Геометрическая оптика

1.

Геометрическая оптика

2.

Когда размеры препятствий для света намного больше
длины световой волны, то применимо представление о
лучах света.
В этих случаях волновые свойства света не проявляются и
можно использовать законы геометрической оптики.

3.

Световой луч
Световой луч – модель: воображаемая линия,
вдоль которой распространяется поток световой
энергии.
Данную модель можно применять для описания
достаточно узких световых пучков, когда
изменением толщины пучка можно пренебречь по
сравнению с диаметром самого пучка.

4.

Световые пучки
Световые пучки распространяются независимо
друг от друга: проходя один через другой, они не
влияют на взаимное распространение.
Световые пучки обратимы: если поменять
местами источник света и изображение,
полученное с помощью оптической системы, то
ход лучей не изменится.

5.

Закон прямолинейного
распространения света
В вакууме и в однородной среде
распространяется прямолинейно.
свет
Среда, в которой свет распространяется с
постоянной скоростью, называется оптически
однородной.

6.

Если имеются две среды, в которых свет
распространяется с различными скоростями, то
среду, где свет распространяется с меньшей
скоростью называют оптически более плотной, а
среду, где свет распространяется с большей
скоростью – оптически менее плотной.

7.

Отражение света
SO – падающий луч
OS1 - отраженный луч
α – угол падения
β – угол отражения
МN – граница раздела двух
сред

8.

Законы отражения света
Отраженный луч лежит в одной плоскости с
падающим лучом и перпендикуляром к границе
раздела двух сред, восставленным в точке
падения луча.
Угол отражения равен углу падения.
β=α

9.

Зеркальное отражение
S1
После отражения от зеркальной плоской
поверхности лучи идут так, как будто они
испущены из одной точки S1.

10.

Изображение точечного источника
света в плоском зеркале
Точки, в которых пересекаются световые лучи (или их
продолжения), исходящие из точечного источника света,
называются изображениями этого источника света.
Изображение S1 - мнимое.
Термин «мнимое» выражает тот факт, что там, где мы
видим это изображение, пучки света на самом деле не
сходятся, и лишь свойство нашего глаза собирать на
сетчатке расходящиеся пучки света дает ощущение
видимости «мнимой» светящейся точки. Световая энергия в
эту точку не поступает.

11.

Изображение предмета в плоском
зеркале
Для построения изображения предмета в
плоском зеркале достаточно построить точки,
симметричные точкам предмета относительно
плоскости зеркала.

12.

Свойства изображения в плоском
зеркале:
• мнимое, т. е. находится на пересечении продолжений
отраженных лучей, а не самих лучей;
• прямое, образованное пересечением отраженных лучей;
• равное по размерам предмету;
• симметричное относительно плоскости зеркала;
• при движении источника света перпендикулярно к
плоскости зеркала имеет скорость, равную по величине
скорости источника, но направленную противоположно.

13.

Диффузное отражение
Отраженные от шероховатой поверхности лучи направлены
случайным образом. Такое отражение называется
диффузным или рассеянным.

14.

Преломление света
SO – падающий луч;
OS1 - отраженный луч;
OS2 - преломленный луч;
α – угол падения;
β – угол отражения;
γ - угол преломления.

15.

Законы преломления света
Преломленный
луч,
падающий
луч
и
перпендикуляр к границе раздела двух сред,
восставленный в точке падения луча, лежат в
одной плоскости.
Отношение синуса угла падения к синусу угла
преломления есть величина постоянная для
данных двух сред, равная отношению скоростей
света в этих средах.

16.

Законы преломления света (формула)
sin α v1 n2
=
=
= n21 =const
sin γ v2 n1
Примечание. Часто угол
отражения обозначают
буквой γ, а угол
преломления - β

17.

Показатели преломления света
n1 - абсолютный показатель преломления первой среды
c
относительно вакуума:
n1=
v1
n2 - абсолютный показатель преломления второй среды
c
относительно вакуума:
n2=
.
v2
n21 - относительный показатель преломления второй среды
относительно первой:
n2
n21=
.
n1

18.

Полное внутреннее отражение
Если свет падает из оптически более плотной среды в
оптически менее плотную (n1 > n2), то при определенном
для каждой среды угле падения (α0) угол преломления
становится равным 90o.

