Le formule di base in fisica sono l'ottica. L'ottica è una branca della fisica che studia il comportamento e le proprietà della luce.

Ci imbattiamo nella parola "ottica", ad esempio, quando passiamo da un punto vendita dove si vendono occhiali. Inoltre, molti ricordano di aver studiato ottica a scuola. Che cos'è l'ottica?

L'ottica è una branca della fisica che studia la natura della luce, le sue proprietà, le leggi di propagazione in vari mezzi, nonché l'interazione della luce con le sostanze. Per capire meglio cos'è l'ottica, devi capire cos'è la luce.

Concetti di luce nella fisica moderna

La fisica considera la luce, a noi familiare, come un fenomeno complesso con una duplice natura. Da un lato, la luce è considerata un flusso di minuscole particelle - quanti di luce (fotoni). D'altra parte, la luce può essere descritta come un tipo di onde elettromagnetiche con una lunghezza specifica.

Sezioni separate dell'ottica studiano la luce come fenomeno fisico da varie angolazioni.

Sezioni ottiche

Ottica geometrica. Considera le leggi di propagazione della luce, nonché la riflessione e la rifrazione dei raggi luminosi. Rappresenta la luce come un raggio che si propaga in un mezzo omogeneo in modo rettilineo (in questo è simile a un raggio geometrico). Non tiene conto della natura ondulatoria della luce.
Ottica ondulatoria. Studia le proprietà della luce come una sorta di onde elettromagnetiche.
Ottica quantistica. Studia le proprietà quantistiche della luce (studia l'effetto fotoelettrico, i processi fotochimici, la radiazione laser, ecc.)

Ottica nella vita umana

Studiando la natura della luce e le leggi della sua propagazione, una persona usa la conoscenza acquisita a suo vantaggio. I dispositivi ottici più comuni nella vita circostante sono gli occhiali, un microscopio, un telescopio, una lente fotografica e un cavo in fibra ottica utilizzato per la posa di una LAN (puoi scoprirlo nell'articolo

- La storia dello sviluppo dell'ottica.

- Le principali disposizioni della teoria corpuscolare di Newton.

- Le principali disposizioni della teoria ondulatoria di Huygens.

- Viste sulla natura della luce in XIX – XX secoli.

- Le principali disposizioni dell'ottica.

- Proprietà ondulatorie della luce e dell'ottica geometrica.

- L'occhio come sistema ottico.

- Spettroscopio.

- Dispositivo di misurazione ottico.

- Conclusione.

- Elenco della letteratura utilizzata.

La storia dello sviluppo dell'ottica.

Ottica: lo studio della natura della luce, dei fenomeni luminosi e dell'interazione della luce con la materia. E quasi tutta la sua storia è una storia di ricerca di una risposta: che cos'è la luce?

Una delle prime teorie sulla luce, la teoria dei raggi visivi, fu avanzata dal filosofo greco Platone intorno al 400 a.C. NS. Questa teoria presumeva che i raggi emanassero dall'occhio, che, incontrandosi con gli oggetti, li illuminasse e creasse l'aspetto del mondo circostante. Le opinioni di Platone furono supportate da molti scienziati dell'antichità e, in particolare, Euclide (III secolo aC), basato sulla teoria dei raggi visivi, fondò la dottrina della rettilineità della propagazione della luce, stabilì la legge della riflessione.

Negli stessi anni sono stati scoperti i seguenti fatti:

- rettilineità di propagazione della luce;

- il fenomeno della riflessione della luce e la legge della riflessione;

- il fenomeno della rifrazione della luce;

- azione di focalizzazione di uno specchio concavo.

Gli antichi greci gettarono le basi per il ramo dell'ottica, che in seguito ricevette il nome geometrico.

Il lavoro più interessante sull'ottica che ci è pervenuto dal Medioevo è il lavoro dello scienziato arabo Algazen. Studiò la riflessione della luce dagli specchi, il fenomeno della rifrazione e la trasmissione della luce nelle lenti. Alhazen fu il primo ad esprimere l'idea che la luce abbia una velocità di propagazione finita. Questa ipotesi era una delle principali

un passo nella comprensione della natura della luce.

Durante il Rinascimento furono fatte molte scoperte e invenzioni diverse; il metodo sperimentale iniziò ad imporsi come base per lo studio e la conoscenza del mondo circostante.

Sulla base di numerosi fatti sperimentali a metà del XVII secolo, sono emerse due ipotesi sulla natura dei fenomeni luminosi:

- corpuscolare, che ipotizzava che la luce fosse un flusso di particelle espulse ad alta velocità da corpi luminosi;

- onda, che ha affermato che la luce è un movimento vibrazionale longitudinale di uno speciale mezzo luminifero - l'etere - eccitato dalle vibrazioni delle particelle di un corpo luminoso.

Ogni ulteriore sviluppo della teoria della luce fino ai giorni nostri è la storia dello sviluppo e della lotta di queste ipotesi, i cui autori furono I. Newton e H. Huygens.

Le principali disposizioni della teoria corpuscolare di Newton:

1) La luce è costituita da piccole particelle di materia, emesse in tutte le direzioni lungo linee rette, o raggi, un corpo luminoso, ad esempio una candela accesa. Se questi raggi, costituiti da corpuscoli, cadono nel nostro occhio, allora vediamo la loro fonte (Fig. 1).

2) I corpuscoli leggeri hanno dimensioni diverse. Le particelle più grandi, che entrano nell'occhio, danno l'impressione di un colore rosso, il più piccolo - viola.

3) Il bianco è una miscela di tutti i colori: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, blu, viola.

4) La riflessione della luce dalla superficie avviene per riflessione dei corpuscoli dalla parete secondo la legge dell'impatto elastico assoluto (Fig. 2).

