Реферат: Оптика

Содержание:

Ø

Историяразвития оптики.

Ø

Основныеположения корпускулярной теории Ньютона.

Ø

Основныеположения волновой теории Гюйгенса.

Ø

Взгляды наприроду света в XIX – XX столетия.

Ø

Основныеположения волновой теории Френеля.

Ø

Основныеположения оптики.

Ø

Волновыесвойства света и геометрической оптики.

Ø

Глаз какоптическая система.

Ø

Спектроскоп.

Ø

Оптический измерительный прибор.

Ø

Заключение.

Ø

Список использованной литературы.История развития оптики.

Оптика –учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. Ипочти вся ее история – это история поиска ответа: что такое свет?

Однаиз первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческимфилософом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что изглаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создаютвидимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученыедревности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительныхлучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил законотражения.

Вте же годы были открыты следующие факты:

–прямолинейность распространения света;

–явление отражения света и закон отражения;

–явление преломления света;

–фокусирующее действие вогнутого зеркала.

Древниегреки положили начало отрасли оптики, получившей позднее названиегеометрической.

Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей донас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занималсяизучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света влинзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечнойскоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным

шагомв понимании природы света.

В эпохуВозрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; сталутверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познанияокружающего мира.

Набазе многочисленных опытных фактов в середине XVIIвека возникают две гипотезы о природе световых явлений:

–корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых сбольшой скоростью светящимися телами;

–волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательныедвижения особой светоносной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частицсветящегося тела.

Вседальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней – это история развитияи борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.

Основныеположения корпускулярной теории Ньютона:

1)Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях попрямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если этилучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник(рис. 1).

Рис. 1

2) Световые корпускулы имеют разные размеры.Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самыемелкие – фиолетового.

3)Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой,синий, фиолетовый.

4)Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул отстенки по закону абсолютного упругого удара (рис. 2).

5) Явлениепреломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицамисреды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения.

6) Явлениедисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом.Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются черезмежпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белогосвета. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление,пройдя через призму. С точки зрения механической теории, преломления обязаносилам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силыразличны для разных корпускул. Они наибольшие для фиолетового и наименьшие длякрасного цвета. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломлятьсяпо- своему, поэтому белый сложный луч расщепится на цветные составляющие лучи.

7)Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу отом, что лучи света обладают «различными сторонами» – особымсвойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождениидвоякопреломляющего тела.

Корпускулярнаятеория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известныев то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах.

Основныеположения волновой теории света Гюйгенса.

1)Свет – это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсыпродольны и похожи на импульсы звука в воздухе.

2)Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежуткимежду частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения,обладает большой упругостью.

3)Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которойдоходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффектнаблюдается только там, где проходит их огибающая

Рис.3.

поверхность– фронт волны (принцип Гюйгенса) (рис.3).

Чемдальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится.

Световыеволны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения.

Оченьважным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скоростираспространения света. Используя свой принцип, ученому удалось объяснить многиеявления геометрической оптики:

–явление отражения света и его законы;

–явление преломления света и его законы;

–явление полного внутреннего отражения;

–явление двойного лучепреломления;

–принцип независимости световых лучей.

ТеорияГюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды:

Изформулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально отабсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающемуиз теории Ньютона. Невысокий уровень экспериментальной техники XVIIвека исключал возможность установить, какая из теорийверна.

Многиесомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонниковволновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследованийэтих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не простоапериодических колебаний, распространяющихся в эфире.

Взгляды на природу света в

XIX-XX столетиях.

В1801 году Т. Юнг выполнил эксперимент, который изумил ученых мира (рис.4)

<img src="/cache/referats/11938/image026.gif" v:shapes="_x0000_s1581">Рис. 4.

S– источник света;

Э– экран;

Ви С – очень узкие щели, отстоящие друг от друга на 1-2 мм.

Потеории Ньютона на экране должны появиться две светлые полоски, на самом делепоявились несколько светлых и темных полос, а прямо против промежутка междущелями В и С появилась светлая линия Р. Опыт показал, что свет явлениеволновое. Юнг развил теорию Гюйгенса представлениями о колебаниях частиц, очастоте колебаний. Он сформулировал принцип интерференции, основываясь накотором, объяснил явление дифракции, интерференции и цвета тонких пластинок.

Французскийфизик Френель соединил принцип волновых движений Гюйгенса и принципинтерференции Юнга. На этой основе разработал строгую математическую теориюдифракции. Френель сумел объяснить все оптические явления, известные в товремя.

Основные положения волновой теории Френеля.

