Физика пәнінде оптиканың орны және басқа пәндермен байланысы. Жарықтың электромагниттік табиғаты. Лекция 1

1. Лекция – 1. Кіріспе. Физика пәнінде оптиканың орны және басқа пәндермен байланысы. Жарықтың электромагниттік табиғаты.

Фотометриялық ұғымдар мен шамалар.
Оптика - физика ғылымының дербес салаларының бірі, «
гректің optos - көрінетін сөзінен шыққан, optike - көру
(көзбен қабылдау) жөніндегі ғылым деген мағына береді.
Оптика пән ретінде физикалық, геометриялық және
физиологиялық болып бөлінеді.
Физикалық оптика жарықтың табиғаты мен жарық
құбылыстарымен байланысты мәселелерді қарастырады.
Қарастырылатын мәселелерге жарық табиғатын жан-жақты
зерттеу, оның толқындық және кванттық қасиеттері, изотропты
және
анизотропты
орталарда
таралу
заңдары,
электромагниттік сәуленің шығарылу, жұтылу, шашырау
процестері және жарықтың затпен әсерлесулері жатады.

2. Геометриялық оптика кескіндердің жарық сәулелерінің көмегімен қалыптасуын қарастырады. Геометриялық оптика негізінде жарықтың

изотропты орталарда түзу
сызықты таралу заңы және жарық
сәулелерінің
тәуелсіз
таралу
заңы;
оптикалық қасиеттері әртүрлі орталар
шекараларындағы сыну және шағылу
заңдары алынады. Жарық сәулелердің
табиғаты
геометриялық
оптикада
қарастырылмайды.
Практикалық
мәселелердің
көпшілігін
геометриялық

3.

Физиологиялық оптика - көру арқылы
көздің қабылдауы жайындағы ғылым - көру
механизмін, көздің жарықты қабылдауын
зерттейді. Оптиканың практикалық мәні және
білімнің басқа салаларына ықпалы ерекше зор.
Телескоп
пен
спектроскоптың
ойлап
шығарылуы адамға шексіз Әлем кеңістігінде
өтетін құбылыстардың таңғажайып әрі бай
дүниесінің есігін ашып бергені белгілі.
Микроскоптың ойлап шығарылуы кезінде
биологияда төңкеріс жасады. Фотография
ғылымның
барлық
саласында
қолданылады.

4.

Негізгі әдебиет:
1. Жуманов К.Б. Оптика негіздері. 1, 2 бөлімдері. Алматы: «Қазақ
университеті», 2004.
2. Жұманов К.Б., Сарсембинов Ш.Ш. Оптика, Алматы, 2007.
3. Полатбеков П.П. Оптика. Алматы: Мектеп, 1981.
4. Полатбеков П.П. Оптикалық спектрлер. Алматы: Мектеп, 1961.
5. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.
6. Бутиков Е.И. Оптика. М.: ВШ, 1986.
7. Матвеев А.Н. Оптика. М.: ВШ, 1985.
8. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: Наука, 1976.
9. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. М.: Наука, 1989.
10. Ахметов Е.А., Сарсембинов Ш.Ш., Ронжин В.В., Көшкімбаева А.Ш.
Жалпы физикалық практикум. Оптика. Алматы: «Megapolіs corporatіon»,
1999.
11. Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. Ивероновой
В.И. М.: Наука, 1966.
12. Волькенштейн В.С. Жалпы физика курсы бойынша есептер жинағы.
Санкт – Петербург, «Книжный мир», 2005.
Қосымша әдебиет:
1. Кортнев А.В. и др. Практикум по общей физике. М. 1965.
2. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. М. 1965.
3. Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л.Л. М.: Наука, 1983.

5. Элекро магниттік толқындар шкаласы

6.

Электромагниттік
толқындармен
жүргізілген
тәжірибелер көрінетін жарық - бұл жиіліктері 4*1014
Гц-тен 8*1014 Гц-ке дейінгі аралықта, бұларға сәйкес
толқын ұзындықтары 380 нм-ден 780 нм-ге дейінгі
аралықта жататын электромагниттік сәуле екендігін
көрсетті.
Электромагниттік толқындар радиотолқындарға,
инфрақызыл, көрінетін, ультракүлгін, рентгендік
және -сәулелерге бөлінеді.
Радиотолқындар деп толқын ұзындықтары 0,1 ммден артық электромагниттік толқындарды айтады.
Оптикалық
электромагниттік
сәуле
спектрі
инфрақызыл сәуленің шартты шекарасынан (λ=2 мм,
ν=1,5*1011 Гц) бастап ультракүлгін сәуленің шартты
шекарасына (λ=10-6 см, ν=3*1016 Гц) дейінгі аумақты
алып жатады.