5) Il fenomeno della rifrazione della luce è spiegato dal fatto che i corpuscoli sono attratti dalle particelle del mezzo. Più denso è il mezzo, minore è l'angolo di rifrazione è l'angolo di incidenza.

6) Il fenomeno della dispersione della luce, scoperto da Newton nel 1666, spiegò come segue. Ogni colore è già presente nella luce bianca. Tutti i colori vengono trasmessi insieme attraverso lo spazio interplanetario e l'atmosfera e producono un effetto di luce bianca. La luce bianca - una miscela di vari corpuscoli - sperimenta la rifrazione dopo aver attraversato un prisma. Dal punto di vista della teoria meccanica, la rifrazione è dovuta alle forze delle particelle di vetro che agiscono sui corpuscoli luminosi. Queste forze sono diverse per i diversi corpuscoli. Sono più grandi per il viola e più piccoli per il rosso. Il percorso dei corpuscoli nel prisma per ogni colore sarà rifratto a modo suo, quindi il raggio complesso bianco si dividerà in raggi componenti colorati.

7) Newton ha delineato i modi per spiegare la birifrangenza, ipotizzando che i raggi di luce abbiano "lati diversi" - una proprietà speciale che determina la loro diversa rifrazione quando attraversano un corpo birifrangente.

La teoria corpuscolare di Newton spiegava in modo soddisfacente molti fenomeni ottici conosciuti a quel tempo. Il suo autore godeva di un'enorme autorità nel mondo scientifico e presto la teoria di Newton ottenne molti sostenitori in tutti i paesi.

Le principali disposizioni della teoria ondulatoria della luce di Huygens.

1) La luce è la propagazione di impulsi periodici elastici nell'etere. Questi impulsi sono longitudinali e simili agli impulsi del suono nell'aria.

2) L'etere è un mezzo ipotetico che riempie lo spazio celeste e gli spazi tra le particelle dei corpi. È senza peso, non obbedisce alla legge di gravitazione universale e ha una grande elasticità.

3) Il principio di propagazione delle vibrazioni dell'etere è tale che ogni punto, al quale giunge l'eccitazione, è il centro delle onde secondarie. Queste onde sono deboli e l'effetto si osserva solo dove passa il loro involucro.

superficie - fronte d'onda (principio di Huygens) (Fig. 3).

Le onde luminose provenienti direttamente dalla sorgente producono la sensazione di vedere.

Un punto molto importante nella teoria di Huygens era l'assunzione che la velocità di propagazione della luce fosse finita. Usando il suo principio, lo scienziato è stato in grado di spiegare molti dei fenomeni dell'ottica geometrica:

- il fenomeno della riflessione della luce e le sue leggi;

- il fenomeno della rifrazione della luce e le sue leggi;

- il fenomeno della riflessione interna totale;

- il fenomeno della birifrangenza;

- il principio di indipendenza dei raggi luminosi.

La teoria di Huygens ha fornito la seguente espressione per l'indice di rifrazione di un mezzo:

La formula mostra che la velocità della luce dovrebbe dipendere inversamente dall'indice assoluto del mezzo. Questa conclusione era l'opposto della conclusione che segue dalla teoria di Newton. Il basso livello della tecnologia sperimentale nel XVII secolo rese impossibile stabilire quale teoria fosse corretta.

Molti dubitavano della teoria delle onde di Huygens, ma tra i pochi sostenitori delle concezioni ondulatorie sulla natura della luce c'erano M. Lomonosov e L. Euler. Con le ricerche di questi scienziati, la teoria di Huygens iniziò a prendere forma come teoria delle onde, e non solo delle oscillazioni aperiodiche che si propagano nell'etere.

Viste sulla natura della luce in XIX - XX secoli.

Nel 1801, T. Jung eseguì un esperimento che sbalordì gli scienziati di tutto il mondo (Fig. 4)

S - sorgente luminosa;

E - schermo;

B e C sono fessure molto strette distanziate di 1-2 mm l'una dall'altra.

Secondo la teoria di Newton, sullo schermo dovrebbero apparire due strisce chiare, infatti sono apparse diverse strisce chiare e scure e una linea chiara P è apparsa direttamente di fronte allo spazio tra le fessure B e C. L'esperienza ha dimostrato che la luce è un fenomeno ondulatorio. Jung ha sviluppato la teoria di Huygens con idee sulle vibrazioni delle particelle, sulla frequenza delle vibrazioni. Ha formulato il principio di interferenza, in base al quale ha spiegato il fenomeno della diffrazione, dell'interferenza e del colore delle lastre sottili.

Il fisico francese Fresnel ha combinato il principio del moto ondoso di Huygens e il principio di interferenza di Young. Su questa base sviluppò una rigorosa teoria matematica della diffrazione. Fresnel riuscì a spiegare tutti i fenomeni ottici conosciuti a quel tempo.

Le principali disposizioni della teoria delle onde di Fresnel.

- Luce - la propagazione delle vibrazioni nell'etere ad una velocità in cui il modulo elastico dell'etere, R- la densità dell'etere;

- Le onde luminose sono trasversali;

- L'etere leggero ha le proprietà di un corpo solido elastico, è assolutamente incomprimibile.

Quando si passa da un mezzo all'altro, l'elasticità dell'etere non cambia, ma cambia la sua densità. L'indice di rifrazione relativo della sostanza.

Le vibrazioni laterali possono verificarsi simultaneamente in tutte le direzioni perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda.

Il lavoro di Fresnel ha vinto il riconoscimento degli scienziati. Presto apparve tutta una serie di lavori sperimentali e teorici, che confermavano la natura ondulatoria della luce.

