Оптика. Виды оптики. Основные законы оптики

1.

Оптика
Оптика (от греч. ὀπτική – наука о зрительных восприятиях),
раздел физики, в котором изучаются оптическое
излучение (свет в широком понимании), его распространение
и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с
веществом.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные
волны видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапаз
онов. Оптические исследования характеризуются общностью
технических средств и методов анализа явлений в указанных
диапазонах. Для таких средств и методов характерно
использование как волновых, так и корпускулярных свойств
излучения. По традиции оптику принято подразделять
на геометрическую, физическую и физиологическую.

2.

Геометрическая оптика
Не рассматривая вопрос о природе света, геометрическая оптика исходит из
эмпирических законов его распространения и использует представление о световых
лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с различными оптическими
свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Методы геометрической
оптики позволяют изучать условия формирования оптических изображений объекта как
совокупности изображений его отдельных точек и объяснять многие явления, связанные с
прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных
(например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства
её показателя преломления, образование миражей, радуг). Наибольшее значение
геометрическая оптика (с частичным привлечением волновой оптики) имеет для расчёта
и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и
крупных астрономических инструментов. Благодаря развитию вычислительной
математики и применению современной вычислительной техники такие расчёты
достигли высокого совершенства, сформировалось отдельное направление,
получившее название вычислительной оптики.
По существу, отдалена от физической природы света и фотометрия, посвящённая
главным образом измерению световых величин. Фотометрия представляет собой
методическую основу исследования процессов испускания, распространения
и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач
фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия
человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением самих
этих закономерностей занимается физиологическая оптика, смыкающаяся
с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

3.

Физическая оптика
Рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания
света, природой света и световых явлений. Утверждение, что свет
есть поперечные электромагнитные волны, явилось результатом
огромного числа экспериментальных исследований дифракции
света, интерференции света, поляризации света, распространения
света в анизотропных средах. Совокупность явлений, в которых
проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе
физической оптики – волновой оптике. Её математическим
основанием служат общие уравнения классической
электродинамики – уравнения Максвелла. Свойства среды при этом
характеризуются макроскопическими
материальными константами – значениями диэлектрической
проницаемости ε и магнитной проницаемости μ, входящими в
уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения
однозначно определяют показатель преломления среды: n=εμ.

4.

Физиологическая оптика
Физиологическая оптика изучает строение и
функционирование всего аппарата зрения –
от глаза до коры головного мозга;
разрабатывает теорию зрения, восприятия
света и цвета. Результаты физиологической
оптики используются в медицине,
физиологии, технике при разработке
разнообразных устройств – от осветительных
приборов и очков до цветного кино
и телевидения.

5.

Основные законы оптики
1) закон прямолинейного распространения
света;
2) закон независимости световых лучей;
3) закон отражения света;
4) закон преломления света.

6.

1) закон прямолинейного распространения
света;
В однородной среде свет распространяется
прямолинейно.
2) закон независимости световых лучей
Независимость световых лучей заключается в том,
что они при пересечении не возмущают друг
друга. Пересечения лучей не мешают каждому из
них распространяться независимо друг от друга.

7.

3)закон обратимости (или взаимности)
световых лучей
если навстречу лучу, претерпевшему
ряд отражений и преломлений, пустить
другой луч, то он пойдет по тому же
пути, что и первый (прямой) луч, но в
обратном направлении.

8.

Закон отражения:
отраженный луч лежит в одной
плоскости с падающим лучом и
нормалью восстановленной в точке
падения. Угол отражения равен углу
падения.
Закон
преломления
света:
преломленный луч лежит в одной
плоскости
с
падающим
лучом
и
нормалью, восстановленной в точке
падения.
Отношение
синуса
угла
падения к синусу угла преломления есть
величина постоянная для данных веществ:

9.

При
углах
падения,
заключенных в пределах от
iпред до π/2, свет во вторую
среду
не
проникает1),
интенсивность
отраженного
луча равна интенсивности
падающего.
Это
явление
называется
полным
внутренним отражением.

10.

Развитие представлений о природе света
Теория истечения
(Ньютон)
В конце XVII в. на основе многовекового опыта и развития
представлений о свете Ньютон выдвинул теорию истечения
световых частиц (корпускул), которые летят прямолинейно и
подчиняются законам механики. По этой теории
отражение света уподоблялось отражению упругих
шариков при ударе о плоскость, что приводило к
известному из школьного курса закону геометрической
оптики: «угол падения равен углу отражения». Закон
преломления света на границе двух сред объяснялся
притяжением световых частиц преломляющей средой,
вследствие чего изменялась траектория их движения и
скорость. Расчеты приводили к выводу, что скорость
световых частиц в более плотных средах больше, чем в
воздухе.
Волновая теория
(Гюйгенс)
Каждый элемент волнового фронта
можно
рассматривать
как
центр
вторичного возмущения, порождающего
вторичные
сферические
волны,
а
результирующее световое поле в каждой
точке пространства будет определяться
интерференцией этих волн.

11.

12.

Световые величины фотометрии