7,Оптика (Вырезки из учебников)

6–26–31Геометрическая оптикаОптика — раздел физики, который изучает природу света, световыеявления и взаимодействие света с веществом.Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, ипоэтому оптика является частью общего учения об электромагнитном поле.В зависимости от круга рассматриваемых явлений оптику делят нагеометрическую(лучевую),волновую(физическую),квантовую(корпускулярную).1. Основные законы геометрической оптики.Еще до установления природы света были известны следующие законы:Закон прямолинейного распространения света — свет в оптическиоднородной среде распространяется прямолинейно.Световой луч — линия, вдоль которой переносится световая энергия.

Воднородной среде лучи света представляют собой прямые линии.Закон независимости световых пучков — эффект, производимыйотдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальныепучки или они устранены.IIIЗакон отражения — отраженный лучлежит в одной плоскости с падающим лучом иi1 i'1перпендикуляром, проведенным к границе ПадающийОтраженныйраздела двух сред в точке падения; угол 1 лучлучотражения i1′ равен углу падения i1 :2i1′ = i1Преломленныйлучi2Закон преломления — луч падающий,IIIлучпреломленныйиперпендикуляр,проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в однойплоскости; отношение синуса угла падения к синусу углаsin i1преломления есть величина постоянная для данных сред,= n21sin i2где n21 — относительный показатель преломленияnвторой среды относительно первой, который равенn21 = 2отношению абсолютных показателей преломления двухn1сред.Следовательно, закон преломления будет иметь вид:n1 sin i1 = n2 sin i2Абсолютным показателем преломления средыcназывается величина n , равная отношению скоростиn=электромагнитных волн в вакууме c к их фазовой скоростиυυ в среде.На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов ифотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах иустройствах управления и автоматизации различных процессов, пультахдистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронныхумножителей и солнечных батарей.Существование фотонов было продемонстрировано в опыте Боте.

Тонкая металлическаяфольга Ф, расположенная между двумя счетчикамиСч, под действием жесткого облучения испускаларентгеновские лучи. Если бы излучаемая энергияраспространялась равномерно во все стороны, какэто следует из волновых представлений, то обасчетчика должны были бы срабатывать одновременно, и на движущейся ленте Л появлялись бысинхронные отметки маркерами М. В действительности же расположение отметок было беспорядочным. Следовательно, вотдельных актах испускания рождаются световые частицы (фотоны), летящието в одном, то в другом направлении.46. Масса и импульс фотона.

Единство корпускулярных и волновыхсвойств света.22 42 22Используя соотношения E = m0 c + pγ c ; ε 0 = mγ c ; m0 = 0 , получаемвыражения для энергии, массы и импульса фотонаε 0 = hνmγ =hνc2pγ =E hν h==λccЭтисоотношениясвязываютквантовые(корпускулярные)характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновойхарактеристикой света — его частотой.Свет обладает одновременно волновыми свойствами, которые проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции,поляризации, и корпускулярными, которые проявляются в процессахвзаимодействия света с веществом (испускания, поглощения, рассеяния).47.

Давление света.Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, долженоказывать на него давление.Пусть поток монохроматического излучения частоты ν падает перпендикулярно поверхности. Если за 1с на 1м2 поверхности тела падает N фотонов,то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности тела отразится ρNфотонов, а (1 − ρ ) N фотонов — поглотится. Каждый поглощенный фотонПоскольку υ = c εµ , то n = εµ , где ε и µ —соответственно электрическая и магнитная проницаемость среды.передает поверхности импульс pγ , а каждый отраженный фотон —2.

Полное отражение.Если свет распространяется из среды с бóльшим показателем преломленияn1 (оптически более плотной) в среду с мéньшим показателем преломленияповерхности за 1с N фотонов:Давлениесветанаповерхностьравноимпульсу,который2 pγ .передают2 hνhνhνρN +(1 − ρ ) N = (1 + ρ )NcccЭнергетическая освещенность поверхности: Nhν = Ee (энергия всехp=n2 (оптически менее плотную) (n1 > n2 ) (например, из стекла в воздух или изфотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени). Объемнаяводы в воздух), топлотность энергии излучения: w =А.Н.Огурцов.