A metà del XIX secolo cominciarono ad emergere fatti che indicavano una connessione tra fenomeni ottici ed elettrici. Nel 1846 M. Faraday osservò la rotazione dei piani di polarizzazione della luce in corpi posti in un campo magnetico. Faraday ha introdotto il concetto di campo elettrico e magnetico come una sorta di sovrapposizione nell'etere. È apparso un nuovo "etere elettromagnetico". Il primo ad attirare l'attenzione su queste opinioni fu il fisico inglese Maxwell. Ha sviluppato queste idee e ha costruito una teoria del campo elettromagnetico.

La teoria elettromagnetica della luce non eliminò la teoria meccanica di Huygens-Jung-Fresnel, ma la elevò a un nuovo livello. Nel 1900, il fisico tedesco Planck avanzò un'ipotesi sulla natura quantistica della radiazione. La sua essenza era la seguente:

- l'emissione luminosa è discreta;

- l'assorbimento avviene anche in porzioni discrete, quanti.

L'energia di ogni quanto è rappresentata dalla formula E = h n, dove hÈ la costante di Planck, e nÈ la frequenza della luce.

Cinque anni dopo Planck uscì il lavoro del fisico tedesco Einstein sull'effetto fotoelettrico. Einstein credeva:

- la luce che non è ancora entrata in interazione con la materia ha una struttura granulare;

- l'elemento strutturale della radiazione luminosa discreta è un fotone.

Apparve così una nuova teoria quantistica della luce, che nacque sulla base della teoria corpuscolare di Newton. Un quanto agisce come un corpuscolo.

Disposizioni di base.

- La luce viene emessa, distribuita e assorbita in porzioni discrete - quanti.

- Quantum of light - un fotone trasporta energia proporzionale alla frequenza dell'onda con cui è descritto dalla teoria elettromagnetica E = h n .

- Fotone, ha massa (), momento e momento angolare ().

- Un fotone, in quanto particella, esiste solo in movimento, la cui velocità è la velocità di propagazione della luce in un dato ambiente.

- Per tutte le interazioni a cui partecipa un fotone valgono le leggi generali di conservazione dell'energia e della quantità di moto.

- Un elettrone in un atomo può essere solo in alcuni stati stazionari stabili discreti. Mentre in stati stazionari, l'atomo non irradia energia.

- Passando da uno stato stazionario ad un altro, un atomo emette (assorbe) un fotone con una frequenza, (dove mi1 e E2- energie degli stati iniziale e finale).

Con l'emergere della teoria dei quanti, è diventato chiaro che le proprietà corpuscolari e ondulatorie sono solo due lati, due manifestazioni interconnesse dell'essenza della luce. Non riflettono l'unità dialettica della discrezione e della continuità della materia, espressa nella manifestazione simultanea di proprietà ondulatorie e corpuscolari. Lo stesso processo di radiazione può essere descritto sia con l'aiuto di un apparato matematico per le onde che si propagano nello spazio e nel tempo, sia con l'aiuto di metodi statistici per prevedere l'aspetto delle particelle in un dato luogo e in un dato momento. Entrambi questi modelli possono essere utilizzati contemporaneamente e, a seconda delle condizioni, viene data la preferenza a uno di essi.

Le conquiste degli ultimi anni nel campo dell'ottica sono diventate possibili grazie allo sviluppo sia della fisica quantistica che dell'ottica ondulatoria. La teoria della luce continua ad evolversi oggi.

L'ottica è una branca della fisica che studia le proprietà e la natura fisica della luce, nonché la sua interazione con la materia.

I fenomeni ottici più semplici, come la comparsa di ombre e l'acquisizione di immagini in dispositivi ottici, possono essere compresi nell'ambito dell'ottica geometrica, che opera con il concetto di raggi luminosi separati che obbediscono alle note leggi di rifrazione e riflessione e indipendenti da l'un l'altro. Per comprendere fenomeni più complessi è necessaria l'ottica fisica, che consideri questi fenomeni in relazione alla natura fisica della luce. L'ottica fisica permette di derivare tutte le leggi dell'ottica geometrica e stabilire i limiti della loro applicabilità. Senza la conoscenza di questi confini, l'applicazione formale delle leggi dell'ottica geometrica può, in casi specifici, portare a risultati che contraddicono i fenomeni osservati. Pertanto, non ci si può limitare alla costruzione formale dell'ottica geometrica, ma è necessario considerarla come una sezione dell'ottica fisica.

Il concetto di fascio di luce può essere ricavato dalla considerazione di un fascio di luce reale in un mezzo omogeneo, dal quale si estrae uno stretto fascio parallelo con l'ausilio di un diaframma. Più piccolo è il diametro di questi fori, più stretto è il raggio emesso, e al limite, passando a fori piccoli a piacere, si vedrebbe il raggio di luce come una linea retta. Ma un tale processo di estrazione di un raggio (raggio) arbitrariamente stretto è impossibile a causa del fenomeno della diffrazione. L'inevitabile espansione angolare di un fascio di luce reale trasmesso attraverso un diaframma di diametro D è determinata dall'angolo di diffrazione J ~ io / D... Solo nel caso limite quando io= 0, tale espansione non avrebbe luogo, e si potrebbe parlare di raggio come di una linea geometrica, la cui direzione determina la direzione di propagazione dell'energia luminosa.

Quindi, un raggio di luce è un concetto matematico astratto e l'ottica geometrica è un caso limite approssimativo in cui l'ottica dell'onda va quando la lunghezza di un'onda luminosa tende a zero.

L'occhio come sistema ottico.

L'organo della visione umana sono gli occhi, che per molti aspetti rappresentano un sistema ottico molto perfetto.