–Свет – распространение колебаний в эфире со скоростью <img src="/cache/referats/11938/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> r

–плотность эфира;

–Световые волны являются поперечными;

–Световой эфир обладает свойствами упруго-твердого тела, абсолютно несжимаем.

Припереходе из одной среды в другую упругость эфира не меняется, но меняется егоплотность. Относительный показатель преломления вещества <img src="/cache/referats/11938/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1028">.

Поперечныеколебания могут происходить одновременно по всем направлениям, перпендикулярнымнаправлению распространению волны.

РаботаФренеля завоевала признание ученых. Вскоре появился целый ряд экспериментальныхи теоретических работ, подтверждающих волновую природу света.

Всередине XIXвека началиобнаруживаться факты, указывающие на связь оптических и электрических явлений.В 1846 г. М. Фарадей наблюдал вращения плоскостей поляризации света в телах,помещенных в магнитное поле. Фарадей ввел представление об электрическом имагнитном полях, как о своеобразных наложениях в эфире. Появился новый«электромагнитный эфир». Первым на эти взгляды обратил вниманиеанглийский физик Максвел. Он развил эти представления и построил теориюэлектромагнитного поля.

Электромагнитнаятеория света не зачеркнула механическую теорию Гюйгенса- Юнга- Френеля, апоставила ее на новый уровень. В 1900 г. немецкий физик Планк выдвинул гипотезуо квантовом характере излучения. Суть ее состояла в следующем:

–излучение света носит дискретный характер;

–поглощение происходит тоже дискретно-порциями, квантами.

Энергиякаждого кванта представляется по формуле E=hn

, где h– постоянная Планка, а n– это частота света.

Черезпять лет после Планка вышла работа немецкого физика Эйнштейна о фотоэффекте.Эйнштейн считал:

–свет, еще не вступивший во взаимодействие с веществом, имеет зернистуюструктуру;

–структурным элементом дискретного светового излучения является фотон.

В1913 г. датский физик Н. Бор опубликовал теорию атома, в которой объединилтеорию квантов Планка-Эйнштейна с картиной ядерного строения атома.

Такимобразом, появилась новая квантовая теория света, родившаяся на базекорпускулярной теории Ньютона. В роли корпускулы выступает квант.

Основные положения.

– Свет испускается, распространяется и поглощаетсядискретными порциями – квантами.

–Квант света – фотон несет энергию, пропорциональную частоте той волны, спомощью которой он описывается электромагнитной теорией E=hn

–Фотон, имеет массу (<img src="/cache/referats/11938/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/11938/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> и момент количествадвижения (<img src="/cache/referats/11938/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

–Фотон, как частица, существует только в движении скорость которого – этоскорость распространения света в данной среде.

–При всех взаимодействиях, в которых участвует фотон, справедливы общие законысохранения энергии и импульса.

–Электрон в атоме может находиться только в некоторых дискретных устойчивыхстационарных состояниях. Находясь в стационарных состояниях, атом не излучаетэнергию.

–При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает (поглощает)фотон с частотой <img src="/cache/referats/11938/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1032">Е1 и Е2 – энергииначального и конечного состояния).

Свозникновением квантовой теории выяснилось, что корпускулярные и волновыесвойства являются лишь двумя сторонами, двумя взаимосвязанными проявлениямисущности света. Они не отражают диалектическое единство дискретности иконтинуальности материи, выражающейся в одновременном проявлении волновых икорпускулярных свойств. Один и тот же процесс излучения может быть описан, какс помощью математического аппарата для волн, распространяющихся в пространствеи во времени, так и с помощью статистических методов предсказания появлениячастиц в данном месте и в данное время. Обе эти модели могут быть использованыодновременно, и в зависимости от условий предпочтение отдается одной из них.

Достиженияпоследних лет в области оптики оказались возможными благодаря развитию, какквантовой физики, так и волновой оптики. В наши дни теория света продолжаетразвиваться.

Волновые свойства света игеометрическая оптика.

Оптика– раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также еговзаимодействие с веществом.

Простейшиеоптические явления, например возникновение теней и получение изображений воптических приборах, могут быть понятны в рамках геометрической оптики, котораяоперирует понятием отдельных световых лучей, подчиняющихся известным законампреломления и отражения и независимых друг от друга. Для понимания болеесложных явлений нужна физическая оптика, рассматривающая эти явления в связи сфизической природой света. Физическая оптика позволяет вывести все законы геометрической оптики и установитьграницы их применимости. Без знания этих границ формальное применение законовгеометрической оптики может в конкретных случаях привести к результатам, противоречащимнаблюдаемым явлениям. Поэтому нельзя ограничиваться формальным построениемгеометрической оптики, а необходимо смотреть на нее как на раздел физическойоптики.