7. Заманауи оптика

8.

9. Оптика в настоящее время1

10.

11.

12. Оптика в технике, медицине, биологии

13. Оптические явления в природе

14. Жарық туралы ілімнің дамуына тарихи шолу Ерте заман және орта ғасырлардағы оптика. Көне грек философтары мен

математиктері-Пифагор
(б.д.д. 582-500 ж.ж.), Эмпедокл (б.д.д. 492-432 ж.ж.),
Демокрит (б.д.д. 400-370 ж.ж.), Евклид (б.д.д. 300
ж.ж.), Платон (б.д.д. 427-347 ж.ж.), және басқалары
жарық құбылыстары табиғатын көру сезімін
негізге алып түсіндіруге тырысқан. Евклидтің
пікірінше, көзден “көру сәулелері” шығарылады,
бұлардың ұштары нәрсені (затты) сипалайды, бұл
көру сезімін туғызады. Евклид жарықты зерттеуге
математиканы қолдынып жарықтың айналардан
шағылу заңдарын тағайындады. Ол жарықтың түзу
сызықты таралуы жайындағы ілімнің негізін

15.

Демокрит көру сәулелері жайындағы
түсінікті толығымен жоққа шығарады. Оның
көзқарасына
сәйкес
денелерден
шығарылатын атомдар көз бетіне түскенде
көру
сезімі
пайда
болады.
Біздің дәуірімізге дейінгі III ғ. өзінде
геометриялық оптика негізі қаланған.
Бұған дәлел Евклидтің өзіне дейінгі белгілі
тәжірибе деректерін қорыту нәтижесінде
жазылған «Оптика», «Катоптика» деген
еңбектерінде
геометриялық
оптиканың
негіздері баяндалады.

16. История оптики1

(ок. 493 –
Пифагор 570 ж. Эмпедокл
б.д. - объектілер
өздігінен
шығаратын
бөлшектердің
арқасында
көрінеді
деп
санаған.
433 б.д.) пікірінше, жарық
шығаратын денелерден
көзге ағыс бағытталады,
ал көзден де денелерге
қарай ағыс шығарылады.
Осы ағыстар түйіскен
жағдайда көру сезімі
Аристотель(384-322 ж. б.д.) пайда
болады.
Оптикалық құбылыстардың заңдылығын
байланыстырған,
жарықтың
түзу
сызық бойымен таралуын, жарықтың
айна беттерінен шағылуын, сәуленің
екі орта шекарасында сынуын зерттеп
алғашқы физика кітабын жазған.

17. История оптики2

Эвклид (III в. до н. э.)
“Оптика”
және
“Катоптрика” еңбегінде
жарықтың таралуы мен
шашырауы
туралы
жазған.
Оптиканың
негізін қалаушы болып
есептелінеді.
Архимед
(287-212
гг. до н.э.)
История
оптики2
Ойыс
айналардың
фокуска
сәулелерді
жинайтындығын
байқаған.
Иоганн
Кеплер
(1571
1630)
Фотометрияның негізгі заңын қалаған:
сәуленің жарықтылығының арақашықтықтың
квадратына тәуелділігін.
"Диоптрика“
трактатын жазған. (оптикалық ось, жүйенің
фокусы)

18. История оптики3

Галилео Галилей (1564 - 1642) создатель
мастерской производства телескопов и подзорных труб,
положил начало крушению инквизиции (подзорные трубы
использовались в военом деле).
Иоганн Кеплер (1571 -1630) Сформулировал
основной закон фотометрии: обратно-пропорциональная
зависимость между освещенностью и квадратом расстояния
до источника света. Главным трудом по оптике стал трактат "Диоптрика“. (оптическая ось, фокус системы)
Исаак Ньютон (1643 - 1727) Основоположник
современной физики. Создал огромный труд
“Математические начала натуральной
философии”, Оптические исследования
изложил в учебнике “Оптика” (1704).

19. Ежелгі оптика заңдары 1

1. Жарықтың түзу сызықты таралу заңы
Камера обскура
«Жарық мөлдір біртекті ортада түзу
сызық бойымен таралады»

20. Ежелгі оптика заңдары 2

2. Жарық сәулелерінің тәуелсіздік заңы
а) «Жарық шоқтарының ортада
таралуы осы ортада басқа жарық
шоқтары бар ма жоқ па оған
тәуелсіз болады».
б) «Бірнеше
шоқтардан пайда
болған экран
жарықтылығы әр
шоқтың
жарықтылығының
қосындысына тең.