In generale, l'occhio umano è un corpo sferico di circa 2,5 cm di diametro, chiamato bulbo oculare (Fig. 5). Il guscio esterno opaco e resistente dell'occhio è chiamato sclera e la sua parte anteriore trasparente e più convessa è chiamata cornea. All'interno, la sclera è ricoperta da una coroide, che consiste in vasi sanguigni che alimentano l'occhio. Contro la cornea, la coroide passa nell'iride, che è colorata in modo disuguale in persone diverse, che è separata dalla cornea da una camera con una massa acquosa trasparente.

L'iride ha un'apertura circolare chiamata pupilla, che può variare di diametro. Pertanto, l'iride funge da diaframma che regola l'accesso della luce all'occhio. In condizioni di luce intensa, la pupilla diminuisce e in condizioni di scarsa illuminazione aumenta. All'interno del bulbo oculare, dietro l'iride, si trova la lente, che è una lente biconvessa realizzata in materiale trasparente con un indice di rifrazione di circa 1,4. La lente è circondata da un muscolo anulare, che può modificare la curvatura delle sue superfici, e quindi il suo potere ottico.

La coroide sul lato interno dell'occhio è ricoperta da rami del nervo fotosensibile, particolarmente densi di fronte alla pupilla. Queste ramificazioni formano una membrana reticolare sulla quale si ottiene l'immagine reale degli oggetti, creata dal sistema ottico dell'occhio. Lo spazio tra la retina e il cristallino è riempito da un corpo vitreo trasparente con una struttura gelatinosa. L'immagine degli oggetti sulla retina è invertita. Tuttavia, l'attività del cervello, che riceve segnali dal nervo fotosensibile, ci permette di vedere tutti gli oggetti in posizioni naturali.

Quando il muscolo anulare dell'occhio è rilassato, si ottiene l'immagine di oggetti distanti sulla retina. In generale, la struttura dell'occhio è tale che una persona può vedere senza tensione oggetti situati ad almeno 6 metri dall'occhio. In questo caso, l'immagine di oggetti più vicini si ottiene dietro la retina dell'occhio. Per ottenere un'immagine chiara di un tale oggetto, il muscolo anulare comprime sempre più il cristallino fino a quando l'immagine dell'oggetto si trova sulla retina, quindi mantiene il cristallino in uno stato compresso.

Pertanto, la "messa a fuoco" dell'occhio umano viene eseguita modificando il potere ottico dell'obiettivo con l'aiuto del muscolo anulare. La capacità del sistema ottico dell'occhio di creare immagini chiare di oggetti situati a distanze diverse da esso è chiamata sistemazione (dal latino "accomodamento" - adattamento). Quando si guardano oggetti molto distanti, i raggi paralleli cadono nell'occhio. In questo caso, si dice che l'occhio è accomodato all'infinito.

La sistemazione dell'occhio non è infinita. Con l'aiuto del muscolo anulare, la potenza ottica dell'occhio può essere aumentata di non più di 12 diottrie. Con un lungo esame di oggetti vicini, gli occhi si stancano e il muscolo anulare inizia a rilassarsi e l'immagine dell'oggetto diventa sfocata.

Gli occhi umani ti permettono di vedere bene gli oggetti, non solo alla luce del giorno. La capacità dell'occhio di adattarsi a vari gradi di irritazione delle terminazioni del nervo fotosensibile sulla retina, ad es. a vari gradi di luminosità degli oggetti osservati si chiama adattamento.

La convergenza degli assi visivi degli occhi in un certo punto è chiamata convergenza. Quando gli oggetti si trovano a una distanza considerevole da una persona, quindi quando si spostano gli occhi da un oggetto all'altro tra gli assi degli occhi, praticamente non cambia e la persona perde la capacità di determinare correttamente la posizione dell'oggetto. Quando gli oggetti sono molto lontani, gli assi degli occhi sono paralleli e la persona non può nemmeno determinare se l'oggetto si sta muovendo o meno, a cui sta guardando. Anche la forza del muscolo anulare, che comprime l'obiettivo durante l'esame di oggetti situati vicino alla persona, svolge un ruolo nel determinare la posizione dei corpi. pecora.

Spettro oskop.

Uno spettroscopio viene utilizzato per osservare gli spettri.

Lo spettroscopio prismatico più comune è costituito da due tubi, tra i quali è posto un prisma triangolare (Fig. 7).

Nel tubo A, detto collimatore, è presente una stretta fessura, la cui larghezza può essere regolata ruotando la vite. Davanti alla fenditura è posta una sorgente luminosa il cui spettro deve essere indagato. La fenditura si trova nel piano del collimatore, e quindi i raggi luminosi dal collimatore escono sotto forma di un raggio parallelo. Dopo aver attraversato il prisma, i raggi luminosi vengono diretti nel tubo B, attraverso il quale si osserva lo spettro. Se lo spettroscopio è destinato alle misurazioni, un'immagine di una scala con divisioni viene sovrapposta all'immagine dello spettro utilizzando un dispositivo speciale, che consente di stabilire con precisione la posizione delle linee di colore nello spettro.

Dispositivo di misurazione ottico: uno strumento di misurazione in cui l'avvistamento (allineamento dei confini dell'oggetto controllato con una linea di destinazione, mirino, ecc.) o la determinazione delle dimensioni viene effettuato utilizzando un dispositivo con un principio di funzionamento ottico. Esistono tre gruppi di strumenti di misura ottici: strumenti con un principio ottico della vista e un modo meccanico di segnalare il movimento; strumenti con puntamento ottico e segnalazione del movimento; dispositivi a contatto meccanico con un dispositivo di misurazione, con un metodo ottico per determinare il movimento dei punti di contatto.

