birmaga.ru
добавить свой файл

1 2 ... 4 5
БИЛЕТ 1


Оптика.

Оптика – задел физики, в котором изучается вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

Учение о свете принято делить на 3 части:


  1. Геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах.

  2. Волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света.

  3. Квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Герц опытным путем подтвердил идентичность ЭМ волн и света, т.е. видимый свет представляет собой ЭМ излучение. Дальнейшие исследования подтвердили, что не только видимый свет, но и ИК лучи, и ультрафиолет, также являются ЭМ волнами.

Оптический диапазон спектра (инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи) захватывает область длин волн от до м.

В конце 18-го века сформировались 2 принципиально различные теории о свете:

1) корпускулярная теория Ньютона.

2) волновая теория Гюйгенса и Гука.

Согласно корпускулярной теории, свет – поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в мировом эфире – неподвижной, упругой среде, заполняющую всю вселенную.

При помощи волновой теории объясняются законы отражения, преломления, интерференция, поляризация, дифракция, дисперсия.

При помощи корпускулярной теории объясняются законы взаимодействия света и вещества. Наблюдается дуализм волновых и корпускулярных свойств.

По современным представлениям свет – это сложный ЭМ процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами.


Корпускулярная и волновая теория не противоречат, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер света, т.е. свет является и волной, и частицей.

Такой дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам вещества, например, электрону, который мы обычно рассматриваем как частицу, но в некоторых явлениях он обнаруживает себя и в качестве волны.
Билет 2

Геометрическая оптика.

Самой грубой теорией распространения света является геометрическая оптика, в которой рассматривается понятия светового луча и законы, которым он подчиняется.

Под световыми лучами понимаются нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии.
Основные законы геометрической оптики.


  1. Закон прямолинейного распространения света.

Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом от источника, имеющего достаточно малые размеры (точечный источник).

Другим доказательством может служить опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок.


Наличие неоднородности в среде приводит к отклонению от прямолинейного распространения. Закон прямолинейного распространения нарушается и понятие светового луча теряет смысл, если свет проходит через маленькое отверстие, размеры которого сравнимы с длиной волны.

  1. Закон независимости световых пучков.

Эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно световые пучки или нет. Т.е. лучи при пересечении не действуют друг на друга. Этот закон справедлив для лучей небольшой интенсивности.

  1. Закон отражения и преломления.


При падении луча света на границу раздела 2-х сред обычно происходит и отражение и преломление. Тогда можно утверждать, что:

  1. Падающий луч, отраженный луч и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости.

  2. Угол падения равен углу отражения.

  3. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для 2-х данных сред. , где - относительный показатель преломления 2-й среды относительно 1-й.





Если вторая среда является оптически более плотной, т.е. имеет больший показатель преломления, то > 1, а если вторая среда является оптически менее плотной, то < 1.

Абсолютным показателем преломления среды называется величина, равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде .

  1. Обратимость хода падающего и преломленного лучей.

Если световой луч направить противоположно преломленному лучу, то новый преломленный луч пойдет противоположно первому падающему лучу.

  1. Закон полного внутреннего отражения света.

Если свет распространяется из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, то , т.е. угол преломления больше угла падения.

Если увеличивать угол падения, увеличивается и угол преломления. При этом интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет, и при некотором угле падения угол преломления станет равным при этом интенсивность преломленного луча станет равной нулю, а интенсивность отраженного - станет равна интенсивности падающего.


При углах падающий луч не преломляется в I среду, причем интенсивность отраженного и падающего лучей равны. Это явление называется полным внутренним отражением.

Частным примером явления полного внутреннего отражения света служит то, что не все лучи, падающие от подводного источника на поверхность воды, выходят в воздух, а только те, для которых угол падения не превышает предельный угол.

Луч, падающий на плоско параллельную поверхность, после выхода из пластинки в прежнюю среду, восстанавливает прежнее направление распространения.

Билет 3

Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз.

Линза - это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Линза называется тонкой, если ее толщина пренебрежимо мала по сравнению с кривизной ее поверхности.

Главная оптическая ось линзы – это линия, проведенная через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

Параксиальные лучи – (приосевые лучи), т.е. лучи, образующие с оптической осью малые углы. Только при использовании параксиальных лучей получаются стигматические изображения, т.е. все лучи параксиального пучка, исходящие из некоторой точки А, пересекают оптическую ось в одной и той же точке В.

Если на собирающую линзу направить пучок лучей, параллельных друг другу и главной оптической оси, то после преломления, лучи пересекутся в некоторой точке задней фокальной плоскости. Эта точка называется задним фокусом линзы.



Если точечный источник света поместить в фокусе собирающей линзы, то за линзой получается пучок лучей, параллельных друг другу и главной оптической оси линзы. Это с очевидностью следует из предыдущего опыта и принципа обратимости хода светового луча.

Если на собирающую линзу направить пучок параллельных лучей, наклонных по отношению к главной оптической оси, то после преломления линзой лучи пересекаются в некоторой точке задней фокальной плоскости. Это точка, где заднюю фокальную плоскость пересекает центровой луч, идущий вдоль исходного пучка.




Если на рассеивающую линзу направить пучок параллельных лучей параллельно главной оси, то за линзой получится расходящийся пучок, причем продолжения преломленных лучей пересекаются в некоторой точке, называемой передним фокусом рассеивающей линзы.


Формула тонкой линзы.
, где a, b, F – алгебраические величины.

