнетизм. ü Часть IV. Оптика.

ü    Часть V. Физика атома и атомного ядра.

Чтобы проверить себя, студенту после внимательного изучения теории необходимо ответить на вопросы для самоконтроля после каждой лекции.

Непосредственно на лекционном занятии идѐт обсуждение материала лекции, с использованием заранее подготовленных студентами конспектов с одной стороны и презентацией лекции с другой.

Приведенные в пособии материалы будут полезны на практических занятиях по решению задач, при выполнении индивидуальных домашних заданий, при подготовке к коллоквиумам, семинарам, зачетам и экзамену.

 

ВНИМАНИЕ! ПОСОБИЕ ОБЛЕГЧАЕТ РАБОТУ СТУДЕНТУ,  НО НЕ ЗАМЕНЯЕТ САМИ ЛЕКЦИИ!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение в оптику

 

Глаз является одним из важнейших органов чувств человека, а свет, с помощью которого мы можем различать предметы, играет значительную роль в науке и технике.

Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом, а также способы генерации и регистрации света. Это широко разветвленная область исследований, взаимодействующая со многими разделами физики, например, электродинамика, квантовая механика, физика твердого тела и др. Термин оптика происходит от греческого слова «optike» – наука о зрительных восприятиях, а само это слово происходит от греческого «optos» – видимый, зримый. Учение о свете принято делить на три части:

1)           геометрическая или лучевая оптика (3 век до нашей эры (Евклид), которая, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границе сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородных средах. Наиболее важное значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов.

2)           волновая оптика (17 век Х. Гюйгенс), рассматривает свет как электромагнитные волны. Явления интерференции и дифракции света служат опытным подтверждением его волновой природы.

3)           квантовая оптика, (20 век М. Планк) изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

 

Одна из важнейших традиционных задач оптики - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости решается главным образом геометрической оптикой с привлечением физической оптики. Геометрическая оптика дает ответ на вопрос, как следует строить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах. Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов с требуемыми свойствами, а также технологию обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют оптические элементы.

 

Лекция 1. Геометрическая оптика

 

Структура лекции:

§ 1.1. Основные законы геометрической оптики.

§ 1.2. Зеркала. § 1.3. Тонкие линзы.

 

§ 1.1. Основные законы геометрической оптики План:

1.            Основные элементы геометрической оптики.

2.            Распространение света. Законы геометрической оптики

 

Одной из основных моделей геометрической оптики является световой луч. Представление о световом луче дает луч солнечного света, проникающий в темную комнату через маленькое отверстие в шторе или луч лазера. В геометрической оптике световой луч не имеет толщины и изображается линией со стрелкой, указывающей направление распространения света.

Другая модель, принятая в геометрической оптике – точечный источник света. Это любой видимый объект пренебрежимо малых размеров в условиях данной задачи.

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон независимости световых лучей: Распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга.

Закон отражения света: Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения 𝛽 равен углу падения 𝛼 (рис. 1.1.1):

𝛼 = 𝛽

 

Рис. 1.1.1. Отражение света.

Закон преломления света: Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения 𝛼 к синусу угла преломления 𝛽 есть величина, постоянная для двух данных сред (рис. 1.1.2):

 

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом[1] в 1621г.

Преломление света – изменение направления луча на границе раздела двух сред.

Постоянную величину 𝑛 называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

 

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую.

Физический смысл показателя преломления – отношение скорости распространения волн в первой среде 𝑣1 к скорости их распространения во второй среде 𝑣2:

 

 

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света 𝑐 в вакууме к скорости света 𝑣 в среде:

 

Согласно уравнениям, 𝑛21 показывает, во сколько раз меняется скорость света при его переходе из одной среды в другую, a 𝑛 – при переходе из вакуума в среду. В этом заключается физический смысл показателей преломления.

 

Рис.1.1.2. Законы отражения и преломления: 𝛾 = 𝛼; 𝑛1𝑠𝑖𝑛𝛼 = 𝑛2𝑠𝑖𝑛𝛽.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную 𝑛2 < 𝑛1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол 𝛼пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (рис. 1.1.3).