19.

Полное внутреннее отражение
При
дальнейшем
увеличении
угла
падения
преломленный луч исчезает. Наблюдается только
отражение.
Это
явление
называется
полным
внутренним
отражением.

20.

Предельный угол полного отражения
Переход между двумя
любыми средами:
n2
sin α0=
.
n1
Переход в вакуум или в
воздух:
1
sin α0=
.
n

21.

Видео №1

22.

Задача № 1

23.

Задача № 2

24.

Задача № 3

25.

Задача № 4

26.

Оптические системы

27.

Линза

28.

Виды линз

29.

Ход лучей в линзе

30.

Оптическая сила линзы
d- расстояние от предмета
до линзы
f- расстояние от
изображения до линзы
F — фокусное расстояние

31.

Оптические приборы

32.

Оптические приборы-это устройства,
в которых излучение какой-либо
области спектра(ультрафиолетовой,
видимой, инфракрасной)
преобразуется для нормального
восприятия их человеческим глазом.

33.

Оптические приборы вооружающие
глаз

34.

Глаз как оптический прибор
Глаз представляет собой оптическую систему, дающую уменьшенное, обратное,
действительное изображение на светочувствительной сетчатой оболочке глазного
яблока.
Основной элемент оптической системы глаза, хрусталик - это двояковыпуклая линза.
Кривизна поверхности хрусталика может меняться, поэтому всегда имеется
возможность привести изображение предмета на поверхность сетчатки. Этот процесс
называется аккомодацией глаза. Водянистая влага передней камеры, хрусталик и
стекловидное тело представляют собой единую оптическую систему глаза

35.

Глаз как оптический прибор

36.

Лупа – собирающая линза или система линз
с малым фокусным расстоянием
Лупу помещают близко к глазу, а предмет располагают в ее фокальной
плоскости- угол, под которым в лупу виден предмет. F – фокусное
расстояние лупы.- угловое увеличение лупы. Увеличение, даваемое
лупой, ограничено ее размерами. Лупы применяют часовых дел
мастера, геологи,ботаники,нумизматы

37.

Микроскоп

38.

Микроскоп
Микроскоп представляет собой комбинацию двух линз или
систем линз.
Линза О1, обращенная к предмету называется объективом (дает
действительное увеличение изображения предмета).
Линза О2 – окуляр.
Предмет помещают между фокусом объектива и точкой, находящейся на
двойном фокусном расстоянии. Окуляр размещают так, чтобы изображение
совпадало с фокальной плоскостью окуляра.

39.

Фотоаппарат
Фотоаппаратом называется
устройство для получения
оптических изображений
различных объектов на
светочувствительном слое
фотопленки или какоголибо
другого
фотоматериала.

40.

Строение фотоаппарата
Одной из основных частей
фотоаппарата
является
объектив, состоящий из
нескольких
линз
и
помещаемый в передней
части светонепроницаемой
камеры. Внутри камеры
находится
фотопленка.
Объектив можно плавно
перемещать относительно

41.

При фотографировании
объектив
открывается
при
помощи
специального затвора, и
лучи
света
от
фотографируемого
предмета попадают на
фотопленку

42.

Труба Кеплера
В 1613 г. была изготовлена Кристофом Шайнером по схеме Кеплера.
Иоганн Кеплер
(1571 – 1630)
Объектив – длиннофокусная линза, дающая действительное уменьшенное, перевернутое
изображение предмета. Изображение удаленного предмета получается в фокальной плоскости
объектива. Окуляр находится от этого изображения на своем фокусном расстоянии.
Труба Кеплера дает перевернутое изображение.

43.

Бинокль
Бинокль представляет собой две зрительные трубы, соединенные вместе
для наблюдения предмета двумя глазами.
Призменный бинокль.
Для уменьшения размеров
применяемых в бинокле труб
Кеплера и переворачивания
изображения
используются
прямоугольные призмы полного
отражения.

44.

Телескопы
Телескоп - оптическое устройство представляет собой мощную зрительную трубу,
предназначенную для наблюдения весьма удаленных объектов – небесных светил.
Телескоп – это оптическая система, которая, «выхватывая» из пространства небольшую
область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает
параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку
(фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), которая
одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в параллельные.
Линзовый телескоп совершенствовался. Чтобы
улучшить качество изображения, астрономы
использовали
новейшие
технологии
стекловарения, а также увеличивали фокусное
расстояние телескопов, что, естественно
приводило к увеличению и их физических
размеров (например, в конце XVIII века длина
телескопа Яна Гевелия достигала 46 м).