21. Ежелгі оптика заңдары 3

«Жарық сәулелерін майда жарық
сәулелерге бөлүге болады»
3.
4. Жарық сәулелерінің
шағылуы
«Түскен және
шағылған сәуле бір
жазықтық бойында
жатады және түсу
бұрышы шағылған
бұрышқа тең.
a=

22. Ежелгі оптика заңдары 4

4. Жарық
сәулелерінің қайтымдылық заңы
Егер бірнеше рет шағылып сынған сәуле
жолына басқа сәуле жіберсе, ол бірінші сәуле
жолымен жүреді, бірақ кері бағытта.

23.

Егер сәуле α бұрышымен түссе және
екінші ортада β бұрышымен сынса, онда
екінші ортадан кейінгі бағытта β түсу
бұрышымен жіберілген жағдайда, бірінші
ортаға α бұрышымен тарайды.

24.

Көзден шағылған сәулелер түзу сызық бойымен
қозғалып, шексіздікке барады.
- Көретін
сәулелер жиынтығы конус болады,
оны төбесі көзде, негізі көрінетін заттардың
бетінде болады.

25.

- Үлкен бұрышпен көрінетін заттар үлкен, кіші
бұрышпен көрінетін заттар кіші болып көрінеді.
Үлкен бұрышпен көрінетін заттар анық көрінеді.

26.

- Барлық сәулелердің жылдамдығы бірдей;
- Сәуле –түзу сызық бойымен таралады;
- Барлық көрінетін зат тек түзу сызық
бағытымен көрінеді.

27.

Геометриялық оптика заңдары 1
5. Сыну заңы
-Түскен сәуле, сынған сәуле және түсу нүктесі арқылы екі ортаның
шекара бетіне жүргізілген нормаль бір жазықтықта жатады;
-Түсу бұрышы синусының сыну бұрышы синусына қатынасы
тұрақты шама болады.
-Мұндағы тұрақты шама екінші ортаның бірінше ортаға қатысты
сыну көрсеткіші, ол түсу және сыну бұрыштарына тәуелсіз, тек
ортанның қасиеттеріне тәуелді.

28. Геометриялық оптика заңдары 2

6. Толық ішкі шағылу заңы
Егер сыну бұрышының синусы
бірден артық болса сәуле сынбай
толық шағылады. Бұл жағдай көбіне
тығыздығы
жоғары
орталарда
байқалады. Толық шағылу кезінде
болатын түсу бұрышын
толық
шағылудың шекті бұрышы деп
атайды.

29.

30. Геометриялық оптика заңдары 3

8. Ферма принципі
Жарық А нүктесінен Д нүктесіне таралғанда уақыт аз
кететін жолды таңдап сонымен таралады. Бұл ұйғарым
Ферма принципі деп аталады. Жарық оптикалық
ұзындығы экстремаль, яғни ол барлық мүмкіндіктердің
ішінде ішінен минимум, не максимум, не стационарлық
болатын жол бойынша таралады. L= n*S - оптикалық жол
ортаның сыну көрсеткішін берілген ортадағы жарық
сәулесінің S геометриялық ұзындығына көбейтіндісіне
тең.

31.

32. Негізгі қорытындылар

• Жарық энергия тасымалдайды
• Энергия негізгі екі жолмен – бөлшектер немесе
толқындар көмегімен тасымалдануы мүмкін. Бірінші
жағдайда
энергия
тасымалдаушы
материалдық
бөлшектер болады, ал екінші жағдайда толқындар
энергияны үлкен қашықтықтарға тасымалдай алады,
бірақ осы жағдайда массаның орын ауыстырылуы
болмайды.
• жарық өзінің корпускулалық және толқындық
табиғатын айқын байқатпайды;
• 19 ғ. аяғында жарықтың электромагниттік толқын
екендігі тағайындалды. 20 ғасырда бұған түзетулер мен
өзгерістер енгізілгенімен, жарықтың толқындық
теориясы өте сәтті болып шықты.

33. Энергетикалық және фотометриялық шамалар

Оптикалық
аумаққа
жататын
электромагниттік
толқындардың тасымалдайтын энергиясын өлшеулермен
шұғылданатын оптика бөлімі фотометрия деп аталады.
Жарық өте сирек жағдайларда ғана бір толқын
ұзындықтан тұратын, монохроматты толқын болады.
Көбінесе толқын ұзындықтары әртүрлі көрінетін де,
көрінбейтін де аймаққа жататын толқындар қабаттасып
тұрады. Қатты қыздырылған денелер шығаратын ақ
жарықта толқын ұзындықтары әртүрлі толқындар болады.
Сондықтан осындай жарықты толық энергетикалық
сипаттау үшін энергияның толқын ұзындықтар бойынша
үлестірілуі көрсетілуі керек.

