Учебник - Общий курс физики. Оптика - Сивухин Д.В. (1238764), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Без нее не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т. п. Не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за пятьдесят лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы, связанные со зрением. Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным.

Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времеви принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Доста точно сказать, что обе основные физические теории текущего столетия — теория относительности и теория квантов — зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и ее приложениях в различных отраслях науки и техники. в 2. Геометрическая оптика 1. Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках так называемой геометрической оптики. В основу формального построения последней можно положить четыре закона, установленных опытным путем: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых пучков; 3) закон отражения и 4) закон преломления света.

Для понимания более сложных явлений нужна уже физическая оптика, рассматриваюп1ая зти явлення в связи с физической природой света. Физическая оптика позволяет, в частности, не только вывести все законы геометрической оптики, но н установить ерпницы их применимости. Без знания этих границ формальное применение законов геометрической оптики может в конкретных случаях привести к результатам, ггл г. ВВЕДЕНИЕ противоречащим наблюдаемым явлениям.

Поэтому нельзя ограничиться чисто формальным построением геометрической оптики, а необходимо смотреть на нее как на раздел физической оптики, Обоснование геометрической оптики будет дано постепенно на протяжении нашего курса. Сейчас же ограничимся формулировкой перечисленных четырех опытных законов. к. Согласно закону прямолинейного распространения, свет в прозрачной однородной среде распространяется гго прямым линиям.

Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами, освещаемыми точечными источниками света, т. е. источниками, размеры которых весьма малы по сравнению с размерами освешаемого тела и расстоянием до него.

Непрозрачный предмет АВ (рис. !), поставленный Рис. г. Рис. 2. на пути светового пучка от точечного источника Я, не пропускает свет в пространство за этим предметом, ограниченное боковой поверхностью конуса ЯСО, касающейся краев предмета АВ. Однако на распределение света вне этого пространства присутствие предмета АВ не оказывает никакого влияния. Это и значит, что распространение света происходит вдоль прямых линий '). Другое доказательство дает общеизвестный способ получения изображений светящихся предметов в камере с малым отверстием (камере-обскуре, рис.

2). Наблюдаются отступления от закона прямолинейного распространения света. Рассмотрим, например, тень от резкого края непрозрачного предмета. Если источник света точечный, то, согласно этому закону, следовало бы ожидать, что на экране получится совершенно резкий переход от света к тени. На самом деле возникает переходная область, в которой освещенность меняется непре- ') Протяженный источник ведет себя как совокупность точечных источников, каждому из которых соответствует свое распределение светового поля иа зкраие. В результате наложения таких картин наряду с тенями возникают полутени, т. е.

области более или менее плавного перехода от освещенных частей зкраиа к менее освещенным и совсем темным, Гвоывтгичвскля оптпкА рывно и не монотонно: в ней наблюдаются «дифракционные полосы». Аналогичное полойение имеет место в камере с малым отверстием. Если отверстие недостаточно мало, то изображение предмета размыто, так как светящаяся точка изображается в виде светлого кружка. Можно было бы ожидать, что при уменьшении отверстия размеры кружка будут уменьшаться, а отчетливость изображения увеличиваться, хотя само изображение и получится менее ярким. На самом деле это оправдывается лишь до известного предела, а при дальнейшем уменьшении отверстия резкость изображения снова начинает ухудшаться.

Когда диаметр отверстия 10 ' мм, а источник света точечный, получается практически равномерная освещенность экрана. Приведенные примеры показывают, что свет, подобно звуку, огибает препятствия, стоящие на пути его распространения. Это явление называется дифракииеи. Если среда мутная, например туман, то из-за дифракции прямолинейное распространение света сопровождается его рассгянием в стороньп 3. Закон независимости световых пучков состоит в том, что распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет.

