Краткие теоретические сведения. Рабочая тетрадь по Оптике

Рабочая тетрадь по Оптике

Методические указания

к лабораторным работам по физике

для студентов 2-го курса технических специальностей

всех форм обучения

Ростов-на-Дону

Составители:

кандидат физико-математических наук, доцент В.А. Ваган

кандидат педагогических наук, доцент И.И. Джужук

УДК 537.8

Дается необходимый теоретический материал, порядок выполнения работ и контрольные вопросы.

Предназначены для студентов 2-го курса технических специальностей всех форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета академии

Краткие теоретические сведения

Свет ¾ это электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим зрением. Граница диапазона этих волн варьируется в пределах 380 — 760 нм (нм = 10^-9 м).

Геометрическая оптика ¾ раздел оптики, в котором изучают законы распространения света на основе представления о световых лучах.

Световой луч ¾ линия, вдоль которой распространяется поток световой энергии.

Абсолютный показатель преломления n показывает, во сколько раз скорость света в вакууме с больше скорости света в данной среде v:

n = c / v.

Изображение точки называется действительным, если в этой точке пересекаются лучи светового потока и мнимым, если в ней пересекаются продолжения этих лучей.

Линза ¾ прозрачное тело, ограниченное с одной или двух сторон сферическими поверхностями.

Оптический центр линзы ¾ точка, проходя через которую, лучи не изменяют своего направления.

Главная оптическая ось линзы ¾ прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы и ее оптический центр.

Главный фокус линзы F ¾ точка, в которой пересекаются лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси (рис. 1).

Фокусным расстоянием f называется расстояние от главного фокуса линзы F до оптического центра О (рис. 1).

	Рис. 1

Для построения изображения в линзе используют ход двух лучей:

Ø один луч проходит без преломления через оптический центр линзы;

Ø второй луч, падая параллельно главной оптической оси, проходит после преломления через главный фокус линзы (рис. 2).

	Рис. 2

Формула линзы:

где a ¾ расстояние от предмета до линзы; b ¾ расстояние от линзы до изображения; f ¾ фокусное расстояние.

Интерференцией волн называется явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате сложения двух или нескольких когерентных волн.

Когерентные волны ¾ волны, имеющие одинаковую частоту и независящую от времени разность фаз.

Результат интерференции света от двух когерентных источников зависит от оптической разности хода волн:

D = (l ₂ – l ₁) n,

где (l ₂ – l ₁) ¾ разность расстояний от источников до точки наблюдения; n ¾ показатель преломления среды.

Если на оптической разности хода укладывается целое число длин волн, то в точке наблюдения будет максимум интерференции:

D = m l, где m = 0, ±1, ±2, ±3, …

Если оптическая разность хода волн равна нечетному числу полудлин волн, то в точке наблюдения будет минимум интерференции:

D = (2 m + 1)l/2, где m = 0, ±1, ±2, ±3, …

Дифракцией называется явление непрямолинейного распространения света, огибание им краев препятствий и проникновение в область геометрической тени.

Природа и основные качественные закономерности дифракции света могут быть установлены с помощью двух принципов: Гюйгенса и Френеля.

Принцип Гюйгенса: каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые распространяются с постоянной для данной среды скоростью.

Принцип Френеля: вторичные источники волн являются когерентными и, следовательно, интерферируют друг с другом.

Зоны Френеля: для упрощения расчетов интерференции от вторичных источников Френель предложил разбивать фронт волны на зоны таким образом, чтобы волны от соседних зон приходили в точку наблюдения в противофазе и, следовательно, ослабляли друг друга. Если волновой фронт разбивается на четное число зон Френеля, в точке наблюдения будет минимум, а если нечетное ¾ максимум.

Дифракционная решетка представляет собой, в простейшем случае, совокупность периодически повторяющихся щелей. Основными характеристиками дифракционной решетки являются постоянная (период) решетки и ее разрешающая способность.

Постоянная решетки ¾ это расстояние d, равное сумме ширины щели и непрозрачной полосы.

Разрешающая способность R определяется условием, по которому две близкие монохроматические волны с длинами l₁ и l₂ разрешены (т. е. системы дифракционных максимумов, связанных с каждой из этих волн, видны на экране раздельно).

В естественном свете вектор напряженности электрического поля меняет свое направление.

В поляризованном свете вектор напряженности электрического поля упорядочен определенным образом.

Поляроид — устройство для поляризации света.

Закон Малюса: интенсивность I света, прошедшего поляризатор,

I = I ₀ cos² Q,

где Q ¾ угол между осью поляроида и плоскостью поляризации падающей волны; I ₀ ¾ интенсивность падающего линейно-поляризованного света.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием падающего на него света.

Законы фотоэффекта:

1. Число электронов, вырываемых в единицу времени, пропорционально мощности падающего излучения.

2. Скорость вырванных электронов (фотоэлектронов) растет с увеличением частоты поглощаемого света.

3. Фотоэффект начинается только при облучении светом с частотой , где n_кр ¾ красная граница фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Падающий на вещество фотон (частица света) отдает свою энергию h n электрону, которая расходуется на вырывание электрона из вещества А _вых и на сообщение ему кинетической энергии

Работа выхода А _вых ¾ минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для вырывания его из вещества; h ¾ постоянная Планка.

Вакуумный фотоэлемент ¾ устройство, в основе которого лежит явление внешнего фотоэффекта. Представляет собой вакуумный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри светочувствительным слоем, служащим катодом. Если на катод направить пучок света и создать между катодом и анодом разность потенциалов, то в цепи фотоэлемента возникнет ток (фототок). Он зависит от светового потока и от разности потенциалов между катодом и анодом.

Тепловое излучение ¾ электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.

Абсолютно черное тело (АЧТ) ¾ тело, которое при любой температуре полностью поглощает весь падающий на него поток излучения независимо от длины волны. Моделью абсолютно черного тела является почти замкнутый сосуд с малым отверстием и непрозрачными стенками, имеющими одинаковую температуру во всех точках. Луч, попавший в сосуд через отверстие, после многократных отражений поглощается стенками сосуда (рис. 3)

	Рис. 3

Энергетическая светимость тела R ¾ это энергия, излучаемая в единицу времени единичной площадью поверхности тела.

Закон Стефана—Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела R^* пропорциональна абсолютной температуре тела в четвертой степени

,

где s =5,6∙10^–8 Вт/(м² ×К⁴) ¾ постоянная Больцмана.