45.

Стремясь усовершенствовать конструкцию телескопа таким образом, чтобы добиться
максимально высокого качества изображения, ученые создали несколько оптических
схем, использующих как линзы, так и зеркала. Среди таких телескопов наибольшее
распространение получили катадиоптрические системы Ньютона.
По типу элемента, используемого для сбора световых лучей в фокусе, все
современные
потребительские
телескопы
подразделяются
на
линзовые
(рефракторы), зеркальные (рефлекторы) и зеркально-линзовые (катадиоптрические).
Телескопы по типу элемента,
используемого для сбора световых
лучей в фокусе
рефракторы
(линзовые)
рефлекторы
(зеркальные)
катадиоптрические
(зеркально-линзовые)

46.

Линзовые
телескопы
(рефракторы)
Преимущества:
• закрытая
труба
телескопа
предотвращает
проникновение
внутрь трубы пыли и влаги,
которые оказывают негативное
воздействие
на
полезные
свойства телескопа.
• Просты в обслуживании и
эксплуатации – положение их
линз зафиксировано в заводских
условиях, что избавляет пользователя от необходимости самостоятельно производить
юстировку, то есть тонкую подстройку.
• отсутствует центральное экранирование, которое уменьшает количество
поступающего света и ведет к искажению дифракционной картины.
Недостатки:
• хроматическая аберрация.

47.

Зеркальные телескопы (рефлекторы)
Преимущества:
• Объектив – параболическое зеркало
большого диаметра
лишено
хроматической аберрации.
• менее дороги в производстве: в
конструкции рефлектора присутствуют
всего две нуждающиеся в полировке и
специальных покрытиях поверхности.
Минусы:
• большую длину трубы, делающую
телескоп более уязвимым к колебаниям.
• сложное обслуживание, предполагающее
регулярную юстировку каждого зеркала.

48.

Зеркально-линзовые телескопы
(катадиоптрические)
Преимущества:
• При сохранении компактных
размеров
телескопа,
позволяет
добиваться
большего увеличения.
Недостатки:
• Нуждаются в постоянной
юстировке.

49.

50.

Аберрации оптических систем
Аберрация оптической системы — ошибка или погрешность изображения в
оптической системе вызываемая отклонением луча от того направления, по
которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе.

51.

Хроматическая аберрация:
- одна из основных аберраций оптических систем, обусловленная
зависимостью показателя преломления прозрачных сред от длины волны света

52.

Сферическая аберрация:
- одна из основных аберраций оптических систем; проявляется в несовпадении
главных фокусов для лучей света, прошедших через оптическую систему на разных
расстояниях от оптической оси системы

53.

Дисторсия:
- искривление изображения в
оптических системах из за
неравномерного
увеличения
предметов объективом от его
середины к краям. При этом
резкость
изображения
не
нарушается.

54.

Астигматизм:
Астигматизм — аберрация, при которой изображение точки, находящейся
вне оси, и образуемое узким пучком лучей, представляет собой два отрезка
прямой, расположенных перпендикулярно друг другу на разных расстояниях
от плоскости фокуса. Астигматизм возникает вследствие того, что лучи
наклонного пучка имеют различные точки сходимости.

55.

Темы докладов
Микроскопы (виды, устройство)
Телескопы (виды, устройство)
Телескоп Хаббл
Ночезрительная труба Ломоносова

56.

Решение задач
1. Показатель преломления стекла относительно воды
равен 1,182; показатель преломления глицерина
относительно воды равен 1,105. Найдите показатель
преломления стекла относительно глицерина.
2. Оптическая сила линзы равна 2 дптр. Найдите её
фокусное расстояние.
3. Для воздушной разведки с самолета на высоте 3000 м
необходимо получить снимки с местности в масштабе
1:5000. Какого должно быть фокусное расстояние
линзы?

57.

Домашнее задание
Учебник: Мякишев, Буховцев 11 класс
Раздел ОПТИКА Глава 8