 

Рис. 1.1.3. Полное внутреннее отражение света на границе вода – воздух;  S – точечный источник света.

Для угла падения 𝛼 = 𝛼пр𝑠𝑖𝑛𝛽 = 1; значение 𝑠𝑖𝑛𝛼пр = 𝑛2/𝑛1 < 1.

Если второй средой является воздух (𝑛2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде:

 

где 𝑛=𝑛1 >1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

 

Для границы раздела стекло – воздух (𝑛 = 1,5) критический угол равен 𝛼пр = 42°, для границы вода – воздух (𝑛 = 1,33) 𝛼пр = 48,7°.

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. 

 

Рис. 1.1.4. Распространение света в волоконном световоде.

Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 1.1.4). При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность. Научно – техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

 

§ 1.2. Зеркала

План:

1.            Зеркала. Виды зеркал.

2.            Построение изображений в зеркалах.

 

Простейшим оптическим устройством, способным создавать изображение предмета, является плоское зеркало. Изображение предмета, даваемое плоским зеркалом, формируется за счет лучей, отраженных от зеркальной поверхности. Это изображение является мнимым, так как оно образуется пересечением не самих отраженных лучей, а их продолжений в «зазеркалье» (рис. 1.2.1).

 

Рис. 1.2.1. Ход лучей при отражении от плоского зеркала.

Точка S' является мнимым изображением точки S.

Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения равен размеру самого предмета.

 

Рис. 1.2.2. Ход лучей при отражении от плоского зеркала.

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называют оптическим центром зеркала. Вершину сферического сегмента называют полюсом. Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом  зеркала. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой . У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала (рис.

1.2.3).

 

Рис. 1.2.3. Отражение параллельного пучка лучей от вогнутого сферического зеркала. Точки O – оптический

центр, P – полюс, F – главный фокус зеркала; OP – главная оптическая ось, R – радиус кривизны зеркала.

Следует иметь в виду, что отраженные лучи пересекаются приблизительно в одной точке только в том случае, если падающий параллельный пучок был достаточно узким (так называемый параксиальный пучок).

Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым. Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения (рис 1.2.4).

 

Рис. 1.2.4. Отражение параллельного пучка лучей от выпуклого зеркала .F– мнимый фокус зеркала, O – оптический центр; OP – главная оптическая ось.

Фокусным расстояниям сферических зеркал приписывается определенный знак: для вогнутого зеркала , для выпуклого  где R – радиус кривизны зеркала.

Изображение какой-либо точки A предмета в сферическом зеркале можно построить с помощью любой пары стандартных лучей:

1)           Луч AOC, проходящий через оптический центр зеркала; отраженный луч COA идет по той же прямой;

2)           Луч AFD, идущий через фокус зеркала; отраженный луч идет параллельно главной оптической оси;

3)           Луч AP, падающий на зеркало в его полюсе; отраженный луч симметричен с падающим относительно главной оптической оси.

4)           Луч AE, параллельный главной оптической оси; отраженный луч EFA1 проходит через фокус зеркала.

На рис 1.2.5 перечисленные выше стандартные лучи изображены для случая вогнутого зеркала. Все эти лучи проходят через точку A', которая является изображением точки A. Все остальные отраженные лучи также проходят через точку𝐴. Ход лучей, при котором все лучи, вышедшие из одной точки, собираются в другой точке, называется стигматическим. Отрезок 𝐴𝐵 является изображением предмета 𝐴𝐵. Аналогичны построения для случая выпуклого зеркала.

Рис. 1.2.5.Построение изображения в вогнутом сферическом зеркале.

Положение изображения и его размер можно также определить с помощью формулы сферического зеркала:

 

Здесь d – расстояние от предмета до зеркала, f – расстояние от зеркала до изображения. Величины d и f подчиняются определенному правилу знаков: 1) 𝑑 > 0 и 𝑓 > 0 – для действительных предметов и изображений; 2) 𝑑 < 0 и 𝑓 < 0 – для мнимых предметов и изображений. Для случая, изображенного на рис 1.2.5, имеем:

1)           𝐹 > 0 (зеркало вогнутое);

2)           𝑑 = 3𝐹 > 0 (действительный предмет).

