Теоретичні відомості. Оптика - розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та його взаємодія з речовиною

Оптика - розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та його взаємодія з речовиною. Поняття світла охоплює не тільки видиме світло, а й прилеглі до нього широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль - інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Сучасна оптика вивчає ділянку спектра від м’якого рентгенівського випромінювання до радіохвиль міліметрового діапазону.

Найпростіші оптичні явища, такі як утворення тіні та зображення в оптичних приладах, можна пояснити законами геометричної оптики. Геометрична оптика має свою термінологію, понятійний апарат і базується на чотирьох основних законах, які були виведені дослідним шляхом.

1. Закон прямолінійного поширення світла. Світло в прозорому однорідному середовищі поширюється прямолінійно. На основі цього закону звичайно пояснюють виникнення тіней і півтіней, явища сонячного і місячного затемнень.

2. Закон незалежності світлових пучків. Цей закон полягає в тому, що поширення будь-якого світлового пучка в середовищі не залежить від того, чи є в цьому середовищі інші світлові пучки.

3. Закон відбивання. Падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з перпендикуляром, проведеним в точку падіння, а кут падіння і дорівнює куту відбивання і¢ (рис. 1).

4. Закон заломлення світла. Падаючий і заломлений промені лежать в одній площині з перепендикуляром, проведеним в точку падіння, а відношення синуса кута падіння і до синуса кута заломлення r для двох оптичних середовищ є величиною, яка залежить тільки від довжини світлової хвилі. Ця величина називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого і позначається n₂₁:

, (1)

де n₁, n₂ - абсолютні показники заломлення відповідно першого і другого середовищ (див. рис. 1).

Фізичний зміст абсолютного показника заломлення полягає в тому, що він показує, в скільки разів зменшується швидкість поширення світла при переході з вакууму в середовище внаслідок взаємодії електромагнітної світлової хвилі з речовиною:

, (2)

де с - швидкість світла у вакуумі (с = 3× 10⁸ м/с); v - швидкість світла в оптично прозорому середовищі. З формули (2) видно, що n> 1, бо завжди с> v. Показник заломлення n є важливою характеристикою речовини.

До найпростіших оптичних приладів, зображення в яких можуть бути пояснені законами геометричної оптики, належать зорова труба, мікроскоп, лупа, око. Основним елементом оптичних систем є лінза.

Лінза - цепрозоре тіло, яке обмежене двома поверхнями (найчастіше сферичними). Формула тонкої лінзи, тобто такої лінзи, товщина якого мала порівняно з радіусами кривизни її поверхонь, має вигляд

, (3)

де а і b - відстані від оптичного центра лінзи (точка, проходячи яку, промені не змінюють напрямку поширення) відповідно до предмета і зображення; n_л, n_с - абсолютні показники заломлення лінзи і середовища; R₁, R₂ - радіуси кривизни сферичних поверхонь лінзи.

Пучок світла, що проходить паралельно головній оптичній осі (пряма лінія, що проходить через точку С - оптичний центр кривизни сферичних поверхонь лінз), збирається лінзою Л у головному фокусі F (рис. 2). Відстань CF = f називається фокусною відстанню лінзи. Через фокус F перпендикулярно до головної оптичної осі проходить фокальна площина ФП лінзи. Величина D = 1 / f називається оптичною силою лінзи і виражається в діоптріях (1 дптр = 1 м^-1). Для збиральної лінзи D > 0. Одна й та сама лінза може бути як збиральною, так і розсіювальною, залежно від значень відношення n_л. / n_с. Так, двоопукла лінза () може бути розсіювальною, якщо n_л. < n_с.

Величина d / f називається відносним отвором лінзи і часто вказується на оправах об’єктивів (d - діаметр відкритої частини лінзи).

Освітленість зображення визначається світлосилою лінзи (d / f)². Чим більша світлосила лінзи, тим більше світла потрапляє на площину одержаного зображення. Для мікроскопів, фотоапаратів, телескопів важливо мати об’єктиви якомога більшої світлосили.