Понятиесветового луча можно получить из рассмотрения реального светового пучка воднородной среде, из которого при помощи диафрагмы выделяется узкийпараллельный пучок. Чем меньше диаметр этих отверстий, тем уже выделяемыйпучок, и в пределе, переходя к отверстиям сколь угодно малым, можно казалось быполучить световой луч как прямую линию. Но подобный процесс выделения скольугодно узкого пучка (луча) невозможен вследствие явления дифракции.Неизбежное угловое расширение реальногосветового пучка, пропущенного через диафрагму диаметра D, определяется углом дифракции j

~l/D. Только в предельном случае, когда l=0,подобное расширение не имело бы места, и можно было бы говорить о луче как огеометрической линии, направление которой определяет направлениераспространения световой энергии.

Такимобразом, световой луч – это абстрактное математическое понятие, агеометрическая оптика является приближенным предельным случаем, в которыйпереходит волновая оптика, когда длина световой волны стремится к нулю.

Глаз как оптическая система.

Органом зрения человека являютсяглаза, которые во многих отношениях представляют собой весьма совершеннуюоптическую систему.

Рис.6. Строение человеческого глаза

хрусталик

сетчатка

Сосудистая оболочка

Радужная оболочка

склера

роговица

<img src="/cache/referats/11938/image041.gif" v:shapes="_x0000_s1686 _x0000_s1687 _x0000_s1688 _x0000_s1689 _x0000_s1690 _x0000_s1691 _x0000_s1692 _x0000_s1693 _x0000_s1694 _x0000_s1695 _x0000_s1696 _x0000_s1697 _x0000_s1698 _x0000_s1699 _x0000_s1700 _x0000_s1701 _x0000_s1702">В целомглаз человека— это шарообразное телодиаметром около2,5 см, которое называютглазным яблоком (рис.5). Непрозрачную ипрочную внешнюю оболочку глаза называют склерой, а ее прозрачную и болеевыпуклую переднюю часть— роговицей.С внутренней стороны склера покрытасосудистойоболочкой, состоящей изкровеносных сосудов, питающих глаз. Против роговицы сосудистая оболочка переходитв радужную оболочку, неодинаково окрашенную у различных людей, которая отделенаот роговицы камерой с прозрачной водянистой массой.

В радужной оболочке имеется круглоеотверстие, называемое зрачком, диаметр которого может изменяться. Таким образом,радужная оболочка играет роль диафрагмы, регулирующей доступ света в глаз. Приярком освещении зрачок уменьшается, а при слабом освещении— увеличивается. Внутри глазного яблока за радужнойоболочкой расположен хрусталик, который представляет собой двояковыпуклуюлинзу из прозрачного вещества с показателем преломления около1,4. Хрусталик окаймляет кольцевая мышца,которая может изменять кривизну его поверхностей, а значит, и его оптическуюсилу.

Сосудистаяоболочка с внутренней стороны глаза покрыта разветвлениями светочувствительногонерва, особенно густыми напротив зрачка. Эти разветвления образуют сетчатуюоболочку, на которой получается действительное изображение предметов,создаваемое оптической системой глаза. Пространство между сетчаткой и хрусталикомзаполнено прозрачным стекловидным телом, имеющим студенистое строение.Изображение предметов на сетчатке глаза получается перевернутое. Однакодеятельность мозга, получающего сигналы от светочувствительного нерва,позволяет нам видеть все предметы в натуральных положениях.

Когдакольцевая мышца глаза расслаблена, то изображение далеких предметов получаетсяна сетчатке. Вообще устройство глаза таково, что человек может видеть безнапряжения предметы, расположенные не ближе 6 метра от глаза. Изображение болееблизких предметов в этом случае получается за сетчаткой глаза. Для полученияотчетливого изображения такого предмета кольцевая мышца сжимает хрусталик всёсильнее до тех пор, пока изображениепредмета не окажется на сетчатке, а затем удерживает хрусталик в сжатом состоянии.

Такимобразом, «наводка на фокус» глаза человека осуществляется изменением оптическойсилы хрусталика с помощью кольцевой мышцы. Способность оптической системы глазасоздавать отчетливые изображения предметов, находящих на различных расстоянияхот него, называют аккомодацией ( от латинского «аккомодацио» – приспособление).При рассматривании очень далёких предметов в глаз попадают параллельные лучи. Вэтом случае говорят, что глаз аккомодирован на бесконечность.