По формуле сферического зеркала получаем:  следовательно, изображение действительное.

Если бы на месте вогнутого зеркала стояло выпуклое зеркало с тем же по модулю фокусным расстоянием, мы получили бы следующий результат: – изображение мнимое.

Линейное увеличение сферического зеркала Γ определяется как отношение линейных размеров изображения 𝑕 и предмета 𝑕.

Величине 𝑕 удобно приписывать определенный знак в зависимости от того, является изображение прямым (𝑕> 0) или перевернутым (𝑕< 0).

Величина 𝑕 всегда считается положительной. При таком определении линейное увеличение сферического зеркала выражается формулой, которую можно легко получить из рис 1.2.5:

Г  

В первом из рассмотренных выше примеров Г – следова-

тельно, изображение перевернутое, уменьшенное в 2 раза. Во втором примере Г – изображение прямое, уменьшенное в 4 раза.

 

 § 1.3. Тонкие линзы

План:

1.              Линзы. Собирающие и рассеивающие.

2.              Построение изображений в линзах.

 

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы входят в состав практически всех оптических приборов. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше (рис. 1.3.1). Различают шесть типов линз.

 

Рис. 1.3.1. Собирающие: 1 – двояковыпуклая, 2 – плосковыпуклая, 3 – выпукло-вогнутая. Рассеивающие: 4 – двояковогнутая; 5 – плосковогнутая; 6 – вогнуто-выпуклая.

Выпуклые линзы являются собирающими. Собирающие линзы – линзы, преобразующие параллельный пучок световых лучей в сходящийся.

Вогнутые линзы являются рассеивающими. Рассеивающие линзы – линзы преобразующие параллельный пучок световых лучей в расходящийся.

Прямая, проходящая через центры кривизны 𝑂1 и 𝑂2 сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз приближенно можно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы O. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, расположенных симметрично на главной оптической оси относительно линзы. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, после прохождения через линзу также фокусируются в точку F', которая расположена при пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то есть плоскостью, перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус (рис. 1.3.2). Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием.

 

Рис. 1.3.2.Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах. Точки O1 и O2 – центры сферических поверхностей, O1O2 – главная оптическая ось, O – оптический центр, F – главный фокус, F' – побочный фокус, OF' – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость.

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными и мнимыми, увеличенными и уменьшенными (рис. 1.3.3 и 1.3.4).

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

 

Рис.1.3.3.Построение изображения в собирающей линзе.

Следует обратить внимание на то, что некоторые из стандартных лучей, использованных на рис. 1.3.3 и 1.3.4 для построения изображений, не проходят через линзу. Эти лучи реально не участвуют в образовании изображения, но они могут быть использованы для построений.

 

Рис.1.3.4.Построение изображения в рассеивающей линзе

Положение изображения и его характер (действительное или мнимое) можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы. Если расстояние от предмета до линзы обозначить через 𝑑, а расстояние от линзы до изображения через 𝑓, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

 

Величину 𝐷, обратную фокусному расстоянию называют оптической силой линзы. Единицей измерения оптической силы является диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м: 1 дптр = м–1.

Формула тонкой линзы аналогична формуле сферического зеркала. Ее можно получить для параксиальных лучей из подобия треугольников на рис. 1.3.3 или 1.3.4.

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы 𝐹 > 0, для рассеивающей 𝐹 < 0.

Величины 𝑑 и 𝑓 также подчиняются определенному правилу знаков: 𝑑 > 0 и 𝑓 > 0 – для действительных предметов (то есть реальных источников света, а не продолжений лучей, сходящихся за линзой) и изображений; 𝑑 < 0 и 𝑓 < 0 – для мнимых источников и изображений.