Сне~оной пучок, прошедший через какую-либо область пространства, выходит из нее одним н тем же, независимо от того, заполнена она другим светом или не заполнена. Так, изображение на сетчатке глаза не изменится, если свет, образующий это изображение, будет на своем пути проходить через боковые пучки света, не попадающие в глаз. Границы применимости закона независимости световых пучков лучше рассматривать в связи с теорией света (см.

Я 3, 5 и гл. Х1). Закон независимости световых пучков необходимо дополнить утверждением, определяющим совместное действие световых пучков при нх наложении друг на друга, Оно состоит в том, что освещенность экрана, создаваемая несколькими световылш пучками, равна сумлсе освсщенностей, создаваемых каждым пучком в отдельносгпи. Нарушения справедливости этого утверждения имеют место в явлениях интерферениии света. 4. На основе законов прямолинейного распространения и независимости световых пучков сложилось представление о световых лучах. В мателштическом смысле луч есть линия, вдоль которой распространяется свет.

Это — математическая абстракция. О существовании луча в таком смысле можно говоршпь лшиь постольку, поскольку он входит в состав светового пучка, содержащего бесконечное множество лучей. реальное существование име1от не математические лучи и бесконечно тонкие пучки света, а пучки конечного поперечного сечения, вырезаемые, например, диафрагмами. Поэтому под лучом в физическом смысле этого слова мы будем попил~ать конечный, но достаточно узкий световой пучок, который еще может 14 1гл. 1 ВВЕДЕНИЕ существовать изолированно от других пучков.

Луч, выделенный какой-либо диафрагмой, не может быть бесконечно длинным, так как из-за дифракции распространение света сопровождается увеличением поперечных размеров луча, т. е. его боковым уширением и размытием. Чем длиннее луч, тем больше это дифракционное уширение. О луче можно говорить только тогда, когда уширение мало по сравнению с поперечными размерами самого луча. Для этого длина луча не должна превышать определенного предела, величина которого тем больше, чем шире луч (см.

э 6, формулу (6.17)). (р (е' 6. Когда луч достигает плоской границы раздела двух прозрачных сред, он частично проходит во вторую среду (преломРвы 3. ляется), частично возвращается обратно (отражается). Закон отражения света был известен еще грекам. Он утверждает, что падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения), причем угол падения ср равен углу отражения ср' .(рис. 3).

6. Закон преломления был установлен экспериментально в 1621 г. голландским ученым Снеллиусом (1560 — 1626) и опубликован только после его смерти. Позднее Декарт (1596 — 1650) в 1637 г. опубликовал тот же закон, не ссылаясь на Снеллиуса. Знал ли Декарт работы Снеллиуса — этот вопрос остался открытым, хотя он и был предметом многочисленных дискуссий. Декарт получил закон преломления Снеллиуса, пользуясь аналогией между преломлением света и прохождением упругого шара (мяча) через границу раздела воздуха с водой.

Его рассуждения были неубедительны и крайне туманны, но окончательный результат, к которому он пришел, оказался Рис. 4 верным. Согласно закону преломления Снеллиуса, преломленный луч лежит в плоскости падения, причем отношение синуса угла падения ср (рис, 4) к синусу угла преломления ф для рассл~атриваемых сред зависип1 только от длины световой волны, но не зависит от угла падения, т. е.

ь1и э — = пм. й1и $ (2.1) Постоянная величина п„называется относшпельным показателем илн коэффициентом преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума назы- гаомвтгичвскля Оптик% »!и е «!и ~г, — =и — =и »!п~р, и мое Перемножая написанные равенства, получим Это соотношение справедливо, какова бы ни была толщина пластинки. Оно Рвс. 5.

остается верным и в предельном случае, когда толщина пластинки стремится к нулю. Но тогда свет будет преломляться так, как если бы никакой пластинки вообще ие было. Поэтому должно быть гйп «рфз)п ф = и,, Сравнение этого результата с предыдущим и приводит к соотношению (2.2).

Характеристики

Список файлов книги