Tra i dispositivi, i primi a diffondersi sono stati i proiettori per la misurazione e il controllo di parti con un contorno complesso e dimensioni ridotte.

Il secondo strumento più comune è un microscopio di misura universale, in cui la parte da misurare si muove su un carrello longitudinale e il microscopio della testa - su uno trasversale.

I dispositivi del terzo gruppo vengono utilizzati per confrontare le grandezze lineari misurate con misure o scale. Di solito sono raggruppati sotto il nome generale di comparatori. Questo gruppo di dispositivi comprende un ottimimetro (ottica, macchina di misura, interferometro a contatto, telemetro ottico, ecc.).

Gli strumenti di misura ottici trovano largo impiego anche in geodesia (livello, teodolite, ecc.).

Il teodolite è uno strumento geodetico per determinare le direzioni e misurare gli angoli orizzontali e verticali nelle opere geodetiche, nel rilievo topografico e minerario, nelle costruzioni, ecc.

Livello - uno strumento geodetico per misurare l'elevazione dei punti sulla superficie terrestre - livellamento, nonché per impostare le direzioni orizzontali durante il montaggio, ecc. lavori.

Nella navigazione è diffuso un sestante, uno strumento goniometrico specchiante per misurare le altezze dei corpi celesti sull'orizzonte o gli angoli tra gli oggetti visibili al fine di determinare le coordinate del luogo dell'osservatore. La caratteristica più importante del sestante è la capacità di combinare contemporaneamente due oggetti nel campo visivo dell'osservatore, tra i quali viene misurato l'angolo, il che rende possibile l'uso del sestante su un aereo e su una nave senza un notevole diminuzione della precisione anche durante il pitching.

Una direzione promettente nello sviluppo di nuovi tipi di dispositivi di misurazione ottica è dotarli di dispositivi di lettura elettronici, che consentono di semplificare la lettura e l'avvistamento, ecc.

Conclusione.

Il significato pratico dell'ottica e la sua influenza su altri rami della conoscenza sono eccezionalmente grandi. L'invenzione del telescopio e dello spettroscopio ha aperto davanti all'uomo il mondo più sorprendente e più ricco di fenomeni che si verificano nel vasto universo. L'invenzione del microscopio ha rivoluzionato la biologia. La fotografia ha aiutato e continua ad aiutare quasi tutti i rami della scienza. Uno degli elementi più importanti dell'attrezzatura scientifica è l'obiettivo. Senza di essa non ci sarebbero microscopio, telescopio, spettroscopio, macchina fotografica, cinema, televisione, ecc. non ci sarebbero gli occhiali e molte persone sopra i 50 anni sarebbero private della possibilità di leggere ed eseguire molti dei lavori legati alla vista.

Il campo dei fenomeni studiati dall'ottica fisica è molto vasto. I fenomeni ottici sono strettamente correlati ai fenomeni studiati in altri rami della fisica e i metodi di ricerca ottica sono tra i più sottili e accurati. Pertanto, non sorprende che per molto tempo l'ottica abbia svolto un ruolo di primo piano in moltissime ricerche fondamentali e nello sviluppo di visioni fisiche di base. Basti dire che entrambe le principali teorie fisiche del secolo scorso - la teoria della relatività e la teoria dei quanti - hanno avuto origine e si sono ampiamente sviluppate sulla base della ricerca ottica. L'invenzione dei laser ha aperto nuove vaste possibilità non solo nell'ottica, ma anche nelle sue applicazioni in vari rami della scienza e della tecnologia.

Comitato per l'istruzione di Mosca

Informazioni sul mondo R T

Istituto tecnologico di Mosca

Dipartimento di Scienze Naturali

Lavoro finale in fisica

Sull'argomento :

Eseguita da uno studente del gruppo 14: Ryazantseva Oksana

Insegnante: Gruzdeva L.N.

- Artsybyshev S.A. Fisica - M.: Medgiz, 1950.

- Zdanov L.S. Zdanov G.L. Fisica per le istituzioni educative secondarie - Mosca: Nauka, 1981.

- Landsberg G.S. Ottica - Mosca: Nauka, 1976.

- Landsberg G.S. Manuale di fisica elementare. - M.: Nauka, 1986.

- AM Prokhorov Grande Enciclopedia Sovietica. - M.: Enciclopedia sovietica, 1974.

- Sivukhin D.V. Corso generale di fisica: Ottica - Mosca: Nauka, 1980.

Ecco le note di fisica sull'argomento "Ottica" per le classi 10-11.
!!! Gli abstract con lo stesso titolo variano in base al grado di difficoltà.

3. Diffrazione della luce- Ottica ondulatoria

4. Specchi e lenti- Ottica geometrica

5. Interferenza luminosa- Ottica ondulatoria

6. Polarizzazione della luce- Ottica ondulatoria

Ottica, ottica geometrica, ottica ondulatoria, classe 11, appunti, appunti di fisica.

SUL COLORE. LO SAPEVATE?

Sapevi che un pezzo di vetro rosso appare rosso sia nella luce riflessa che in quella trasmessa. Ma nei metalli non ferrosi, questi colori differiscono: ad esempio, l'oro riflette principalmente i raggi rossi e gialli, ma una sottile lamina d'oro traslucida trasmette la luce verde.

Gli scienziati del XVII secolo non consideravano il colore una proprietà oggettiva della luce. Ad esempio, Keplero credeva che il colore fosse una qualità che i filosofi dovrebbero studiare, non i fisici. E solo Cartesio, pur non potendo spiegare l'origine dei fiori, era convinto dell'esistenza di un nesso tra loro e le caratteristiche oggettive della luce.