Для случая, изображенного на рис. 1.3.3, имеем: 𝐹 > 0 (линза собирающая), 𝑑 = 3𝐹 > 0 (действительный предмет).

По формуле тонкой линзы получим: ,следовательно, изображение действительное.

В случае, изображенном на рис. 1.3.4, 𝐹 < 0 (линза рассеивающая), 𝑑 = 2|𝐹| > 0 (действительный предмет), , то есть изображение мнимое.

В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения. 

Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета . Величине , как и в случае сферического зеркала, удобно приписывать знаки плюс или минус в зависимости от того, является изображение прямым или перевернутым. Величина  всегда считается положительной. Поэтому для прямых изображений , для перевернутых . Из подобия треугольников на рис.1.3.3 и 1.3.4 легко получить формулу для линейного увеличения тонкой линзы:

Г  

В рассмотренном примере с собирающей линзой (рис.1.3.3):

 следовательно, Г  – изображение переверну-

тое и уменьшенное в 2 раза.

В примере с рассеивающей линзой (рис.3.3.4): ,

; следовательно,  – изображение прямое и уменьшен-

ное в 3 раза.

Оптическая сила  линзы зависит как от радиусов кривизны  и  ее сферических поверхностей, так и от показателя преломления  материала, из которого изготовлена линза. В курсах оптики доказывается следующая формула:

 

Радиус кривизны выпуклой поверхности считается положительным, вогнутой – отрицательным.

Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета. Это второе изображение также может быть действительным или мнимым. Расчет оптической системы из двух тонких линз сводится к двукратному применению формулы линзы, при этом расстояние  от первого изображения до второй линзы следует положить равным величине , где  – расстояние между линзами. Рассчитанная по формуле линзы величинаопределяет положение второго изображения и его характер (– действительное изображение,  – мнимое). Общее линейное увеличение  системы из двух линз равно произведению линейных увеличений обеих линз: . Если предмет или его изображение находятся в бесконечности, то линейное увеличение утрачивает смысл.

Частным случаем является телескопический ход лучей в системе из двух линз, когда и предмет, и второе изображение находятся на бесконечно больших расстояниях.

Тонкие линзы обладают рядом недостатков, не позволяющих получать высококачественные изображения. Искажения, возникающие при формировании изображения, называются аберрациями. Главные из них – сферическая и хроматическая аберрации. Сферическая аберрация проявляется в том, что в случае широких световых пучков лучи, далекие от оптической оси, пересекают ее не в фокусе. Формула тонкой линзы справедлива только для лучей, близких к оптической оси. Изображение удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей, преломленных линзой, оказывается размытым.

Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что показатель преломления материала линзы зависит от длины волны света . Это свойство прозрачных сред называется дисперсией. Фокусное расстояние линзы оказывается различным для света с разными длинами волн, что приводит к размытию изображения при использовании немонохроматического света.

В современных оптических приборах применяются не тонкие линзы, а сложные многолинзовые системы, в которых удается приближенно устранить различные аберрации.

Формирование собирающей линзой действительного изображения предмета используется во многих оптических приборах, таких как фотоаппарат, проектор и т.д.

Фотоаппарат представляет собой замкнутую светонепроницаемую камеру. Изображение фотографируемых предметов создается на фотопленке системой линз, которая называется объективом. Специальный затвор позволяет открывать объектив на время экспозиции.

 

Рис. 1.3.5. Фотоаппарат.

В плоскости фотопленки получаются резкими только изображения предметов, находящихся на определенном расстоянии. Наведение на резкость достигается перемещением объектива относительно пленки. Изображения точек, не лежащих в плоскости резкого наведения, получаются размытыми в виде кружков рассеяния. Размер 𝑑 этих кружков может быть уменьшен путем диафрагмирования объектива, т.е. уменьшения относительного отверстия 𝑎/𝐹 (рис. 1.3.5). Это приводит к увеличению глубины резкости.

