Лекция 2. 1. Природа света. Основные понятия оптики

Оптика

Лекция1

1. Природа света. Основные понятия оптики.

2. Отражение и преломление света. Закон Снеллиуса. Полное отражение.

3. Ход лучей в призме.

4. Эндоскопическая аппаратура, ее применение в клинической практике.

1. Оптика-раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерностях световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение двух с половиной столетий представление о природе света претерпело существенное изменение. В конце 17 в. Сформировались две принципиально различные точки зрения на природу света:6 корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире»-неподвижной, упругой среде, непрерывно заполняющей всю вселенную.

По современным воззрениям свет-сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некотрых явлениях(интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярными свойствами света;такие явления описываются квантовой теорией.

Таким образом, волновая (электро-магнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света.

В геометрической (лучевой) оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлеий о свете, как о совокупности световых лучей-линий, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. В геометрической оптике не учитываются волновые свойства света и связанные с ними дифракционные явления.

В различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скоростями света в вакууме. Среда, во всех токах которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной средой.

Монохроматическим будем называть свет какой-либо одной волны, или, говоря о субъективном восприятии, какого-либо одного цвета.

2.Отражкение и преломление света.Закон Снеллиуса. Полное отражение.

Плоский фронт волны ОА падает на границу раздела сред, глее он частично отражается (лучи 3 и 4), а частично преломляются. Применяя принцип Гюйгенса-Френеля, построим фронты отраженной и преломленной волн. В точку В свет приходит позднее, чем в точку О, на время

За это время из точки О(как из вторичного источника света) в первой среде успевает распространиться полусферическая волна радиусом

,

А во второй среде – полусферичекая волна радиусом

От всех остальных точек границы ОВ (кроме точки В) также распространяются вторичные полусферические волны, радиусы которых окажутся убывающими в направлении от О к В.

Огибающая всех волновых полусфер первой среды дает фронт отраженной волны ВД, а огибающая всех полусфер второй среды-фронт преломленной ВЕ.

ОАВ=ВДО (как с общей гипотенузой и катетом): ОД=r=АВНо

(1)

Закон отражения света (1): падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения; угол падения равен углу отражения

Учитывая, что , , получим

(2)

Закон преломления света (2): падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Обозначая и ,

Где с – скорость света в вакууме, n₁ и n₂ –абсолютные показатели преломления первой и второй сред, получим:

(3)

Где -относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Если свет переходит из оптически более плотной среды (n1) в оптически менее плотную среду (n₂< n₁), то согласно (3),. Поэтому при некотором угол º, т.е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя во вторую среду. Угол А называется предельным углом падения.

При свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением света

Согласно (3) (3’)

Из этих соотношений можно определить n₂₁. Это делается с помощью рефрактометра.

2. Ход лучей в призме.

Во многих приборах для преломления света используются стеклянные призмы. После двукратного преломления луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол , называемым углом отклонения. Угол -преломляющий угол призмы.

Найдем из закона преломления

;

При малых и будут также малы , и (4)

На основании о внешнем угле из ВЕД следует, что (5)

Аналогично из ВСД находим

Подставляя и из (4) и учитывая (5), после преобразований получим:

или

(6)

3. Эндоскопическая аппаратура и ее применение в клинической практике.

Эндоскопия-метод исследования полых органов и полостей тела с помощью специального прибора-эндоскопа, который вводится в организм через естественные отверстия или произведенные под наркозом небольшие разрезы.

Основными элементами эндоскопов являются: источник света, сам эндоскоп, оптическая система передачи света и изображения. Объектив эндоскопа, являющийся его основной частью, располагается на дистальном (удаленном от наблюдателя) конце. Он является своего рода приемником изображения, и от его возможностей зависит получаемая информация.

Часто так же, как в микроскопии, используются несколько микроскопических объектов с независимыми каналами передачи оптического изображения. Они могут иметь разные увеличения и углы обзора. На другом конце оптической системы располагается окуляр, через который эндоскопист проводит наблюдение. Часто в гибких системах передачи изображения предусмотрена возможность манипуляции дистальным концом эндоскопа.

В настоящее время используются два вида эндоскопов: гибкие и жесткие. Они отличаются по способу передачи изображения от объектива к окуляру.

В жестких эндоскопах передача изображения осуществляется с помощью линзовой оптики, а в гибких – посредством стекловолоконных жгутов. Жесткие эндоскопы позволяют получить лучшее качество изображения и во многих случаях не требуется их замены на гибкие.

Важную роль в развитии эндоскопической техники играет создание совершенных источников света. Раньше источник света располагался на дистальном конце эндоскопа, что было сопряжено с рядом неудобств. В первую очередь – это вероятность разрушения источника света в осматриваемой области. Второе- малая сила миниатюрных лампочек. Третье- цветовые искажения изображения, обусловленные недостаточно широким спектром их излучения.

В эндоскопах более позднего поколения источник света располагается за пределами исследуемой области. Свет от мощного источника, находящегося вне эндоскопа, передается по световолокнам на расстояние до 2 метров практически без потерь, что значительно повышает информативность метода.

Оптические волокна можно использовать для проведения во внутренние органы ультрафиолетового, инфракрасного и лазерного излучений. С помощью эндоскопов берут пробы ткани – биопсию для дальнейших лабораторных анализов, вводят лекарства, заклеивают специальным составом язвы и повреждения, так же, как в эндоскопической хирургии, расширяют суженные участки, с помощью специальной петли удаляют полипы.

Эндоскопическая хирургия- область хирургии, позволяющая выполнять радикальные операции или диагностические процедуры без широкого рассечения покровов либо через точечные проколы тканей, либо через естественные физиологические отверстия.

Примеры решения задач

1. Врач осматривает гортань пациента с помощью плоского зеркала. На сколько отклонится отраженный от зеркала световой луч при повороте зеркала на 10º?

Решение: При повороте зеркала на 10º на столько же повернется перпендикуляр, восстановленный к поверхности зеркала в точке падения светового луча. Таким образом, на 10º возрастет и угол падения луча. На столько же возрастет и угол отражения. При повороте зеркала угол между падающим и отраженным лучами возрастет с 20º до 40º, т.е. отклонение светового луча составит 20º.

2. Луч падает под углом 30 º на поверхность стекловолокна эндоскопа. Определить угол отклонения луча от первоначального направления, если показатель преломления стекловолоконного покрытия равен 1,8.

Решение: В соответствии с законом Снеллиуса для границы раздела воздух-стекловолокно можно записать.

(воздух) -показатель преломления стекловолокна.

º. Величина отклонения луча º.

Дата добавления: 2014-01-07