La teoria ondulatoria della luce creata da Huygens è stato un grande passo avanti - ad esempio, ha fornito le spiegazioni delle leggi dell'ottica geometrica utilizzate fino ad ora. Tuttavia, il suo principale fallimento è stata l'assenza di una categoria di colore, ad es. era la teoria della luce incolore, nonostante la scoperta già fatta da Newton a quel tempo: la scoperta della dispersione della luce.

Il prisma - lo strumento principale negli esperimenti di Newton - fu da lui acquistato in una farmacia: a quei tempi osservare gli spettri prismatici era un divertimento diffuso.

Molti dei predecessori di Newton credevano che i colori avessero origine nei prismi stessi. Così, il costante avversario di Newton, Robert Hooke, pensava che il raggio del sole non potesse contenere tutti i colori; era così strano, pensò, come dire che "l'aria dei mantici dell'organo contiene tutti i toni".

Gli esperimenti di Newton lo hanno portato a una triste conclusione: in dispositivi complessi con un gran numero di lenti e prismi, la decomposizione della luce bianca è accompagnata dalla comparsa di un bordo colorato eterogeneo nell'immagine. Il fenomeno, chiamato "aberrazione cromatica", è stato successivamente superato combinando più strati di vetro con indici di rifrazione "controbilanciati", ottenendo lenti acromatiche e cannocchiali con immagini chiare senza riflessi e striature colorate.

L'idea che il colore sia determinato dalla frequenza delle oscillazioni in un'onda luminosa fu espressa per la prima volta dal famoso matematico, meccanico e fisico Leonard Euler nel 1752, con la lunghezza d'onda massima corrispondente ai raggi rossi e la minima al viola.

Inizialmente Newton distinse nello spettro solare solo cinque colori, ma in seguito, cercando una corrispondenza tra il numero dei colori e il numero dei toni fondamentali della scala musicale, ne aggiunse altri due. Forse ciò era dovuto alla dipendenza dall'antica magia del numero "sette", secondo la quale c'erano sette pianeti nel cielo, e quindi ci sono sette giorni in una settimana, sette metalli di base nell'alchimia e così via.

Goethe, che si considerava un eccezionale scienziato naturale e un poeta mediocre, criticando aspramente Newton, notò che le proprietà della luce rivelate nei suoi esperimenti non erano vere, poiché la luce in esse era "torturata da tutti i tipi di strumenti di tortura - fessure, prismi, lenti." È vero, in questa critica, i fisici piuttosto seri hanno visto in seguito un'ingenua anticipazione del punto di vista moderno sul ruolo delle apparecchiature di misurazione.

La teoria della visione dei colori - sull'ottenimento di tutti i colori mescolando tre fondamentali - ha origine dal discorso di Lomonosov nel 1756 "Una parola sull'origine della luce, una nuova teoria dei colori che rappresentano ...", che, tuttavia, non fu notata da il mondo scientifico. Mezzo secolo dopo, questa teoria fu supportata da Jung, e anche i suoi presupposti nel 1860 furono sviluppati in dettaglio nella teoria del colore a tre componenti di Helmholtz.

Se alcuni pigmenti sono assenti nei fotorecettori retinici, la persona non sente i toni corrispondenti, ad es. diventa parzialmente daltonico. Tale era il fisico inglese Dalton, da cui prende il nome questa disabilità visiva. Ed è stato scoperto nientemeno che da Jung da Dalton.

Il fenomeno, chiamato effetto Purkine, dal famoso biologo ceco che lo studiò, indica che diversi ambienti dell'occhio hanno una rifrazione disuguale, e questo spiega il verificarsi di alcune illusioni visive.

Gli spettri ottici di atomi o ioni non sono solo una ricca fonte di informazioni sulla struttura dell'atomo, ma contengono anche informazioni sulle caratteristiche del nucleo atomico, principalmente associate alla sua carica elettrica.

L'ottica geometrica è un caso di ottica estremamente semplice. Fondamentalmente, è una versione semplificata dell'ottica d'onda che non considera e semplicemente non assume fenomeni come l'interferenza e la diffrazione. Tutto qui è semplificato al limite. E questo è buono.

Concetti basilari

Ottica geometrica- la sezione di ottica, che tratta le leggi della propagazione della luce nei mezzi trasparenti, le leggi della riflessione della luce dalle superfici speculari, i principi di costruzione delle immagini quando la luce passa attraverso i sistemi ottici.

Importante! Tutti questi processi sono considerati senza tener conto delle proprietà ondulatorie della luce!

Nella vita, l'ottica geometrica, essendo un modello estremamente semplificato, trova tuttavia ampia applicazione. È come la meccanica classica e la teoria della relatività. Spesso è molto più facile eseguire il calcolo richiesto nell'ambito della meccanica classica.

Il concetto di base dell'ottica geometrica è raggio di luce.

Si noti che un raggio di luce reale non si propaga lungo la linea, ma ha una distribuzione angolare finita, che dipende dalla dimensione trasversale del raggio. L'ottica geometrica trascura le dimensioni trasversali del fascio.

La legge della propagazione rettilinea della luce

Questa legge ci dice che in un mezzo omogeneo la luce si propaga in linea retta. In altre parole, dal punto A al punto B, la luce si muove lungo il percorso che richiede il minimo tempo per essere superato.

La legge di indipendenza dei raggi luminosi

I raggi luminosi si propagano indipendentemente l'uno dall'altro. Cosa significa? Ciò significa che l'ottica geometrica presuppone che i raggi non si influenzino a vicenda. E si diffondono come se non ci fossero altri raggi.

Legge sulla riflessione della luce

Quando la luce incontra una superficie speculare (riflettente), si verifica la riflessione, cioè un cambiamento nella direzione di propagazione del raggio di luce. Quindi, la legge della riflessione dice che i raggi incidente e riflesso giacciono sullo stesso piano insieme alla normale disegnata nel punto di incidenza. Inoltre, l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione, cioè la normale divide l'angolo tra i raggi in due parti uguali.