Проекционный аппарат предназначен для получения крупномасштабных изображений. Объектив O проектора фокусирует изображение плоского предмета (диапозитив D) на удаленном экране Э (рис.1.3.6). Система линз K, называемая конденсором, предназначена для того, чтобы сконцентрировать свет источника S на диапозитиве. На экране Э создается действительное увеличенное перевернутое изображение. Увеличение проекционного аппарата можно менять, приближая или удаляя экран Э с одновременным изменением расстояния между диапозитивом D и объективом O.

Рис. 1.3.6. Проекционный аппарат.

 

Вопросы для закрепления материала

На тему «Геометрическая оптика»

 

1)           Что значит изображение мнимое.

2)           Какой физический смысл абсолютного показателя преломления?

3)           Какой физический смысл относительного показателя преломления?

4)           Где применяется явление полного отражения?

5)           В чем заключается явление полного отражения света?

6)           От чего зависит оптическая сила линзы?

7)           Что такое увеличение линзы?

8)           При каком условии выпуклая линза будет рассеивающей?

9)           Как изменится изображение в выпуклой линзе, если предмет перемещать из бесконечности к линзе?

10)       Как проходит фокальная плоскость для приосевых лучей?

11)       Постройте изображение в выпуклом зеркале.

12)       Постройте изображение в вогнутом зеркале.

13)       На выпуклое зеркало произвольно падает луч. Постройте дальнейший ход луча.

14)       На вогнутое зеркало произвольно падает луч. Постройте дальнейший ход луча.

15)       Что называется главной оптической осью зеркала?

 

 

 

 

 

 


Приложение Таблица № 1.

Множители и приставки в СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц

Наименование  приставки

Обозначение приставки

Множитель

Наименование  множителя

экса

Э 

1 000 000 000 000 000 000=1018

квинтиллион

пета

П

1 000 000 000 000 000=1015

квадриллион

тера

Т 

1 000 000 000 000=1012

триллион

гига

Г 

1 000 000 000=109

миллиард

мега

М 

1 000 000=106

миллион

кило

к

1000=103

тысяча

гекто

г

100=102

сто

дека

да

10=101

десять

деци

д

0,1=10-1

одна десятая

санти

с

0,01=10-2

одна сотая

милли

м

0,001=10-3

одна тысячная

микро

мк

0,000001=10-6

одна миллионная

нано

н

0,000000001=10-9

одна миллиардная

пико

п

0,000000000001=10-12

одна триллионная

фемто

ф

0,000000000000001=10-15

одна квадриллионная

атто

а

0,000000000000000001=10-18

одна квинтиллионнная

 

Таблица № 2. Греческий алфавит

Буквы

Название

Буквы

Название

Буквы

Название

альфа

𝛪

йота

𝛲

ро

бета

𝛫

каппа

𝛴

сигма

𝛤, 𝛾

гамма

𝛬

лямбда

𝛵, 𝜏

тау

𝛥, 𝛿

дельта

𝛭

мю

𝛶, 𝜐

ипсилон

𝛦

эпсилон

𝛮

ню

𝛷, 𝜑

фи

𝛧

дзэта

𝛯

кси

𝛸, 𝜒

хи

𝛨

эта

𝛰

омикрон

𝛹, 𝜓

пси

𝛩

тэта

𝛱

пи

𝛺, 𝜔

омега

 

Таблица № 3.

Градусная мера углов

0°

30°

45°

60°

90°

120°

135°

150°

180°

0

 

6

 

4

 

3

 

2

 

 

 

 

210°

225°

240°

270°

300°

315°

330°

360°

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Таблица № 4.

