Око як оптична система

ПЛАН

1 Електромагнітне поле.

2 Електромагнітні хвилі.

3 Відкриття електромагнітних хвиль.

4 Властивості електромагнітних хвиль.

5 Перший радіоприймач О. Попова.

6 Блок-схема радіозв’язку. Радіопередавач.

7 Детекторний радіоприймач.

8 Радіолокація.

1 ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ. Аналізуючи явища електромагнітної індукції, Максвелл в 1864 р. зробив висновок про те, що змінне магнітне поле збуджує вихрове електричне поле і висунув цікаву гіпотезу, що так само змінне електричне поле збуджує вихрове магнітне поле. Він припустив, що ці поля — прояв єдиного електромагнітного поля. А оскільки зміна одного з них породжує друге, то процес, що розпочався, неперервно продовжуючись, захоплює все нові ділянки оточуючого простору.

Ці поля мають вихровий характер: силові лінії поля, яке породжує, концентрично охоплені силовими лініями поля, яке породжується. Внаслідок цього утворюється система «переплетених» між собою електричних і магнітних полів. Зображення на рисунку є ніби моментальним знімком цього поля. Пряма лінія Е₀ зображує первинне змінне електричне поле, кола В в горизонтальній площині — вторинні змінні магнітні поля, а кола Е у вертикальній площині — вторинні змінні електричні поля.

Енергія електромагнітного поля дорівнює сумі енергій електричного і магнітного полів: . Густина енергіь електромагнітного поля відповідно дорівнює сумі густин енергій електричного і магнітного полів:

2 ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ — поширення в просторі коливань змінного електромагнітного поля. З теорії Максвелла випливає, що електромагнітні хвилі — поперечні: вектори Е і В завжди перпендикулярні один до одного і до напряму поширення хвилі. Крім того, вектори Е і В коливаються в однакових фазах, одночасно досягають максимуму, одночасно перетворюються в нуль. Швидкість поширення електромагнітних хвиль — величина скінченна:

3 ВІДКРИТТЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ. Теоретично передбачені Максвеллом електромагнітні хвилі були вперше експериментальне отримані в 1888р. Герцем. Для їх випромінювання він запропонував використати коливальний контур. Але звичайний коливальний контур (який можна назвати закритим) не здатний випромінювати електромагнітні хвилі. Для перетворення такого контуру відкритий, збільшення частоти коливань і тим самим підвищення інтенсивності електромагнітного випромінювання, Герц розсунув пластини конденсатора, зменшивши індуктивність і ємність контуру

Нарешті, він отримав прямолінійний провідник з іскровим проміжком посередині. У цьому контурі (вібраторі Герца) змінне електричне поле вже не було зосереджене всередині конденсатора, а оточувало вібратор ззовні, що істотно підвищувало інтенсивність електромагнітного випромінювання, яке Герц реєстрував за допомогою другого вібратора, настроєного в резонанс з випромінювачем.

Коли електромагнітні хвилі досягали його, у ньому виникали електромагнітні коливання, які супроводились проскакуванням іскри через іскровий проміжок. Виявлення електромагнітних хвиль свідчило про те, що вони переносять енергію.

4 ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

1. Відбиваються від металів (сферичний чи параболічний екран їх фокусує).

2. На межі діелектриків заломлюються (що можна використати для керування їх потоком за допомогою лінз).

3. Мають різну швидкість у різних середовищах. У середовищі швидкість у разів менша, ніж у вакуум.

4. Інтерферують при накладанні (можуть утворювати стоячі хвилі між двома металевими поверхнями).

5. Поглинаються с ередовищем.

5 ПЕРШИЙ РАДІОПРИЙМАЧ О. ПОПОВА. Ідею використання електромагнітних хвиль для передавання сигналів на великі відстані вперше висловив у 1889 р. Попов. Він у 1895 р. збудував і продемонстрував у дії перший радіоприймач, який працює на релейній схемі: дуже мала енергія електромагнітних хвиль за допомогою спеціального пристрою когерера — використовувалась для керування електродзвінком.

