Оптика

Оптика — это раздел физики, изучающий поведение, свойства и явления света. Свет является электромагнитной волной, но для большинства вводных курсов мы упрощаем его до лучей и волн, чтобы понять его поведение. Этот урок охватывает различные фундаментальные концепции оптики, включая отражение, преломление, уравнения для линз и зеркал, волновую оптику и многое другое.

Природа света

Свет можно рассматривать двумя основными способами: как волну и как частицу. Однако, в рамках данного обсуждения мы сосредоточимся на его волновой природе и будем рассматривать его как пучок света ради упрощения.

Световые волны поперечные, что означает, что они колеблются перпендикулярно направлению своего движения. Скорость света в вакууме составляет приблизительно c = 299792458 м/с. В других средах свет движется медленнее из-за взаимодействия с частицами внутри среды.

Отражение

Отражение происходит, когда свет ударяется о поверхность. Закон отражения утверждает, что угол падения равен углу отражения. Это можно представить уравнением:

Угол падения = Угол отражения
    

Если луч света падает на плоское зеркало, то угол θ_i (угол падения) будет равен углу θ_r (угол отражения).

_iθRОбщий

Реальный пример: Зеркала в автомобилях используют принципы отражения, чтобы помочь водителям видеть, что находится сзади.

Преломление

Преломление — это изгиб света при прохождении из одной среды в другую среду с другой плотностью. Свет изгибается из-за изменения скорости света при входе в новую среду.

Закон Снелла связывает углы падения и преломления с показателями преломления двух сред:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)
    

где n — показатель преломления среды.

₁)Среда 2 (n₂)θ₁θ₂

Реальный пример: Соломинка, помещенная в стакан с водой, кажется изогнутой на поверхности воды из-за преломления.

Линзы

Линзы — это прозрачные объекты, преломляющие свет, чтобы он сходился или расходился. Общие линзы включают выпуклые линзы (они сходят свет) и вогнутые линзы (они расходят свет).

Выпуклая линза

Выпуклые линзы толстые в середине и тонкие по краям. Они сходят параллельные световые лучи в фокусную точку в противоположном направлении.

1/f = (n - 1)(1/r1 - 1/r2)
    

где f — фокусное расстояние, R1 и R2 — радиусы кривизны поверхностей линзы.

Реальный пример: Увеличительные стекла используют выпуклые линзы, чтобы сделать предметы кажущимися больше.

Вогнутая линза

Вогнутые линзы тонкие в центре и толстые по краям. Они расходят параллельные световые лучи.

Реальный пример: Очки для близорукости используют вогнутые линзы, которые заставляют свет разойтись перед тем, как он попадет в глаз.

Зеркало

Вогнутое зеркало

Вогнутые зеркала или собирающие зеркала изогнуты внутрь. Они отражают свет внутрь в фокусную точку. Их используют в приложениях, где выгодно сходящееся освещение.

Выпуклое зеркало

Выпуклые зеркала или рассеивающие зеркала имеют наружную кривизну поверхности. Они рассеивают свет, но дают более широкий угол обзора.

Реальный пример: Зеркала на парковках и охранные зеркала обычно являются выпуклыми.

Уравнение для линзы и зеркала

Мы можем использовать следующие уравнения для зеркала и линзы, чтобы рассчитать различные свойства:

1/f = 1/do + 1/di
    

где f — фокусное расстояние, do — расстояние от объекта и di — расстояние до изображения.

Волновая оптика

Хотя лучевая модель света помогает объяснить многие явления, она не работает, когда очевидна волновая природа света. В таких случаях важна волновая оптика для понимания интерференции, дифракции и поляризации.

Интерференция

Интерференция происходит, когда две или более световых волн комбинируются для образования нового волнового рисунка. Это может происходить как конструктивная или деструктивная интерференция.

d * sin(θ) = m * λ
    

Где d — расстояние между щелями, θ — угол интерференции, m — порядковый номер, а λ — длина волны света.

Дифракция

Дифракция — это изгиб волн света вокруг препятствий и отверстий. Степень дифракции зависит от размера препятствия относительно длины волны света.

Поляризация

Поляризация — это процесс, в котором волны света или другого электромагнитного излучения ограничиваются определенными направлениями колебаний. Поэтому поляризованные солнцезащитные очки полезны для уменьшения бликов.

Заключение

Оптика — это обширная и увлекательная область физики, исследующая поведение света. Понимая принципы отражения, преломления, линз, зеркал и волновой оптики, мы можем решать реальные проблемы и воплощать инновации в различных технологических областях. Исследование света является основополагающим для нашего понимания природного мира и продолжает оставаться важной областью научного исследования.

Комментарии