Значение тригонометрических функций некоторых углов

𝜶

0°

30°

45°

60°

90°

120°

180°

270°

360°

𝒔𝒊𝒏𝜶

0

 

 

 

1

 

0

-1

0

𝒄𝒐𝒔𝜶

1

 

 

 

0

 

-1

0

1

𝒕𝒈𝜶

0

 

1

 3

− 3

0

0

𝒄𝒕𝒈𝜶

 3

1

 

0

 

0

 

Таблица № 5 Показатель преломления n

Вещество

n

Вещество

n

Алмаз

2,42

Спипидар

1,47

Рубин

1,76

Глицерин

1,47

Слюда

1,58

Стекло

1,47

Сахар

1,56

Ацетон

1,36

Бензол

1,5

Спирт

1,36

Органическое стекло

1,5

Эфир

1,35

Кварц

1,54

Вода

1,33

Соль

1,54

Лед

1,31

Касторовое масло

1,48

Воздух

1

 

Таблица № 6 Видимый свет

Цвет

Диапазон длин волн, нм

Диапазон частот, ТГц

Диапазон энергии фотонов, эВ

Фиолетовый

380 – 440

680 – 790

2,82 – 3,26

Синий 

440 – 485

620 – 680

2,56 – 2,82

Голубой 

485 – 500

600 – 620

2,48 – 2,56

Зеленый 

500 – 565

530 – 600

2,19 – 2,48 

Желтый 

565 – 590 

510 – 530 

2,10 – 2,19

Оранжевый

590 – 652 

480 – 510 

1,98 – 2,10 

Красный 

625 – 740 

400 – 480 

1,68 – 1,98 

 

Таблица № 7.

Примерные значения освещенности в различных случаях, лк

 

В помещении вблизи окна в яркий солнечный день

1000

В помещении вблизи окна в пасмурный день

100

На экране кинотеатра

50 – 100

В полночь ленинградской белой ночи

1

Ночью от полной Луны

1,25

 

 

Таблица № 8. Крупнейший в мире зеркальный телескоп

Диаметр зеркала телескопа, м

6

Фокусное расстояние зеркала, м

24

Толщина зеркала, мм

650

Масса зеркала, т

42

Толщина алюминиевого слоя, нанесенного на отражающую поверхность зеркала, мкм

 

0,1

Температурный коэффициент линейного расширения оптического стекла, из которого изготовлено зеркало, −1

 

0,000003

Время, в течение которого охлаждалась отлитая из стекла заготовка зеркала

 

2 года

Масса трубы телескопа, т 

280

Масса телескопа, т

850

Высота телескопа, м

42

Год введения телескопа в эксплуатацию

1974

Место установки телескопа:

Специальной астрофизической обсерватории (САО) на горе Семиродники у подножия горы Пастухова (2733 м) близ посѐлка Нижний Архыз Зеленчукского района Карачаево-Черкесской Республики, РФ, на высоте 2070 м над уровнем моря.

 

Таблица № 9. Излучение Солнца

Мощность излучения Солнца, Вт

3,86×1026

Ежесекундное уменьшение масса Солнца вследствии излучения, кг

 

Мощность излучения Солнца падающего на Землю, Вт

Солнечная постоянная*, Вт/м2

≈1400

Диапазоны длин волн солнечного излучения, пропускаемые на Землю атмосферой

0,29÷24 мкм

Глубина проникновения красных лучей через кожные покровы и мыщцы человека, см

Глубина проникновения ультрафиолетовых лучей через кожные покровы человека, мм

0,2÷0,5

* Солнечной постоянной называют количество энергии Солнца, падающей в течении 1 с на площадь 1 м2, поставленную на границе атмосферы перпендикулярно к солнечным лучам.

 

Таблица № 10

Красная граница фотоэффекта, нм

Вещество

нм

Вещество

нм

Барий

484

Рубидий

573

Вольфрам

272

Серебро

260

Калий

550

Сурьма

310

Литий

500

Сурьмяно-цезиевый катод

670

Медь

270

Цезий

620

Ртуть

260

Цинк

290

 

Таблица № 11.

Работа выхода электрона

Вещество

Работа выхода электрона

Вещество

Работа выхода электрона

10−19 Дж

эВ

10−19 Дж

эВ

Барий

3,8

2,4

Никель

7,2

4,5

Вольфрам

7,2

4,5

Платина

8,5

5,3

Германий

7,7

4,8

Рубидий

3,5

2,2

Золото

6,9

4,3

Серебро

6,9

4,3

Кальций

4,5

2,8

Торий

5,4

3,4

Молибден

6,9

4,3

Цезий

2,9

1,8

 

Таблица № 12.