Когерер — це тонка скляна трубочка з шаром свіжих не заіржавілих часточок заліза. Вкриті тонкою діелектричною плівкою окису заліза, часточки погано проводять струм. У момент надходження електромагнітних хвиль на антену A приймача, виникає електричне поле, яке пробиває надтонку плівку, утворюючи провідні містки. Когерер К, замикаючи коло батареї Б, дає можливість струму проходити через обмотку реле Р, яке притягує якір Я, замикаючи контакт С реле. Якір, замикаючи контакт, дає струму можливість проходити через обмотку електромагніту Е. Вона притягує якір — пластинку П з молоточком, який ударяє по чашечці дзвінка. Чути звук. Одночасно з цим розрив контакту М позбавляє струму обмотку Е. Молоточок падає на когерер, струшуючи ошурки, їх опір зростає. Струм в обмотці реле не проходить. Приймач знову готовий до прийняття електромагнітних хвиль.

6 БЛОК-СХЕМА РАДІОЗВ’ЯЗКУ. ПРИНЦИП РАДІОЗВ’ЯЗКУ. РАДІОЛОКАЦІЯ

Генератор незатухаючих коливань виробляє високочастотні коливання. Звукові коливання за допомогою мікрофона перетворюються в електричні коливання, їх накладають на допоміжні (несучі) високочастотні коливання. В результаті амплітуда (або частота) високочастотного сигналу виявляється зміненою відповідно до амплітуди (частоти) звукових коливань. Потім модульовані коливання підсилюються і за допомогою антени випромінюються. В антені приймача виникають модульовані високочастотні струми, які збуджують високочастотні модульовані коливання в приймальному коливальному контурі. Його настроюють у резонанс з передавачем. Прийнятий сигнал потрапляє в каскади високочастотних підсилювачів, де підсилюється. За допомогою детектора коливання демодулюють, тобто виділяють низькочастотний (звуковий) сигнал, який підсилюється в низькочастотних підсилювачах і потім потрапляє в гучномовець.

РАДІОПЕРЕДАВАЧ. Основою сучасного радіопередавача є генератор незатухаючих коливань. Якщо передавач випромінює незатухаючу синусоїдну хвилю, то в приймальній антені реєструються гармонічні коливання, які не несуть жодної інформації. Щоб передавати які-небудь сигнали, мовлення, музику, треба змінювати характер високочастотних коливань, наприклад, амплітуду. Цей процес називають модуляцією. Наприклад, при телеграфній модуляції випромінювання перериваються за допомогою ключа, тобто посилаються короткі (крапка) і довгі (тире) сигнали — азбука Морзе.

Щоб можна було передавати звукові коливання, в коло генератора незатухаючих коливань вмикають мікрофон. Під дією звукових хвиль, які падають на мікрофон із звуковою частотою, змінюється опір мікрофона, а отже, і струм у первинній обмотці трансформатора. Це веде до виникнення змінної ЕРС у вторинній обмотці, тобто на базу транзистора подається змінна напруга звукової частоти. Амплітуда високочастотних коливань, які генеруються в колі колектора, змінюються разом з низькочастотною напругою на базі, а отже, також змінюється інтенсивність радіохвиль, що їх випромінює антена. Поки звуку немає, деякий постійний струм проходить по колу мікрофона. Якщо виникають звукові коливання, струм у колі мікрофона змінюється. Тоді амплітуда високочастотних коливань також змінюється за законом звукових коливань. Це явище називають амплітудною модуляцією.

7 ДЕТЕКТОРНИЙ РАДІОПРИЙМАЧ — пристрій, який працює за рахунок енергії електромагнітної хвилі. У найпростішому (детекторному) радіоприймачі, схему якого показано на рисунку, відбувається зворотний процес. Антена приймає усі радіохвилі, а коливальний контур приймача через електричний резонанс виділяє коливання лише певної частоти. Використовуючи односторонню провідність діода зрізають половину коливань, утворюючи пульсуючий змінний струм. Для посилення ефективної дії цього струму використовується фільтр, яким є конденсатор великої ємності. Він під’єднується паралельно до котушки телефона. Коли діод закритий, конденсатор розряджаючись, підтримує незмінним напрям струму через телефон. Внаслідок інертності звуковідтворюючого пристрою невеликі пульсації високої частоти не впливають помітно на коливання мембрани і не сприймаються на слух. Тому відтворений телефоном звук збігається зі звуком, що діяв на мембрану мікрофона.

