Введение. Элементы фотометрии и геометрической оптики

Элементы фотометрии и геометрической оптики.

Лекция №1

План лекции:

1. История развития оптики. Источники света.

2. Основные фотометрические характеристики.

3. Закон прямолинейного распространения света. Световые лучи. Принцип Ферма.

Оптика (от греч. оptike наука о зрительных восприятиях) является разделом физики, в котором изучаются процессы излучения света, его распространения в различных средах и взаимодействия с веществами.

До конца 18-го века большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона, согласно которой свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

В начале 19-го века благодаря исследованиям Т.Юнга (1801) и О.Ж.Френеля (1815) волновая теория значительно развилась и усовершенствовалась.

Томас Юнг

Томас Юнг (Young) (13.06.1773 – 10.05.1829)

Английский физик. Исследования Юнга в области оптики легли в основу его статьи «Механизм глаза» («The Mechanism of the Eye», 1800), в которой он дал объяснение природе аккомодации, астигматизма и цветового зрения. В 1801 при поддержке Б. Румфорда Юнг был назначен профессором Королевского института, где за период с 1801 по 1803 прочитал цикл лекций, изданных впоследствии под названием «Лекции по натуральной философии и механическому искусству» («Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts», 1807). Юнг – один из создателей волновой теории света. Он впервые указал на усиление и ослабление звука при наложении звуковых волн и предложил принцип суперпозиции волн. В 1801 объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию колец Ньютона. Выполнил первый эксперимент по наблюдению интерференции, получив два когерентных источника света (1802). В 1803 попытался объяснить дифракцию света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний, открыл интерференцию УФ-лучей, измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига. Он же ввел характеристику упругости – модуль растяжения и сжатия (модуль Юнга).

Огюсте́н Жан Френе́ль

(фр. Augustin-Jean Fresnel)(10.05.1788 — 14.07.1827)

Французский физик, один из создателей волновой теории света. Родился в Броли (департамент Эр) 10 мая 1788 г.. Окончил Политехническую школу (1806 г.) и Школу мостов и дорог (1809 г.) в Париже. Работал инженером, в период 100 дней — временного возвращения Наполеона из ссылки — лишился работы как участник военных действий. Впоследствии работал в Политехнической школе.

Работы Френеля посвящены физической оптике. Заинтересовавшись работами Э.Малюса, стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 г. переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Томаса Юнга несколько новых, в частности опыт с «бизеркалами Френеля». В 1816 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса — Френеля). Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 г. теорию дифракции света. Предложил способ расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 г. доказал поперечность световых волн (к этой идее он пришёл независимо от Т.Юнга). В 1823 г. установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрёл ряд интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля).

В 1823 г. Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 г. стал членом Лондонского королевского общества. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющую всю Вселенную. В основу волновой теории положен принцип Гюйгенса-Френеля, с которым вы знакомы в механике 1-го курса.

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс родился в Гааге. Отец его Константин Гюйгенс (Хёйгенс), тайный советник принцев Оранских, был замечательным литератором, получившим также хорошее научное образование.

Молодой Гюйгенс изучал право и математику в Лейденском университете, затем решил посвятить себя науке.

В 1651 году опубликовал «Рассуждения о квадратуре гиперболы, эллипса и круга».

Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан.

В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру.

В 1665 году по приглашению Кольбера поселился в Париже и был принят в число членов Академии наук. В 1666 году по предложению того же Кольбера становится её первым президентом. Гюйгенс руководил Академией 15 лет.

В 1673 году под названием «Маятниковые часы» выходит исключительно содержательный труд по кинематике ускоренного движения. Эта книга была настольной у Ньютона, который завершил начатое Галилеем и продолженное Гюйгенсом построение фундамента механики.

1681 год: в связи с намеченной отменой Нантского эдикта Гюйгенс, не желая переходить в католицизм, вернулся в Голландию, где продолжил свои научные исследования.

Напомним, что согласно Гюйгенсу:

1-е Положение – каждая точка среды, до которой дошла волна сама становится источником вторичных волн.

2-е Положение – вторичные волны взаимно гасятся во всех направлениях, кроме направления исходного фронта.

Согласно Френелю, волну, приходящую в любую точку А от первичного источника S, можно рассматривать как результат интерференции вторичных волн, приходящих в эту точку от множества элементарных вторичных источников ∆Si, некоторого волнового фронта F.

Волновая теория Гюйгенса-Юнга-Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем, эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

В 60-х годах 19-го века Д. Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля (ЭМП). Выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны (ЭМВ), носителем которых является ЭМП.

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл (13 июня 1831, Эдинбург — 5 ноября 1879, Кембридж)

Британский физик, родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).

Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847—1850), затем в Кембриджском (1850—1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).

В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа. В 1856—1860 был профессором натуральной философии Маришал-колледжа Абердинского университета. В 1858 женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришал-колледжа Даниэля Дьюара.

С 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета.

В 1865 в связи с серьёзной болезнью (оспа) Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике.

В 1871 в Кембриджском университете возглавил кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь Г. Кавендиша.

Одним из важнейших экспериментальных доказательств справедливости электромагнитной теории света послужили опыты И. Физо (1849), Ж. Фуко (1850) и А. Майкельсона (1881) – скорость света С равна скорости распространения ЭМВ (3·10⁸м/с).

Другим опытным подтверждением электромагнитной теории явились опыты П. Лебедева (1899) - измеренное им световое давление на твердые тела оказалось равным давлению ЭМВ, рассчитанному на основе теории Максвелла.

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца 19-го века.

Однако к этому времени уже накопился обширный материал, не согласующейся с волновой теорией и даже ей противоречащей.

Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэффекте и др., явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии несёт дискретный (прерывный) характер, т.е. свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно, а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик М. Планк (1900)создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а А. Эйнштейн (1905) разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (фотонов). Таким образом, в начале 20-го века возникла новая теория о природе света – квантовая теория, возродившая в какой-то мере теорию Ньютона.

Однако фотоны качественно отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью С=3·10⁸м/с (скоростью света), обладая при этом конечной массой («масса фотона» равна нулю).

В дальнейшем квантовая теория света была развита и усовершенствована за счет теоретических исследований атомных и молекулярных спектров Н. Бором (1913) Э. Шредингером (1915), П. Дираком (1930), Р. Фейнманом (1949), В. Фоком (1957) и др.

По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции, дифракции и поляризации.

Корпускулярные свойства света обнаруживаются в условиях фотоэффекта, люминесценции, атомных и молекулярных спектрах.

Дата добавления: 2014-01-20