Аккомодацияглаза не бесконечна. С помощью кольцевой мышцы оптическая сила глаза можетувеличиваться не больше чем на 12 диоптрий. При долгом рассматривании близкихпредметов глаз устает, а кольцевая мышца начинает расслабляться и изображениепредмета расплывается.

Глазачеловека позволяют хорошо видеть предметы не только при дневном освещении.Способность глаза приспосабливаться к различной степени раздражения окончанийсветочувствительного нерва на сетчатке глаза, т.е. к различной степени яркостинаблюдаемых объектов называют адаптацией.

Сведение зрительных осей глаз наопределенной точке называется конвергенцией. Когда предметы расположены назначительном расстоянии от человека, то при пере воде глаз с одного предмета на другой между осямиглаз практически не изменяется, и человек теряет способность правильноопределять положение предмета. Когда предметы находятся очень далеко, то осиглаз располагаются параллельно, и человек не может даже определить, движетсяпредмет или нет, на который он смотрит. Некоторую роль в определении положениятел играет и усилие кольцевой мышцы, которая сжимает хрусталик прирассматривании предметов, расположенных недалеко от человека. Спектроскоп.

Длянаблюдения спектров пользуются спектроскопом.

Наиболеераспространенный призматический спектроскоп состоит из двух труб, междукоторыми помещают трехгранную призму (рис. 7).

Рис. 7. Спектроскоп.

В трубе А,называемой коллиматором имеется узкая щель, ширину которой можно регулироватьповоротом винта. Перед щелью помещается источник света, спектр которого необходимоисследовать. Щель располагается в плоскости коллиматора, и поэтому световыелучи из коллиматора выходят в виде параллельного пучка. Пройдя через призму,световые лучи направляются в трубу В, через которую наблюдают спектр. Еслиспектроскоп предназначен для измерений, то на изображение спектра с помощьюспециального устройства накладывается изображение шкалы с делениями, чтопозволяет точно установить положение цветовых линий в спектре.

Оптический измерительный прибор.

Оптическийизмерительный прибор — средство измерения, в котором визирование (совмещениеграниц контролируемого предмета с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определениеразмера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия.Различают три группы оптических измерительных приборов: приборы с оптическимпринципом визирования и механическим способом отчета перемещения; приборы соптическим способом визирования и отчета перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измерительнымприбором, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.

Изприборов первой распространение получили проекторы для измерения и контролядеталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры.

Наиболеераспространенный прибор второй — универсальный измерительный микроскоп, вкотором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головноймикроскоп — на поперечной.

Приборытретьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с меркамиили шкалами. Их объединяют обычно под общим названием компараторы. К этойгруппе приборов относятся оптиметр (оптикатор, измерительная машина, контактныйинтерферометр, оптический дальномер и др.).

Оптическиеизмерительные приборы также широко распространены в геодезии (нивелир, теодолит и др.).

Теодолит- геодезический инструмент для определения направлений и измерениягоризонтальных и вертикальных углов при геодезических работах,топографической и маркшейдерскихсъемках, в строительстве и т.п.

Нивелир- геодезический инструмент для измерения превышений точек земной поверхности — нивелирования, а также для задания горизонтальных направлений при монтажных ит.п. работах.

Внавигации широко распространён секстант — угломерный зеркально-отражательныйинструмент для измерения высот небесных светил над горизонтом или углов междувидимыми предметами с целью определения координат места наблюдателя. Важнейшаяособенность секстанта — возможность совмещения в поле зрения наблюдателяодновременно двух предметов, между которыми измеряется угол, что позволяетпользоваться секстантом на самолёте и на корабле без заметного сниженияточности даже во время качки.

Перспективнымнаправлением в разработке новых типов оптических измерительных приборовявляется оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющимиупростить отсчет показаний и визирования, и т.п.

Заключение.

Практическое значение оптики и её влияние на другиеотрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопаоткрыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящихв необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии.Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Однимиз важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бымикроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т.п. небыло бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишенывозможности читать и выполнять многие работы, связанные со зрением.

Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьмаобширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми вдругих разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболеетонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительноговремени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованияхи развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основныефизические теории прошлого столетия — теория относительности и теория квантов — зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеровоткрыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложенияхв различных отраслях науки и техники.

Московский комитет образования

Всемирный О

RТМосковскийтехнологический колледж

Кафедра естественных наук

Итоговая работа по физике

На тему

:

Выполнила студентка 14 группы:Рязанцева Оксана

Преподаватель:

Груздева Л.Н.

Москва 2001

год.
Список литературы.