34.

Энергетикалық шамалар.
Электромагниттік толқындардың энергетикалық жағын
сипаттайтын шамалар энергияны, энергия ағынын және
т.б. өлшеу үшін қолданылатын жалпы энергетикалық
бірліктермен
өлшенеді.
Жарықтың
қолданылу
салаларында
сәуле
интенсивтігінің
объективтік
энергетикалық сипаттамасы ғана емес, бақылаушы көзіне
оның әсер ету өлшемі де маңызды. Мәселен, 800 К-ге
дейін қыздырылған дене инфрақызыл сәулелерді
қарқынды шығарады, бірақ осы сәулелер көрінбейді және
көздің қабылдаған бұлардың интенсивтігі нөлге тең
болады.
Сондықтан: энергетикалық (объективті энергетикалық
сипаттамалар
бойынша
бағаланатын)
және
фотометриялық (көзге әсер етуі бойынша бағаланатын)
бірліктерді енгізу қажет.

35. Оптикадағы өлшем бірліктер

1. Энергетикалық өлшем бірліктер және олардың байланысы
Жарық ағыны Фе–
белгілі аудан арқылы
бірлік уақыттағы энергия
шамасы
Жарық ағынының
беттік тығыздығы Ee –
бірлік айданға сай
келетін ағын шамасы
Жарық ағынының
спектралдық тығыздығы
Фl(l)– энергияның спектр
бойынша таралуын
көрсететін функция : (1.1)
(1.1)

36. Фотометриялық шамалар.

• Бұлар энергетикалық шамаларға ұқсас, бірақ негізгі
шама ретінде жарық күші алынады. Жарық күшінің
бірлігі-кандела қара сәуле шығарғыш көмегімен
анықталады; қара сәуле шығарғыш платинаның қату
температурасы жағдайында істейтін негізгі эталон
ретінде қабылданған.
• Бұл эталон 1967 ж. өлшемдер және таразылар бойынша
ХIII Бас конференция шешімімен бекітілген. Ол төмен
жағы жабық диаметрі ~2 мм және ұзындығы 40 мм
керамика түтікшеден тұрады. Бұл түтікше балқыту
үшін
таза
платинамен
толтырылған
тигельде
орналастырылған. Салқындатқан кезде платина қатаяды
және оның температурасы орнығады және 2045 К
мәнінде сақталады. Басқа жарық көзінен шыққан жарық
күші, оның және эталонның жасайтын жарықталуларын
салыстырудан анықталады.

37. Жарық ағыны. Жарық ағыны деп жарық көзінің жарық күшінің, ішінде шығарылған жарық таралатын денелік бұрышқа көбейтіндісін

айтады
Сурет1.1. Жарық ағыны

38. Энергетические единицы 2

Поверхностная плотность потока
энергии Ee – это величина потока,
(1.3)
приходящегося на единицу площади:
Если площадка освещается потоком, то поверхностная
плотность потока энергии будет иметь смысл
энергетической освещенности или облученности
Если поток излучается площадкой, то поверхностная
плотность потока энергии будет иметь смысл
энергетической светимости .
Если поток пересекает условную площадку, перпендикулярную
направлению потока излучения, то плотность потока энергии
будет иметь смысл интенсивности излучения.
e
J
Интенсивность излучения это модуль вектора Пойнтинга | Р |

39.

Сәуленің энергетикалық
күші. Элементар сәуле көзі
шығаратын сәуленің
энергетикалық күші деп
денелік бұрыш элементіне
келетін сәуле қуатының
денелік бұрышқа қатынасын
айтады:
(1.5)
Конустың денелік бұрышы S ауданның
конустан кесіліп алынған сфераның
радиусының квадратының қатынасына
тең Денелік бұрыш стерадианмен өлшенеді
(сферада 4π ср).

40.

41.

Энергетикалық
жарықтылық
(яркость).–
бірлік аудан
және бірлік
денелік
бұрышта
таралатын
жарық ағыны
e
dI e
Le =
=
S cos dS cos
2
Вт
ср м 2
(1.11)

42.

