Основні поняття оптики

Тема 22. Геометрична оптика

Закріплення матеріалу

1.

2. Чому взимку і вночі радіоприйом кращий, ніж влітку і вдень?

3. Чому радіоприймачі погано працюють, коли машина проїжджає під естакадою або мостом?

4. Чому башти телецентру будують високими?

5. Чому при роботі на коротких хвилях виникають зони "мовчання"?

6. Чому не можна здійснити радіозв'язок між підводними човнами, що знаходяться на деякій глибині в океані?

7. Перша радіограма була передана А.С. Поповим в 1896 році на відстань 250 метрів. За скільки часу радіосигнал пройшов цю відстань?

8. За міжнародною угодою довжина електромагнітної хвилі, на якій передають сигнал лиха SOS, дорівнює 600 метрів. На якій частоті передаються такі сигнали?

Геометрична оптика (2 год.)

Мета: Ввести основні поняття геометричної оптики.

План 1. Основні поняття і закони геометричної оптики. 2. Повне внутрішнє відбивання..

Література: [1], [2], [3], [5], [6], [7], [8], [10] – основна; [1], [5] – додаткова.

Предмет вивчення оптики. Геометрична, хвильова, квантова оптика. Поняття оптики: світло, світловий промінь, електромагнітна хвиля, фотони. Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Поширення в просторі електромагнітної хвилі за Максвеллом. Шкала електромагнітних хвиль.
Оптика – це розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та його взаємодія з речовиною. Під світлом розуміють електромагнітні хвилі таких довжин, які сприймаються оком людини. Ці хвилі мають довжину від до . Такий діапазон хвиль називають видимим діапазоном. Поняття „світло” охоплює не тільки видиме світло, але й прилеглі до нього інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Сучасна оптика вивчає електромагнітні хвилі від м’якого рентгенівського випромінювання (~10^{-9 м) до радіохвиль міліметрового діапазону (}~10^{-4 м). Це можна показати за допомогою} шкали електромагнітних хвиль (мал. 1.1):

Мал. 1.1. Шкала електромагнітних хвиль
Оптику поділяють на геометричну та фізичну. Геометрична оптика – це розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світла на основі уявлень про світлові промені. Під світловим променем розуміють не вузький світловий пучок, а геометричну лінію, що вказує напрям переносу енергії світлової хвилі. Звичайно, чим більш вузьким є світловий пучок, тим легше за його допомогою встановити напрям поширення світла, тобто визначити світловий промінь. Проте реально нескінченно вузький світловий пучок створити неможливо, бо цьому заважає дифракція світла. Отже, світловий промінь не є фізичним образом, а є геометричним поняттям, тобто математичною абстракцією. Геометрична оптика являє собою засіб розв’язання більш простих задач оптики, коли метод променів дає задовільні результати. Особливо це стосується побудови зображень в оптичних системах.

Значна частина питань прикладної оптики цілком задовільно може бути дозволена за допомогою положень геометричної оптики, хоча в деяких випадках правильне розв’язання можливе лише з позицій квантової і хвильової теорії світла.

Геометричну оптику можна розглядати як граничний випадок фізичної оптики, колиl®0. Положення геометричної оптики мають чисто геометричний характер. Під світною точкою розуміють джерело випромінювання, що не має розмірів.

Рисунок 1- Гомоцентричні пучки променів.

Світловий промінь - це лінія, уздовж якої поширюється енергія випромінювання. Світловому променю у фізичній точці відповідає нормаль до поверхні світлової хвилі.

Оптичною довжиною променя називають суму добутків відстаней, послідовно прохідних променем у різних середовищах, на показники переломлення відповідних середовищ. Якщо поверхня хвилі — сфера, то всі нормалі до неї, а отже, і всі промені сходяться в одній точці, а саме в центрі сфери.

Сукупність таких променів називається гомоцентричним пучком, тобто пучком, що має загальний центр. Пучок, промені якого розходяться з загального центру, називається розбіжним гомоцентричним пучком (рис. 1, а), якщо ж промені йдуть у напрямку до центра пучка, то пучок називається що сходитися гомоцентрично (рис. 1, б). Якщо гомоцентричний пучок поширюється від світної точки, що знаходиться в нескінченності, то він буде рівнобіжним (рис. 1, в).

Центр гомоцентричного пучка, що входе в оптичну систему, називається предметною точкою, а центр гомоцентричного пучка, що вийшов з оптичної системи, називається зображенням предметної точки. Усякий предмет і його зображення в геометричній оптиці розглядаються як сукупність предметних точок і їхніх зображень.

Тому для того, щоб знайти зображення того чи іншого предмета, потрібно знайти зображення його окремих точок.

Якщо після проходження через оптичну систему пучки променів зберігають гомоцентричність, то кожній крапці предмета відповідає тільки одна точка зображення. Дві точки, одна з

Рисунок 2- Предметна точка а та її зображення.

яких є зображенням іншої, називають сполученими (рис. 2).

У геометричній оптиці зображення точки прийнято відзначати тою ж буквою, що і предмет, але зі штрихом. Це відноситься і до інших означень. Зображення, створені перетинанням самих променів, називають дійсними,а зображення, створені перетинанням їхніх геометричних продовжень,— уявними.

Дійсне зображення може бути спроектовано на екран, наприклад на фотопластинку. Уявне зображення спроектувати на екран не можна, але воно може бути розглянуто оком так само, як і дійсне зображення. Увесь простір, в якому поширюються пучки променів, можна розділити на дві частини. Простір, у якому знаходяться точки предметів, називають простором предметів. Простір, у якому розташовані зображення точок простору предметів, називають простором зображень.

Оптичною системою в геометричній оптиці називають сукупність оптичних деталей (призм, лінз, дзеркал і т.п.), призначену для формування пучків світлових променів.

Будь-яка оптична деталь обмежується поверхнею. Поверхні можуть бути плоскими, сферичними, асферичними та ін. Оптичну систему називають центрованою, якщо центри сферичних поверхонь або осі симетрії інших поверхонь лежать на одній прямій, що називають оптичною віссю.

Будь-яка площина, що містить оптичну вісь, називається меридіональною. У геометричній оптиці для оцінки відрізків і кутів використовують правила знаків (ДСТ 7427-76). За позитивний напрямок світла приймають напрямок поширення його з ліва на право. Для кожного відрізка вказується напрямок відліку.

Для визначення знаків кутів вибирають осі, від яких відраховують кути. Відрізки уздовж оптичної осі вважаються позитивними, якщо їхній напрямок збігається з позитивним напрямком світла, а негативними — при зворотному напрямку. Відрізки, перпендикулярні до оптичної осі, вважають позитивними, якщо вони розташовані над оптичною віссю, і негативними, якщо вони розташовані під віссю.

Радіуси кривизни, відрізки, що характеризують положення предметів і зображень, відраховують від вершин відповідних поверхонь. Кут вважається позитивним, якщо для опису частини площини між його сторонами вісь, від якої ведеться відлік, потрібно обертати навколо вершини кута за годинниновою стрілкою, і негативним у противному випадку.

Дата добавления: 2014-01-05