Сила света некоторых источников (средние значение)

Источник света

Сила света, кд

Солнце

Военный прожектор

Морской маяк

Осветительная бомба

Электрическая дуга

Фара автомобиля «Волга» дальний свет ближний свет

 

Фара велосипеда

Лампа накаливания мощность 60 Вт

Керосиновая лампа фонаря

Лампочка карманного фонаря

0,5÷3

Светлячок

0,01÷0,001

* Прожектор силой света 1 – 2 млрд кд создает ночью на расстояние 5 км освещенность примерно 15 – 20 лк

 

Таблица № 13. Определение скорости света

Год

Автор

Метод измерения

Значение, км/с

1676

Ремер

Затмение спутника Юпитера

214 000

1726

Брадлей

Абберация звезд

301 000

1849

Физо

Зубчатое колесо

315 000

1862

Фуко

Вращающее зеркало

298 000

1872

Корню

Зубчатое колесо

298 500

1878

Майкельсон

Вращающее зеркало

300 140

1880

Столетов

Электрический метод

298 000

1882

Майкельсон

Вращающее зеркало

299 853

1926

Майкельсон

-

299 796

1941

Бердж

Анализ итогов восьми измерений

299 776

1949

Фрум

Радиоинтерферометр

299 792,5

1952

Картошов

Интерферометр

299 788

1972

Ивенсон 

Лазер

299 792,456

Таблица № 14 «Физика» человека (оптические параметры)

 

Длительность сохранения глазом возникшего зрительного ощущения, с

0,14

Диаметр глазного яблока взрослого человека, мм

24 – 25

Расстояние между зрачками глаз («база глаз») у взрослого человека, мм

54 – 72 мм

Толщина склеры, мм

0,4 – 1,0

Толщина сосудистой оболочки, мм

до 0,35

Толщина сетчатки, мм

0, – 0,4

Диаметр хрусталика, мм

8 – 10 

Наибольшая толщина хрусталика, мм 

3,7 – 4,0

Показатель преломления хрусталика

1,4

Фокусное расстояние хрусталика, мм

70

Оптическая сила хрусталика (у молодых людей), дптр

1933

Показатель преломления водянистой и студенистой влаги

1,34

Давление прозрачной жидкости, заполняющий глаз (внутриглазное давление), кПа (мм.рт.ст.)

104 (780)

Диаметр зрачка, мм

 

при больших (дневных) освещенностях

2 – 3 

при малых освещенностях (0,01 лк)

6 – 8

Размеры слепого пятна (форма овальная), мм

1,5 – 2,0 

Число палочек в сетчатке глаза, млн

130

Число колбочек в сетчатке глаза, млн

7

Длина волны света, к которой глаз наиболее чувствителен, нм

555        (желто-

зеленые лучи)

Оптическая сила всего глаза, дптр

60

Поле зрения неподвижного глаза

 

по горизонтали

ок. 160 

по вертикали

ок. 130

Минимальный размер изображения предмета на сетчатке, при котором точки предмета воспринимаются раздельно, мм

0,002

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебное пособие

 

 

Алиева Руфина Манзуровна

 

Алиев Ильяс Манзурович  

 

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

 

Часть IV

 

ОПТИКА

 

 

 

 

 

 

учебное пособие для студентов

направлений программы подготовки специалистов среднего звена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60×84 1/16 Тираж 3 экз. Заказ № 015

_____________________________________________________________________________

Отпечатано в типографии «Принт-Экспресс»

626150, г. Тобольск, ТРЦ «Жемчужина Сибири», цоколь

Тел.: 8-961-782-07-49 www.print-tob.ru



[1] Виллеброрд Снелл (1580 – 1626) – голландский математик, физик и астроном.

Информация о публикации
Загружено: 14 марта
Просмотров: 6275
Скачиваний: 58
Алиев Ильяс Манзурович
Физика, СУЗ, Уроки
Скачать материал