Лекции по физике.Ee. Отсюда:cОптикаp=Ee(1 + ρ ) = w(1 + ρ )c6–306–3исчезает, поскольку фотоэлектроны при вылете из катода обладают некоторойначальной скоростью. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимоприложить задерживающее напряжение U 0 . При U = U 0 ни один изэлектронов, даже обладающий при вылете максимальной начальнойскоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода:2K max = mυ max2 = eU 0 , т.е., измерив задерживающее напряжение U 0 , можноопределить максимальное значение скорости υ max и кинетической энергииK max фотоэлектронов.45. Законы фотоэффекта.(1) Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света числофотоэлектронов,испускаемыхфотокатодомвединицувремени,пропорциональноинтенсивностисвета(силафототоканасыщенияпропорциональна энергетической освещенности Ee катода).(2) Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическаяэнергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, аопределяется только его частотой ν .(3) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта —минимальная частота ν 0 света (зависящая от химической природы вещества исостояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, чтосвет частотой ν не только испускается отдельными квантами (согласногипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощаетсявеществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε 0 = hν .Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью cраспространения света в вакууме, называются фотонами.Энергия падающего фотона расходуется на совершение электрономработы выхода A из металла (см.

стр.3-31) и на сообщение вылетевшемуфотоэлектрону кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнегофотоэффекта:hν = A +2mυ max2Это уравнение объясняет зависимостькинетической энергии фотоэлектронов от частотыпадающего света (2й закон). Предельная частотаν0 =hcA(или λ0 =), при которой кинетическаяAhэнергия фотоэлектронов становится равной нулю,и есть красная граница фотоэффекта (3й закон).Другая форма записи уравнения Эйнштейна:eU 0 = h(ν − ν 0 )На рисунке изображена зависимость максимальной кинетической энергиифотоэлектронов от частоты облучающего света для алюминия, цинка и никеля.Все прямые параллельны друг другу, причем производная d (eU 0 ) dν независит от материала катода и численно равна постоянной Планка h .

Отрезки,отсекаемые на оси ординат, численно равны работе A выхода электронов изсоответствующих металлов.А.Н.Огурцов. Лекции по физике.sin i2 n1=>1sin i1 n2iпрn1n2Следовательно, угол преломления i2 больше углападения i1 . Увеличивая угол падения, при некоторомiпр угол преломления окажетсяравным π 2 . При углах падения i1 > iпр весь падающийпредельном углесвет полностью отражается.При углах падения iпр > i1 > π 2 луч не преломляется, а полностьюотражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающеголучей одинаковы.Это явление называется полным внутренним отражением света.Предельный угол определяется соотношением:sin iпр =n2π nsin = 2 = n21n12 n1Явление полного отражения используется в призмах полного отражения исветоводах.3.

Линзы.Линзой называется прозрачное тело, ограниченное с двух сторон криволинейной поверхностью. (В частном случаеодна из поверхностей может быть плоской).По внешней форме линзы делятся на1) двояковыпуклые;2) плосковыпуклые;3) двояковогнутые;4) плосковогнутые;5) выпукло-вогнутые.Линза называется тонкой, если еетолщина значительно меньше, чем радиусыкривизны R1 и R2 обеих поверхностей.

На оптических схемах линзы обычнообозначают двунаправленной стрелкой.Радиус кривизны R > 0 для выпуклой поверхности; R < 0 для вогнутой.Прямая проходящая через центрыкривизны поверхностей линзы называетсяглавной оптической осью.Оптическимцентромлинзы(обычно обозначается O ) называетсяточка, лежащая на главной оптическойоси и обладающая тем свойством, чтолучи проходят сквозь нее не преломляясь.Побочными оптическими осяминазываются прямые, проходящие через оптический центр линзы и несовпадающие с главной оптической осью.Фокусом линзы F называется точка, лежащая на главной оптической оси,в которой пересекаются лучи параксиального (приосевого) светового пучка,распространяющиеся параллельно главной оптической оси.Фокальной плоскостью называется плоскость, проходящая через фокуслинзы перпендикулярно ее главной оптической оси.Оптика6–46–29Фокусным расстоянием f называется расстояние между оптическимцентром линзы O и ее фокусом F :f =1 1(n21 − 1) + 1  R1 R2 Формула тонкой линзы:1 1 1+ =a b fгде a и b — расстояния от линзы допредмета и его изображения.

Если a = ∞ , т.е.лучи падают на линзу параллельным пучком (а),то b = f . Если b = ∞ , т.е. изображениенаходится в бесконечности (б), и, следовательно, лучи выходят из линзыпараллельным пучком, то a = f .Фокусные расстояния линзы, окруженной с обеих сторон одинаковойсредой, равны.Величина Φ = 1 f называется оптической силой линзы.