Фокусное расстояние (F) считается >0 для собирающей линзы и <0 для рассеивающей.

а – расстояние от линзы до предмета, в – от линзы до изображения.

Расстояние, рассчитываемое по ходу луча, считается положительным, а против – отрицательным.



Формула зависимости оптической силы линзы

от радиусов кривизны и показателей преломления.

Для характеристики оптической силы тонкой линзы:



Возможен случай, когда среда имеет больший показатель преломления чем линза, тогда линза, которая в воздухе была собирательной, в новой среде считается рассеивающей, т.к. меняется знак оптической силы в формуле.

Билет 4

Погрешности реальной оптической системы.
Оптическая система – совокупность отражающих и преломляющих поверхностей, которые отделяются друг от друга оптически однородной средой.

Рассматривая прохождение света через тонкие линзы, мы ограничивались только параксиальными лучами. Показатель преломления линзы считали независимым от длины волны падающего света. Т.к. в реальных системах эти условия не выполняются, то в них возникают искажения изображения, называемые аберрациями (погрешностями).


Аберрации размывают изображение, создают окрашивание, ухудшают разрешающую способность оптических систем.


  1. Сферическая аберрация.



Если расходящийся пучок света падает на линзу, то параксиальные лучи после преломления пересекаются в точке S’. Лучи, проходящие через края линзы, преломляются сильнее и перемещаются в точку S”. В результате, изображение светящейся точки на экране, перпендикулярное оптической оси, будет в виде расплывчатого пятна.

Сферическую аберрацию можно устранить, составляя системы из рассеивающих и собирающих линз.

2. Аберрация кома.

Если через оптическую систему проходит широкий пучок, светящийся в точке, расположенной не на оптической оси, то полученное изображение этой точки будет в виде освещенного пятнышка, напоминающего кометный хвост.

3. Дисторсия – это аберрация, вызывающая искажение изображения предметов, оставляя его резким. Возникает при больших углах падения лучей на линзу. Изображение точки, расположенной близко к своей оптической оси, очень мало отличается от своего идеального изображения, а изображение точки, далекой от оптической оси смещается тем больше, чем дальше она от оси.

Дисторсия может быть подушкообразной и бочкообразной.

4. Хроматическая аберрация.

Погрешность, возникающая из-за того, что свет разной длины волны преломляется по-разному. При сложном составе света необходимо учитывать зависимость показателя преломления вещества линзы от длины волны.

При падении на оптическую систему белого света, отдельные составляющие его монохроматические лучи фокусируются в разных точках. Наибольшее фокусное расстояние имеют красные лучи, а наименьшее – фиолетовые, поэтому изображение размыто и по краям окрашено.

Т.к. разные сорта стекол обладают разной дисперсией, то комбинируя собирающие и рассеивающие линзы из различных стекол, можно совместить фокусы различных цветов.


5. остегматизм

Эта погрешность обусловлена неодинаковостью кривизны оптических поверхностей в разных плоскостях сечения падающих на него светового пучка.

Изображение точки удаленной от главной оптической оси наблюдается на экране в виде расплывчатого пятна эллиптической формы. Это пятно в зависимости от расстояния экрана до линзы выражается либо в вертикальную либо в горизонтальную прямую.

Остегматизм исправляется подбором радиусов кривизны прямоугольных поверхностей и фокусных расстояний.

Билет 5

Основные фотометрические величины и единицы.

Фотометрия – раздел физики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников.

В фотометрии используются:


  1. Энергетические величины. Они характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемнике излучения.

  2. Световые. Характеризует физиологические свойства света и оценивается по воздействию на глаз и приемники излучения.

Энергетические величины:

Поток излучения Фс – величина , равная отношению энергии излучения ко времени, за которое это излучение произошло.
Фе = [Вт]

Энергетическая светимость – величина, равная отношению потока излучения, испускаемого поверхностью к площади сечения, через которую этот поток проходит.
Rс = [Вт/м 2]

Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется телесным углом. Угол является центральным телесным, если вершина совмещена с центром сферы.

Энергетическая сила света – величина, равная отношению потока излучения источника к темному углу, в пределах которого это излучение распространяется.

Ie = [Вт / ср]


Энергетическая яркость (лучистость) – величина, равная отношению энергетической силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость перпендикулярную направления наблюдения.
Be = [Вт/(ср*м2)]

Энергетическая освещенность (облученность) – характеризует величину потока излучения, падающего на единицу освещенной поверхности.
Ее = [Вт/м2]

Световые величины:

Различные приемники используемые для оптических измерений обладают селективностью (избирательностью). Для каждого из них имеется характерная кривая чувствительности к энергии различных длин волн.

Световые измерения, являясь субъективными отличаются от объективных энергетических. Для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основная световая единица – сила света. Измеряется [канделла].

Световой поток Ф – определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению , т.е. под действием на сенситивный приемник света.

[Ф] = [люмен] = [Лм]

1 Лм – световой поток испускаемый точечным источником света силой света в 1 Кд внутри телесного угла 1 ср.

Светимость
R = [Лм/м2]

Яркость светящейся поверхности в направлении наблюдения называется величина равная отношению силы света в этом направлении к площади проекции этой поверхности на плоскость перпендикулярную направлению.

B= где - угол между нормалью поверхности и направлением наблюдения

[Kg/м2]

Освещенность Е – величина равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности.
Е= [Лк-люкс]


следующая страница >>