Оптическая сила линзы. Недостатки линз

Оптическая сила линзы – величина, обратная её фокусному расстоянию (D = 1/F).

Единица оптической силы в СИ: 1 дптр (диоптрия) = 1 м^-1.

Оптическая сила собирающей линзы положительна по знаку, рассеивающей – отрицательна.

Формула для расчета оптической силы системы из нескольких линз, прилегающих вплотную друг к другу: D = D₁ + D₂ +... + D_n, где D₁, D₂,..., D_n – оптическая сила линз (взятая с учетом знака), n – количество линз в системе.

Основные недостатки (аберрации) линз:

1. сферическая аберрация (линза большого диаметра дает изображение точечного источника не в виде точки, а в виде расплывчатого светлого пятнышка);

2. астигматизм (неточечность изображения) (возникает при падении на линзу пучков лучей, составляющих с главной оптической осью линзы значительные углы);

3. хроматическая аберрация (лучи разного цвета (белый свет представляет собой совокупность семи цветов от красного до фиолетового) в пучке белого света от точечного источника дадут изображения в разных точках);

4. аберрация дисторсии (нарушение подобия между предметом и его изображением).

Волновая оптика

Волновая природа света. Скорость света. Состав света. Дисперсия, спектры, спектроскоп. Объяснение цветов тел. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Спектральный анализ. Поляризация света.

Физическая (волновая) оптика – раздел физики, в котором изучаются классические законы излучения, законы распространения света во времени и его взаимодействие с веществом.

Свет – поперечная электромагнитная волна. Свет в любой среде и в вакууме распространяется с конечной скоростью.

Методы измерения скорости света: 1) астрономический (Рёмер,1676 г.); 2) лабораторный (Физо, 1849 г.; Майкельсон, 1878 – 1882 гг, 1924 – 1926 гг).

В вакууме скорость света составляет с = 3·10⁸ м/с.

В прозрачных средах скорость света уменьшается по сравнению со скоростью в вакууме в n раз, где n – абсолютный показатель преломления среды.

Состав света: совокупность электромагнитных волн, лежащих в диапазоне длин волн от 780 нм (красный цвет) до 400 нм (фиолетовый цвет).

Монохроматический свет – свет одной определенной длины волны (частоты).

Дисперсия – явление зависимости абсолютного показателя преломления света от частоты колебаний (длины волны). Скорость электромагнитных волн в веществе зависит от их частоты (длины волны).

В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью (т.е. явление дисперсии отсутствует).

Нормальная дисперсия – явление возрастания абсолютного показателя преломления света с ростом его частоты (уменьшением длины волны).

Явление дисперсии приводит к разложению белого света на составные части при прохождении через вещество (классический опыт И. Ньютона по разложению белого света при прохождении сквозь стеклянную трехгранную призму).

Спектр – радужная полоска, состоящая из семи цветов (красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового).

Спектроскоп – один из спектральных приборов, служащий для визуального изучения спектров.

Устройство призменного спектроскопа: 1) коллиматор (труба, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, в которую поступает исследуемое излучение, а на другом – собирающая линза); 2) трехгранная стеклянная призма; 3) зрительная труба.

Спектрограф – прибор для изучения спектров, позволяющий производить фотографирование спектра.

Объяснение цветов тел:

1) световой поток, падающий на тела, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом.

2) коэффициенты отражения, пропускания и поглощения зависят от частоты (длины волны света).

Если у какого-либо тела для зеленого цвета коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, а для красного цвета, наоборот, то тело будет казаться красным в отраженном свете и зеленым в проходящем.

Черное непрозрачное тело – тело, у которого для всех лучей поглощение велико, а отражение и пропускание малó.

Снег и бумага кажутся белыми потому, что для всех лучей коэффициент отражения света этими телами велик, а коэффициенты пропускания и поглощения малы.

Инфракрасное (тепловое) излучение – излучение, испускаемое всеми нагретыми телами. Длины волн инфракрасного излучения превышают длину волны красного цвета.

Инфракрасное излучение применяют: 1) для сушки лакокрасочных покрытий, овощей, фруктов и т. д.; 2) в приборах ночного видения.

Ультрафиолетовое излучение – излучение с длиной волны, мéньшей, чем у фиолетового цвета.

Свойства ультрафиолетового излучения: 1) вызывает свечение экрана, покрытого люминесцирующим веществом; 2) высокая химическая активность; 3) действие на фотобумагу и фотопластинку; 4) разрушительное действие на сетчатку глаза и кожу; 5) бактерицидное действие.

Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру.

Естественный (неполяризированный) свет – свет, излучаемый обычным (нелазерным) источником.

Поляризация света – совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность электромагнитных волн.

В естественном свете векторы и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света.

Линейно поляризованный свет – свет, у которого ориентация векторов и в любой точке пространства остаются неизменными с течением времени.