8 РАДІОЛОКАЦІЯ — це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них, а також їх розмірів та швидкості за допомогою радіохвиль.

В основі радіолокації лежить явище відбивання ультракоротких хвиль від предметів, розташованих на їхньому шляху. У радіолокаторах (радарах) сигнали передаються і приймаються однією й тією ж антеною. Антена радіолокатора, що створює гостронапрямлене випромінювання, працює в імпульсному режимі. Протягом мільйонних часток секунди вона випромінює сигнал, а в проміжках між ними (що дорівнюють тисячним часткам секунди) приймає відбиті від предметів дуже слабкі сигнали. Для фіксації сигналів і одержання при їх допомозі панорамної картини використовують електронно-променеву трубку.

РОЗВИТОК УЯВЛЕНЬ ПРО ПРИРОДУ СВІТЛА. ВІДБИВАННЯ СВІТЛА. ЗАЛОМЛЕННЯ світла

План

1 Методи визначення швидкості світла.

2 Поширення світла.

3 Закони відбивання світла.

4 Закони заломлення світла.

5 Повне внутрішнє відбивання.

6 Проходження світла крізь призми.

7 Лінзи та їх характеристики.

8 Оптичні прилади та їх застосування.

1 МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ СВІТЛА.

1) Г. Галілей (1607 р.), італ. із.., астр; — висунув ідею,

2) О. Ремер (1676р.), дат. Астр. — вперше наближено визначив швидкість світла.

3) І. Фізо (1849 р.), франц. із.. (вперше в земних умовах).

4) А. Майкельсон (1926р.), амер. із.. (точність вимірювання не пере-вищена протягом 40 наступних років).

2 ПОШИРЕННЯ СВІТЛА. Геометрична оптика — це розділ оптики, який вивчає процеси поширення світла, виходячи з уявлень про світловий промінь. Світловий промінь — ідеалізований, дуже вузький пучок світла. Напрям світлового променя вказує на поширення світлового пучка. Світлові промені поширюються незалежно один від одного.

Середовище є оптично однорідним, якщо абсолютний показник заломлення – не змінюється.

Абсолютний показник заломлення – безрозмірна фізична величина, яка показує у скільки разів швидкість світла у вакуумі більше, ніж у іншому середовищі.

Закон прямолінійного поширення світла: у вакуумі і в однорідно оптичному середовищі світло поширюється прямолінійно. Дає змогу визначити область тіні і напівтіні від джерела світла.

У випадку, коли утворення тіні небажане (при хірургічних операціях), освітлення ведуть з кількох сторін багатьма джерелами світла. Навпаки, вдале освітлення прожекторами архітектурних споруд, пам’ятників, скульптур підкреслює утвореною тінню їхню красу і неповторність. Закон прямолінійності поширення світла використовується в будівельних та геодезичних роботах.

Порушення прямолінійності поширення світла спостерігається на межі двох середовищ, проходженні малих отворів чи огинанні малих перешкод.

3 ЗАКОН ВІДБИВАННЯ СВІТЛА.

Падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр встановлений до межі поділу двох середовищ, в точку падіння променя, лежать в одній площині, при цьому кут падіння дорівнює куту відбивання.

Якщо при відбиванні паралельність променів не зберігається, то відбувається розсіювання світла, яке називається дифузним. (Завдяки цьому ми бачимо написи на папері під будь-яким кутом зору).

В жарких країнах повітря у поверхні Землі більш розрідженим, ніж на більших висотах, тому показник заломлення збільшується з висотою (в холодних країнах навпаки), тому при різкій зміні може виникнути « МІРАЖ », « МАРЕВО » обумовлені повним внутрішнім відбиванням променів.

4 ЗАКОН ЗАЛОМЛЕННЯ СВІТЛА. Переходячи з одного прозорого середовища в інше прозоре середовище, промінь змінює напрям поширення (заломлюється). Якщо світло переходить з оптично менш густого середовища в оптично більш густе, то кут заломлення менший від кута падіння і навпаки.

Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, встановлений до межі поділу двох середовищ, в точку падіння променя, лежать в одній площині, при цьому відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величиною сталою для двох середовищ і називається відносним показником заломлення 2-го середовища до 1-го середовища.

де - абсолютний показник заломлення.

Явище заломлення світла — чи не найбільш поширене (після відбивання) оптичне явище у природі. Ми помиляємось у визначенні глибини водойм, бачимо предмети у воді та небесні тіла не там, де вони насправді розташовані, міраж — все це приклади «оптичного обману» внаслідок заломлення світла.

5 ПОВНЕ ВНУТРІШНЄ ВІДБИВАННЯ. Якщо перше середовище оптично густіше за друге, то при поступовому збільшенні а заломлений промінь, «опускаючись», наближається до межі поділу середовищ. При деякому значенні (граничний кут) заломлення немає, промінь ковзає по поверхні поділу середовищ. При світловий промінь повертає у середовище 1, тобто відбува­ється тільки відбивання світла всередину першого середовища. Явище використовується у поворотних і оборотних призмах і має велике застосування у світловодах.

6 ПРОХОДЖЕННЯ СВІТЛА КРІЗЬ ПРИЗМИ

1. Проходячи через паралельні грані призми, промінь змішується на відстань , але зберігає напрям поширення.

2. Проходячи через трикутну призму при відсутності повного відбивання промінь відхиляється до основи.

Приклади проходження світла через трикутну призму при повному внутрішньому відбиванні:

1. Поворотна призма (Поворот променів на 90°)

2. Двічі поворотна призма (Поворот променів на 180°)

3. Оборотна призма (Зміна порядку ходу променів)

7 ЛІНЗИ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Лінза — прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями. (одна з поверхонь може бути плоскою).

Розрізняють такі лінзи як показано на рис.: а - двовипукла, б - плоско-опукла, в - двоввігнута, г - плоско-ввігнута, д - опукло-ввігнута, е - схематичне зображення збиральної та розсіювальної лінз.

е)

а) двовипукла б) плоско-опукла в) двоввігнута г) плоско- ввігнута д) опукло-вігнута

Якщо товщина лінзи значна і менша від радіуса її кривизни, то таку лінзу називають тонкою. Якщо паралельний пучок променів, що падають на поверхню лінзи, лінза збирає в одній точці (фокусі), то її називають збиральною (рис. 6.16).

Якщо ж паралельний пучок променів, який падає на лінзу, лінза розсіює, то її називають розсіювальною (рис. 6.17).

Після проходження такої лінзи паралельні промені рівномірно розходяться так, що їх продовження перетинаються в уявній точці - фокусі. У збиральній лінзі фокус буде дійсним, а в розсіювальній - уявним.

Центр лінзи називають оптичним центром. Пряма лінія, яка проходить через обидва фокуси лінзи і її центр. перпендикулярно до площини лінзи, називають головною оптичною віссю, а будь-яка інша пряма, яка проходить через центр лінзи - побічною віссю. Дві площини, паралельні головній площині з обох боків лінзи, які проходять через фокуси, називають фокальними площинами. Точки перетину побічних осей з ними називають побічними фокусами. У цих точках збігаються паралельні промені (для розсіювальних лінз - їх продовження після проходження лінзи), що утворюють паралельний до даної побічної осі пучок променів.

Відстань від фокуса до оптичного центра називають фокусною відстанню лінзи (F). Фокусна відстань збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної - від'ємною. Величину, обернену до фокусної відстані, називають оптичною силою лінзи D.

У системі СІ оптичну силу лінзи вимірюють в діоптріях

[D] = 1/м = 1 дптр.

Оптична сила лінзи дорівнює одній діоптрії, якщо її фокусна відстань дорівнює одному метру. Головна цінність лінзи полягає в тому, що а її допомогою можна отримати зображення предметів, які можуть світитись самі чи світяться відбитим світлом.

Формула тонкої лінзи:

Побудуйте самостійно.

8 ОПТИЧНІ ПРИЛАДИ ТА ЇХ ЗА ТОСУВАННЯ.

9 ОКО ЯК ОПТИЧНА СИСТЕМА.

СВІТЛО ЯК ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ХВИЛЯ. ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА. ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА.

Дата добавления: 2014-10-23