Legge di rifrazione (di Snell)

All'interfaccia tra i media, insieme alla riflessione, si verifica anche la rifrazione, ad es. il raggio si divide in riflesso e rifratto.

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Il rapporto dei seni degli angoli di incidenza e rifrazione è un valore costante ed è uguale al rapporto degli indici di rifrazione di questi mezzi. Questo valore è anche chiamato indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo.

Qui vale la pena considerare separatamente il caso della riflessione interna totale. Quando la luce si propaga da un mezzo otticamente più denso a un mezzo meno denso, l'angolo di rifrazione è maggiore in grandezza dell'angolo di incidenza. Di conseguenza, con un aumento dell'angolo di incidenza, aumenterà anche l'angolo di rifrazione. Ad un certo angolo di incidenza limite, l'angolo di rifrazione diventerà uguale a 90 gradi. Con un ulteriore aumento dell'angolo di incidenza, la luce non verrà rifratta nel secondo mezzo e l'intensità dei raggi incidente e riflessa sarà uguale. Questa è chiamata riflessione interna totale.

La legge della reversibilità dei raggi luminosi

Immaginiamo che un raggio, propagandosi in una certa direzione, abbia subito una serie di cambiamenti e rifrazioni. La legge della reversibilità dei raggi luminosi dice che se invii un altro raggio verso questo raggio, seguirà lo stesso percorso del primo, ma nella direzione opposta.

Continueremo a studiare le basi dell'ottica geometrica e in futuro guarderemo sicuramente esempi di risoluzione di problemi usando varie leggi. Bene, se ora hai domande, benvenuto dagli esperti per le risposte corrette. servizio agli studenti... Ti aiuteremo a risolvere qualsiasi problema!

Amangeldinov Mustafà Rakhatovich
Alunno
Scuola intellettuale Nazarbayev mustafastu[e-mail protetta] gmail. come

Ottica. Storia dell'ottica Applicazioni dell'ottica.

La storia dello sviluppo dell'ottica.

Negli stessi anni sono stati scoperti i seguenti fatti:

– rettilineità di propagazione della luce;

– il fenomeno della riflessione della luce e la legge della riflessione;

– il fenomeno della rifrazione della luce;

– messa a fuoco di uno specchio concavo.

Gli antichi greci gettarono le basi per il ramo dell'ottica, che in seguito ricevette il nome geometrico.

Durante il Rinascimento furono fatte molte scoperte e invenzioni diverse; il metodo sperimentale iniziò ad imporsi come base per lo studio e la conoscenza del mondo circostante.

Sulla base di numerosi fatti sperimentali a metà del XVII secolo, sono emerse due ipotesi sulla natura dei fenomeni luminosi:

– corpuscolare, che presumeva che la luce fosse un flusso di particelle espulse ad alta velocità da corpi luminosi;

– onda, che ha affermato che la luce è un movimento vibrazionale longitudinale di uno speciale mezzo luminifero - l'etere - eccitato dalle vibrazioni delle particelle di un corpo luminoso.

Ogni ulteriore sviluppo della teoria della luce fino ai giorni nostri è la storia dello sviluppo e della lotta di queste ipotesi, i cui autori furono I. Newton e H. Huygens.

Le principali disposizioni della teoria corpuscolare di Newton:

1) La luce è costituita da piccole particelle di materia, emesse in tutte le direzioni lungo linee rette, o raggi, un corpo luminoso, ad esempio una candela accesa. Se questi raggi, costituiti da corpuscoli, entrano nel nostro occhio, allora vediamo la loro fonte.

2) I corpuscoli leggeri hanno dimensioni diverse. Le particelle più grandi, che entrano nell'occhio, danno l'impressione di un colore rosso, il più piccolo - viola.

3) Il bianco è una miscela di tutti i colori: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, blu, viola.

4) La riflessione della luce dalla superficie avviene per riflessione dei corpuscoli dalla parete secondo la legge dell'impatto elastico assoluto.

7) Newton ha delineato modi per spiegare la birifrangenza, ipotizzando che i raggi di luce abbiano "lati diversi" - una proprietà speciale che determina la loro diversa rifrazione quando attraversano un corpo birifrangente.

Viste sulla natura della luce nei secoli XIX-XX.

Nel 1801, T. Jung eseguì un esperimento che sbalordì gli scienziati di tutto il mondo: S - sorgente luminosa; E - schermo; B e C sono fessure molto strette distanziate di 1-2 mm l'una dall'altra.

Le principali disposizioni della teoria delle onde di Fresnel.

– La luce è la propagazione delle vibrazioni nell'etere ad una velocità, dove il modulo di elasticità dell'etere, r è la densità dell'etere;

– Le onde luminose sono trasversali;

– L'etere leggero ha le proprietà di un corpo solido elastico, è assolutamente incomprimibile.

Quando si passa da un mezzo all'altro, l'elasticità dell'etere non cambia, ma cambia la sua densità. L'indice di rifrazione relativo della sostanza.

Le vibrazioni laterali possono verificarsi simultaneamente in tutte le direzioni perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda.

Il lavoro di Fresnel ha vinto il riconoscimento degli scienziati. Presto apparve tutta una serie di lavori sperimentali e teorici, che confermavano la natura ondulatoria della luce.

– l'emissione luminosa è discreta;

– l'assorbimento avviene anche in porzioni discrete, quanti.

L'energia di ogni quanto è rappresentata dalla formulaE = hn , doveh È la costante di Planck e n è la frequenza della luce.

