Величины

Название (синоним)	Обозначение	Определение	Единица измерения
Поток излучения (лучистый поток)	Φe	—	Вт
Энергетическая сила света (сила излучения)	Ie		Вт ср−1
Энергия излучения (лучистая энергия)	Qe		Дж
Спектральная плотность энергии излучения	Qν		Дж c
Объёмная плотность энергии излучения	U		Дж м−3
Энергетическая светимость	Me		Вт м−2
Энергетическая яркость	Le		Вт м-2 ср−1
Энергетическая освещённость (облученность)	Ee		Вт м−2
Энергетическая экспозиция	He		Дж м−2

S₁ — элемент площади источника. S₂ — элемент площади приёмника. ε₁ — угол между нормалью к элементу площади источника и направлением наблюдения.

Вопрос № 18 Законы геометрической оптики. Явление полного внутреннего отражения. Оптическая сила тонкой линзы. Формула тонкой линзы. Формула сферического зеркала.

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики приλ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ₁ к скорости их распространения во второй среде υ₂:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n₂ < n₁ (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α_пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = α_пр sin β = 1; значение sin α_пр = n₂ / n₁ < 1.

Если второй средой является воздух (n₂ ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

где n = n₁ > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен α_пр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) α_пр = 48,7°.

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

Оптическая сила линзы — величина, обратная к фокусному расстоянию линзы , выраженному в метрах.

В системе СИ — (Дптр) — диоптрии

Одна диоптрия — это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м. Для собирающей линзы, оптическая сила будет положительной, а вот для рассеивающей линзы, она отрицательна.

Для нахождения оптической силы линзы, необходимо знать её фокусное расстояние, которое находится по формуле:

Например, если нам дано, что линза имеет фокусное расстояние (F) 50 сантиметров, то ее оптическая сила будет равняться 2. Фокусное расстояние должно быть в метрах.

(Дптр)

В Формуле мы использовали :

— Оптическая сила линзы

— Фокусное расстояние линзы

— Расстояние от предмета, до линзы

— Расстояние от линзы, до изображения

Формула сферического зеркала. Положение изображения и его размер можно также определить с помощью формулы сферического зеркала: Здесь d – расстояние от предмета до зеркала, f – расстояние от зеркала до изображения. Величины d и f подчиняются определенному правилу знаков: d > 0 и f > 0 – для действительных предметов и изображений; d < 0 и f < 0 – для мнимых предметов и изображений.

1/d+1/f=1/F

Вопрос №19 Электромагнитная природа света. Уравнение электромагнитной волны. Основные свойства электромагнитных волн. Световой вектор электромагнитной волны. Фазовая скорость световой волны в вакууме и в веществе. Показатель преломления света.

Согласно Максвеллу свет - электромагнитные волны. При распространении проявляются волновые свойства. Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветные.
Интерференция световых волн - сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

- условие усиления

Δd - разность хода

λ- длина волны

k - 0, 1, 2

- условие ослабления.

Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхности, просветления оптики. Явление отклонения света от прямолинейного распространения называется дифракцией.
Дифракция света используется в спектральных аппаратах. Одним из основных элементов во многих спектральных аппаратах является дифракционная решетка.
Поляризацией света называется совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность электромагнитных волн.
Явление поляризации света доказывает волновую природу света и поперечность световых волн. В поляризированной световой волне колебания происходят в строго определенном направлении.

Из уравнений Максвелла следует, что если возбудить с помощью зарядов переменное электрическое или магнитное поле, в окружающем пространстве возникнет последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся в виде электромагнитной волны. Для однороднойнейтральной (ρ=0) и непроводящей ( ) среды с постоянными проницаемостями ε и μ, волновое уравнение, описывающее электромагнитную волну, распадается на два независимых векторных уравнения соответственно для электрического и магнитного полей:

, .

Фазовая скорость электромагнитной волны определяется по формуле:

.

Для вакуума (ε = μ = 1) по этой формуле получается:

.

Таким образом,ввакуумефазовая скоростьэлектромагнитной волнысовпадает со скоростью света. В среде с постоянными проницаемостями ε и μ

Рассмотрим плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси х, перпендикулярной к волновым поверхностям. В этом случае, очевидно, поля и не зависят от координат y и z. Соответствующие уравнения Максвелла, записанные для этого случая, приводят к следующим скалярным волновым уравнениям:

, .

Простейшими решениями этих уравнений являются функции

E_y(x,t) = E_m cos(ωt - kx);

H_z(x,t) = H_m cos(ωt - kx),

совместность которых обеспечивается условиями, вытекающими из уравнений Максвелла

kE_m = μμ₀ωH_{m ,}

εε₀ωE_m = kH_{m .}

Отсюда следует, что колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне происходят с одинаковой фазой, а амплитуды этих векторов связаны между собой соотношением:

.

Из последней формулы вытекает, в частности, что отношение E_m к H_m для электромагнитной волны, распространяющейся в вакууме:

.

В векторном виде уравнения плоской электромагнитной волны записываются как:

,

.

Величина n, при прочих равных условиях, обычно меньше единицы при переходе луча из среды более плотной в среду менее плотную, и больше единицы при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную (например, из газа или из вакуума в жидкость или твердое тело). Есть исключения из этого правила, и потому принято называть среду оптически более или менее плотной, чем др Среда, обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной. Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления относительно воздуха формулой:

Показатель преломления зависит от длины волны света, то есть от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике.

угая (не путать с оптической плотностью как мерой непрозрачности среды).

Вопрос № 20, 21, 22 ,23 Явление интерференции света. Монохроматичность и когерентность световых волн. Способы получения когерентных источников света. Интерференция света в тонких пленках. Опыт Юнга.

явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.