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через вектор и нормаль к фронту линейно поляризованной волны.

Поляризатор – устройство, которое преобразуют естественный свет в поляризованный.

Когерентные колебания. Интерференция. Методы получения интерференционной картины от одного источника света. Интерференция в тонких пленках. Расчет интерференционной картины от двух когерентных источников (опыт Юнга). Практическое применение интерференции

Когерентные колебания – колебания одинаковой частоты, имеющие постоянную (неизменную) по времени разность фаз.

Интерференция – явление наложения когерентных световых волн, приводящее к перераспределению светового потока в пространстве, в результате чего в одних точках пространства возникают максимумы, а в других – минимумы интенсивности.

Методы получения интерференционной картины от одного источника света: 1) метод Юнга; 2) зеркала Френеля; 3) бипризма Френеля; 4) зеркало Ллойда; 5) кольца Ньютона.

Оптическая длина пути L – произведение геометрической длины пути S светового луча на абсолютный показатель преломления среды n, в которой свет распространяется (L = = nS).

Оптическая разность хода – разность оптических длин пути двух лучей (Δ = L₂ – L₁ = = n₂S₂ – n₁S₁).

При отражении светового луча от оптически более плотной среды возникает дополнительная разность хода в половину длины волны света в вакууме (Δ_доп.= λ₀/2).

Условие максимума в интерференционной картине: оптическая разность хода двух лучей должна равняться целому числу длин волн в вакууме (Δ = kλ₀, где ).

Условие минимума в интерференционной картине: оптическая разность хода двух лучей должна равняться нечетному числу полуволн в вакууме (,где ).

Объяснение интерференции в тонких пленках в отраженном свете: 1) возникновение оптической разности хода двух лучей (луча, отраженного от верхней поверхности пленки и луча, прошедшего через пленку до ее нижней поверхности, отразившегося от нее и вышедшего в воздух через верхнюю поверхность); 2) возникновение максимума интенсивности света в случае, если оптическая разность хода этих лучей равна целому числу волн в вакууме; 3) возникновение минимума интенсивности света в случае, если оптическая разность хода этих лучей равна нечетному числу длин полуволн в вакууме.

Формула для расчета оптической разности хода двух указанных выше лучей:

,где h – толщина пленки, n – абсолютный показатель преломления пленки, – угол падения световых лучей на пленку, – длина волны света в вакууме.

Условия максимума и минимума зависят от угла падения световых лучей на пленку, абсолютного показателя преломления пленки, ее толщины и длины волны света в вакууме.

Формула для расчета удаления h_k на экране максимума k – го порядка от нулевого максимума (h_k = АО), а также расстояния Δh между соседними максимумами в интерференционной картине от двух когерентных источников света (опыт Юнга):

; , где λ – длина волны света, d – расстояние между источниками S₁ и S₂, D – расстояние от источников до экрана (рис. 54).

Применение интерференции: 1) просветление оптики; 2) интерференционный метод контроля качества обработки поверхностей; 3) определение метра в длинах световых волн; 4) измерение (с помощью интерферометра) коэффициентов линейного расширения твердых тел, а также изменение размеров ферромагнетиков в магнитном поле или сегнетоэлектриков в электрическом поле; 5) измерение (с помощью интерферометра) коэффициентов преломления веществ; 6) измерение угловых диаметров звезд (в астрономии).

5.2.3. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракционные картины от различных препятствий (тонкая проволочка, круглое отверстие, круглый экран). Разрешающая сила оптических приборов и её связь с дифракцией. Дифракционная решетка, условие наблюдения максимума освещенности экрана

Дифракция света – явление огибания препятствий световыми волнами.

Условие наблюдения дифракции: ,где ℓ – расстояние от препятствия, на котором наблюдается дифракция, D – линейный размер препятствия, λ – длина волны.

Принцип Гюйгенса – Френеля: 1) все вторичные источники волны, расположенные на поверхности фронта, когерентны между собой; 2) амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Дифракционная картина от тонкой проволочки представляет собой светлую полосу в средней части и чередующиеся темные и светлые полосы слева и справа от нее. Светлая полоса в средней части картины объясняется тем, что оптическая разность хода световых волн, приходящих в эти точки, равна нулю, т.е. волны приходят с одинаковой фазой. Чередование светлых и темных полос при удалении от средней части картины есть результат соответствующей оптической разности хода волн, пришедших в эти точки (четное или нечетное число полуволн).

Дифракционная картина от круглого отверстия представляет собой систему из чередующихся светлых и темных концентрических колец. В центре картины будет либо светлое, либо темное пятно.

Дифракционная картина от круглого экрана (круглого диска) представляет собой систему из чередующихся светлых и темных концентрических колец. В центре картины помещается светлое пятно.