Энергетикалық өткізу
коэффициенті te– дене арқылы
өткен жарық ағынының түскен
жарық ағынына қатынасын
көрсететін шама
Ортаның оптикалық
тығыздығы – өткізу
коэффициентінің
логарифміне кері шама

43. Жарықтық шамалар

Жарық күші
энергетикалық күшке ұқсас
(2.1)
кд – (кандела) жарық күшінің өлшем бірлігі
1 кандела– ауданы 1/60см2 қату температурасы
( 20420K) болатын платинаның сәулелену күші
[лм] (2.2)
1 люмен - 1 ср денелік бұрышта күші 1 кд
болатын ағын
1 лм =1кд*1ср

44.

Жарықталу
(освещенность):
E=
S
[лк] (2.3)
1 люкс– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр
которой равномерно падает поток в 1лм.
Жарқырау
(светимость):
лм
M = 2
м
Жарқыраудың өлшем бірлігі ретінде бірлік ауданда жарық
ағыны 1лм болатын беттің жарқырауын алады.
Жарық интенсивтілігі:
Жарық интенсивтілігінің өлшем бірлігі
1м2 ауданға нормаль болатын 1лм
жарық ағынының интенсивтілігін
алады.
лм
J = 2
м

45.

Жарықтылық
(яркость):
dI
L=
dS cos
кд
2
м

46. Световые величины 1

У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как
глаз не может провести спектральный анализ. Исторически
сложилось что, исходная единица – это сила света.
Сила света определяется
аналогично энергетической
силе света:
(2.1)
кд – (кандела) - единица измерения силы света
1 кандела– сила излучения эталона (эталонный
излучатель или черное тело) при температуре
затвердевания платины( 20420K) площадью 1/60см2.

47. Световые величины 2

Поток излучения:
[лм]
(2.2)
1 люмен - это поток, который излучается
источником с силой света 1 кд в телесном угле 1 ср:
1 лм =1кд*1ср

48. Световые величины 3

Освещенность:
E=
S
[лк] (2.3)
1 люкс– освещенность такой поверхности, на каждый
квадратный метр которой равномерно падает поток в 1лм.
Светимость:
лм
M = 2
м
за единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с 1м2 световой поток, равный 1лм.
Интенсивность излучения:
За единицу интенсивности света принимают
такую интенсивность, при которой условное
сечение пространства площадью 1м2, нормально
к нему, пересекает световой поток, равный 1лм
лм
J = 2
м

49. Световые величины 4

Яркость:
dI
L=
dS cos
кд
2
м
За единицу яркости принята яркость такой плоской
поверхности, которая в перпендикулярном направлении
излучает силу света 1кд с 1м2.
Световая экспозиция – это величина энергии, приходящейся
на единицу площади за некоторое время (освещенность,
t2
накопленная за время от t1 до t2):
Н = E ( t ) dt
t1
лк с

50. Связь световых и энергетических величин

Связь световых и энергетических величин устанавливается через
зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально.
Функция
показывает, как глаз днём воспринимает
видности– V ( ) излучение различного спектрального состава.
Определить некую световую величину Q (поток, сила света,
яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей ей
энергетической величины Qe можно по общей формуле:
0.77 10 6
Q = 680
V ( ) Q ( ) d
e
(3.1)
0.38 10 6
При освещённости
Е > 100лк

51. Модели источников излучения

Источник излучения – это некоторая поверхность,
излучающая энергию. Общими характеристиками
источника излучения являются:
1. Поток излучения.
2. Диаграмма силы света (светометрическое
тело силы света) – показывает распределение
силы света в пространстве. Сила света
зависит от двух углов во взаимно
перпендикулярных направлениях.
Диаграмма силы
света.
3. Яркость L(x, y, j, ) – наиболее полная
характеристика, где x, y – координаты на
поверхности источника, – углы в полярных
координатах.

52. Ламбертовский излучатель

- это такой излучатель, у которого
яркость постоянна и не зависит от направления (то есть не зависит
от положения точки на поверхности и от угла наблюдения).
Плоский ламбертовский излучатель
Силу света от такого источника можно
вычислить, зная яркость источника:
I = L S0 cos = I 0 cos
S0– источник, I0– сила света в направлении
нормали к поверхности, – угол между
рассматриваемым направлением и нормалью.
Сферический ламбертовский излучатель
Сила света от сферического
ламбертовского источника
постоянна во всех направлениях:
I = I 0 = const

53. Закон обратных квадратов

Освещенность, создаваемая
точечным источником обратно
пропорциональна расстоянию от
источника до поверхности и
прямо пропорционально
косинусу угла, между
направлением светового потока
и нормалью к освещаемой
поверхности:
I cos
E=
2
r
где – I сила света источника в
направлении освещаемой точки.