Предмет оптики

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ гуманитарный УНИВЕРСИТЕТ

Редкин Ю.Н.

Курс

Физики

Часть 4. Оптика

Киров - 2003

Конспект лекций по курсу физики (Часть 4. Оптика) для студентов высших и средних учебных заведений.

Автор:

кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики ВятГГУ Редкин Ю.Н.

Научный редактор:

кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики ВятГГУ Бакулин В.Н.

Рецензенты:

кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры общей физики ВятГГУ Голубев Ю.В.,

кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры физики ВГУ Суслопаров А.М.

Компьютерный набор: Кабалин А., Лямин С., Шатунов П.

Компьютерная верстка - Бакулин В.Н.

© Вятский государственный гуманитарный университет (ВятГГУ) – 2003г.

Глава 1. Предмет оптики. Световые измерения

Литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 4. Оптика. Учебное пособие для студентов ВУЗов. – М.: Наука, 1980. – 751с.

2. Лансберг Г.С. Общий курс физики. Оптика. Учебное пособие для студентов ВУЗов. – М.: Наука, 1976. – 926с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. Учебное пособие для студентов ВУЗов. – М.: Наука, 1988. – 496с.

Предмет оптики

1. Оптика – это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных (ЭМ) волн. Вначале оптика (от греч. opto’s - зримый) изучала лишь видимый человеческим глазом свет. К настоящему времени установлено, что видимый глазом человека свет есть узкая область в спектре ЭМ волн с длинами l от 390 до 780 нм.

Явления и закономерности, наблюдающиеся в области видимого света, присущи всем ЭМ волнам в целом. Поэтому предмет оптики составляет сейчас не только видимый свет, но и невидимые глазом инфракрасные (ИК), ультрафиолетовые (УФ) и рентгеновские (Х) лучи.

Вся эта область ЭМ волн излучается атомами и молекулами. Поэтому исследование природы света привело к изучению природы излучателей – атомов и молекул. В силу этого оптика тесно связана с проблемой строения вещества – с физикой атома и атомного ядра.

2. Световая волна. В ЭМ теории свет рассматривается как процесс распространения ЭМ волны в пространстве. Из электродинамики известно, что плоская, то есть распространяющаяся в одном направлении ЭМ волна описывается системой двух уравнений:

. (1.1)

Здесь v – фазовая скорость волны, она находится из уравнений Максвелла:

, (1.2)

где e и m – диэлектрическая и магнитная проницаемость среды.

Система этих двух уравнений описывает изменение векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей так называемой бегущей гармонической линейно поляризованной волны. Такая волна в однородной среде строго периодична в пространстве и во времени и называется монохроматической.

Векторы и синфазны, перпендикулярны по отношению друг к другу и образуют с вектором скорости распространения волны правую тройку (рис.1). В линейно поляризо-ванной волне направление колебаний векторов и в любой точке пространства не зависит от времени.

3. Световой вектор. ЭМ волны распространяются с малым затуханием лишь в диэлектрических средах. Так как с веществом диэлектрика взаимодействует заметно лишь электрическое поле волны, то при изучении взаимодействия ЭМ волн друг с другом и с веществом достаточно рассматривать лишь электрическую компоненту , которая называется в такой модели световым вектором.

4. Оптический спектр включает в себя 4 диапазона:

инфракрасную (ИК) область, 2 мм > l > 740 нм,

видимую область, 780 нм > l > 390 нм,

ультрафиолетовую (УФ) область, 390 нм > l > 10 нм,

рентгеновскую (Х) область, 10 нм > l > 0,01 нм.

Регистрируется излучение по-разному в зависимости от диапазона. ИК лучи изучаются с помощью термостолбиков и болометров, измеряющих их энергию. Невидимые ИК изображения преобразуются в видимые с помощью электронно-оптических преобразователей - ЭОПов.

Видимый свет изучается с помощью глаза, фотоэмульсий и фотоэлементов. УФ и Х лучи регистрируют с помощью люминесцентных экранов, фотоэмульсий и фотоэлементов.

5. Модели оптики. Их две: волновая и корпускулярная.

Волновая модель вначале уподобляла свет механическому процессу распространения упругих волн в некой деформирующейся среде – эфире. После Максвелла и Герца на смену эфирным волнам пришли электромагнитные, способные распространятся как в средах, так и в вакууме.

Корпускулярная модель вначале уподобляла свет потоку механических частиц, а после Планка и Эйнштейна – потоку квантов (порций) энергии электромагнитного поля. В 1929 году эти кванты видимого света назвали фотонами. Поэтому поздний вариант корпускулярной модели называют фотонной теорией света.

Любая модель лучше работает в каком-то определенном диапазоне условий. Одни оптические явления лучше (проще, полнее, точнее) описываются в рамках волновой (интерференция, дифракция, поляризация), другие – в рамках корпускулярной (фотоэффект).