Cinque anni dopo Planck uscì il lavoro del fisico tedesco Einstein sull'effetto fotoelettrico. Einstein credeva:

– la luce che non è ancora entrata in interazione con la materia ha una struttura granulare;

– l'elemento strutturale della radiazione luminosa discreta è un fotone.

Nel 1913 il fisico danese N. Bohr pubblicò la teoria dell'atomo, in cui combinò la teoria dei quanti di Planck-Einstein con il quadro della struttura nucleare dell'atomo.

Apparve così una nuova teoria quantistica della luce, che nacque sulla base della teoria corpuscolare di Newton. Un quanto agisce come un corpuscolo.

Disposizioni di base.

– La luce viene emessa, distribuita e assorbita in porzioni discrete - quanti.

– Quantum of light - un fotone trasporta energia proporzionale alla frequenza dell'onda con cui è descritto dalla teoria elettromagneticaE = hn .

– Fotone, ha massa (), momento e momento angolare ().

– Un fotone, in quanto particella, esiste solo in movimento, la cui velocità è la velocità di propagazione della luce in un dato mezzo.

– Per tutte le interazioni a cui partecipa un fotone valgono le leggi generali di conservazione dell'energia e della quantità di moto.

– Un elettrone in un atomo può trovarsi solo in determinati stati stazionari stabili discreti. Mentre in stati stazionari, l'atomo non irradia energia.

– Passando da uno stato stazionario ad un altro, un atomo emette (assorbe) un fotone con una frequenza, (doveE 1 eE 2 - energie degli stati iniziale e finale).

Proprietà ondulatorie della luce e dell'ottica geometrica.

L'ottica è una branca della fisica che studia le proprietà e la natura fisica della luce, nonché la sua interazione con la materia.

Il concetto di fascio di luce può essere ricavato dalla considerazione di un fascio di luce reale in un mezzo omogeneo, dal quale si estrae uno stretto fascio parallelo con l'ausilio di un diaframma. Più piccolo è il diametro di questi fori, più stretto è il raggio emesso, e al limite, passando a fori piccoli a piacere, si vedrebbe il raggio di luce come una linea retta. Ma un tale processo di estrazione di un raggio (raggio) arbitrariamente stretto è impossibile a causa del fenomeno della diffrazione. L'inevitabile espansione angolare di un fascio di luce reale trasmesso attraverso un diaframma di diametro D è determinata dall'angolo di diffrazione j~ l / D ... Solo nel caso limite, quando l = 0, tale espansione non avverrebbe, e si potrebbe parlare di raggio come di una linea geometrica, la cui direzione determina la direzione di propagazione dell'energia luminosa.

Quindi, un raggio di luce è un concetto matematico astratto e l'ottica geometrica è un caso limite approssimativo in cui l'ottica dell'onda va quando la lunghezza di un'onda luminosa tende a zero.

L'occhio come sistema ottico.

L'organo della visione umana sono gli occhi, che per molti aspetti rappresentano un sistema ottico molto perfetto.

In generale, l'occhio umano è un corpo sferico di circa 2,5 cm di diametro, chiamato bulbo oculare (Fig. 5). Il guscio esterno opaco e resistente dell'occhio è chiamato sclera e la sua parte anteriore trasparente e più convessa è chiamata cornea. All'interno, la sclera è ricoperta da una coroide, che consiste in vasi sanguigni che alimentano l'occhio. Contro la cornea, la coroide passa nell'iride, diversamente colorata in persone diverse, che è separata dalla cornea da una camera con una massa acquosa trasparente.

Pertanto, "mirare al fuoco" dell'occhio umano viene effettuato modificando il potere ottico dell'obiettivo con l'aiuto del muscolo anulare.La capacità del sistema ottico dell'occhio di creare immagini chiare di oggetti a diverse distanze da si chiama alloggio (dal latino "accomodazione" - dispositivo). Quando si guardano oggetti molto distanti, i raggi paralleli cadono nell'occhio. In questo caso, si dice che l'occhio è accomodato all'infinito.

La convergenza degli assi visivi degli occhi in un certo punto è chiamata convergenza. Quando gli oggetti si trovano a una distanza considerevole da una persona, quindi quando si spostano gli occhi da un oggetto all'altro tra gli assi degli occhi, praticamente non cambia e la persona perde la capacità di determinare correttamente la posizione dell'oggetto. Quando gli oggetti sono molto lontani, gli assi degli occhi sono paralleli e la persona non può nemmeno determinare se l'oggetto si sta muovendo o meno, a cui sta guardando. Anche la forza del muscolo anulare, che comprime l'obiettivo durante l'esame di oggetti situati vicino a una persona, svolge un ruolo nel determinare la posizione dei corpi.

Spettroscopio.

Uno spettroscopio viene utilizzato per osservare gli spettri.

Lo spettroscopio prismatico più comune è costituito da due tubi, tra i quali è posto un prisma triangolare.

Dispositivo di misurazione ottico.

Tra i dispositivi, i primi a diffondersi sono stati i proiettori per la misurazione e il controllo di parti con un contorno complesso e dimensioni ridotte.

Il secondo strumento più comune è un microscopio di misura universale, in cui la parte da misurare si muove su un carrello longitudinale e il microscopio della testa - su uno trasversale.

Gli strumenti di misura ottici trovano largo impiego anche in geodesia (livello, teodolite, ecc.).

Il teodolite è uno strumento geodetico per determinare le direzioni e misurare gli angoli orizzontali e verticali nelle opere geodetiche, nel rilievo topografico e minerario, nelle costruzioni, ecc.

Livello - uno strumento geodetico per misurare l'elevazione dei punti sulla superficie terrestre - livellamento, nonché per impostare le direzioni orizzontali durante il montaggio, ecc. lavori.

Conclusione.

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