Geometrijska in valovna optika. Pogoji za uporabo teh pristopov (iz razmerja med valovno dolžino in velikostjo predmeta). Koherentnost valov. Koncept prostorske in časovne koherence. prisilna emisija. Značilnosti laserskega sevanja. Zgradba in princip delovanja laserja.
Ker je svetloba valovski pojav, prihaja do motenj, zaradi katerih omejeno svetlobni žarek se ne širi v eno smer, ampak ima končno kotno porazdelitev, torej pride do uklona. V tistih primerih, ko so značilne prečne dimenzije svetlobnih žarkov dovolj velike v primerjavi z valovno dolžino, lahko zanemarimo divergenco svetlobnega žarka in predpostavimo, da se širi v eno samo smer: vzdolž svetlobnega žarka.
Valovna optika je veja optike, ki opisuje širjenje svetlobe ob upoštevanju njene valovne narave. Pojavi valovne optike - interferenca, uklon, polarizacija itd.
Interferenca valov - medsebojno ojačanje ali slabljenje amplitude dveh ali več koherentnih valov, ki se sočasno širijo v prostoru.
Uklon valovanja je pojav, ki se kaže kot odstopanje od zakonov geometrijske optike pri širjenju valov.
Polarizacija - procesi in stanja, povezani z ločevanjem kakršnih koli predmetov, predvsem v vesolju.
V fiziki je koherenca korelacija (konsistentnost) več oscilatornih ali valovnih procesov v času, ki se pokaže, ko se ti seštejejo. Nihanja so koherentna, če je razlika med njihovimi fazami v času konstantna in ko nihanja seštejemo, dobimo nihanje enake frekvence.
Če se fazna razlika dveh nihanj spreminja zelo počasi, potem naj bi nihanja nekaj časa ostala koherentna. Ta čas se imenuje koherenčni čas.
Prostorska koherenca - koherenca nihanj, ki se pojavljajo istočasno na različnih točkah v ravnini, pravokotni na smer širjenja valov.
Stimulirana emisija - generiranje novega fotona med prehodom kvantnega sistema (atoma, molekule, jedra itd.) iz vzbujenega stanja v stabilno stanje (nižja raven energije) pod vplivom inducirajočega fotona, energije ki je bila enaka razliki v nivojih energije. Ustvarjeni foton ima enako energijo, zagon, fazo in polarizacijo kot inducirni foton (ki se ne absorbira).
Lasersko sevanje je lahko neprekinjeno, s konstantno močjo, ali impulzno, ki dosega izjemno visoke konične moči. V nekaterih shemah se delovni element laserja uporablja kot optični ojačevalnik za sevanje iz drugega vira.
Fizikalna osnova za delovanje laserja je pojav stimuliranega (induciranega) sevanja. Bistvo pojava je v tem, da je vzbujeni atom sposoben oddati foton pod vplivom drugega fotona brez njegove absorpcije, če je energija slednjega enaka razliki v energijah nivojev atoma pred in po emisija. V tem primeru je emitirani foton koherenten fotonu, ki je povzročil sevanje (je njegova "natančna kopija"). Tako se svetloba ojača. Ta pojav se razlikuje od spontane emisije, pri kateri imajo oddani fotoni naključne smeri širjenja, polarizacijo in fazo.
Vsi laserji so sestavljeni iz treh glavnih delov:
aktivno (delovno) okolje;
črpalni sistemi (vir energije);
optični resonator (lahko ga ni, če laser deluje v načinu ojačevalnika).
Vsak od njih zagotavlja delovanje laserja za opravljanje njegovih specifičnih funkcij.
Geometrijska optika. Pojav popolnega notranjega odboja. Mejni kot popolne refleksije. Potek žarkov. optična vlakna.
Geometrična optika je veja optike, ki preučuje zakone širjenja svetlobe v prozornih medijih in principe konstruiranja slik med prehodom svetlobe v optičnih sistemih brez upoštevanja njenih valovnih lastnosti.
Popolni notranji odboj je notranji odboj pod pogojem, da vpadni kot presega nek kritični kot. V tem primeru se vpadni val popolnoma odbije, vrednost odbojnega koeficienta pa presega najvišje vrednosti za polirane površine. Odbojni koeficient za popolni notranji odboj ni odvisen od valovne dolžine.
Mejni kot popolnega notranjega odboja
Vpadni kot, pri katerem lomljeni žarek začne drseti vzdolž vmesnika med dvema medijema brez prehoda v optično gostejši medij
Pot žarka v ogledalih, prizmah in lečah
Svetlobni žarki iz točkovnega vira se širijo v vse smeri. V optičnih sistemih, ki se upognejo nazaj in odbijejo od vmesnika med mediji, se lahko nekateri žarki na neki točki ponovno sekajo. Točko imenujemo slika točke. Ko se žarek odbije od zrcala, je izpolnjen zakon: »odbiti žarek vedno leži v isti ravnini kot vpadni žarek in normala na odbojno površino, ki poteka skozi vpadno točko, in vpadni kot odštejemo od ta normala je enaka odbojnemu kotu."
Optična vlakna - ta izraz pomeni
veja optike, ki proučuje fizikalne pojave, ki se pojavljajo in dogajajo v optičnih vlaknih, oz
izdelki industrije natančnega inženiringa, ki vključujejo komponente na osnovi optičnih vlaken.
Naprave z optičnimi vlakni vključujejo laserje, ojačevalnike, multiplekserje, demultiplekserje in številne druge. Komponente optičnih vlaken vključujejo izolatorje, zrcala, konektorje, razdelilnike itd. Osnova optične naprave je njeno optično vezje - niz komponent optičnih vlaken, povezanih v določenem zaporedju. Optična vezja so lahko zaprta ali odprta, z ali brez povratne zveze.
Popolni notranji odboj
Notranji odsev- pojav odboja elektromagnetnega valovanja od meje med dvema prozornima medijema, pod pogojem, da val pada iz medija z višjim lomnim količnikom.
Nepopolni notranji odboj- notranji odboj, če je vpadni kot manjši od kritičnega. V tem primeru se žarek razdeli na lomljen in odbit.
Popolni notranji odboj- notranji odboj, če vpadni kot presega določen kritični kot. V tem primeru se vpadni val popolnoma odbije, vrednost odbojnega koeficienta pa presega najvišje vrednosti za polirane površine. Poleg tega odbojni koeficient za popolni notranji odboj ni odvisen od valovne dolžine.
Ta optični pojav opazimo pri širokem spektru elektromagnetnega sevanja, vključno z območjem rentgenskih žarkov.
V okviru geometrijske optike je razlaga pojava trivialna: na podlagi Snellovega zakona in ob upoštevanju, da lomni kot ne sme presegati 90°, dobimo, da pri vpadnem kotu, katerega sinus je večji od razmerja med manjšim lomnim količnikom na večjim koeficientom, se mora elektromagnetno valovanje v celoti odbiti v prvi medij.
V skladu z valovno teorijo pojava elektromagnetno valovanje kljub temu prodre v drugi medij - tam se širi tako imenovano "neenotno valovanje", ki eksponentno razpada in ne odnaša energije s seboj. Značilna globina prodiranja nehomogenega valovanja v drugi medij je reda valovne dolžine.
Popoln notranji odboj svetlobe
Razmislite o notranjem odboju na primeru dveh monokromatskih žarkov, ki vpadata na vmesnik med dvema medijema. Žarki padajo iz cone gostejšega medija (označeno s temneje modro) z lomnim količnikom na mejo z manj gostim medijem (označeno s svetlo modro) z lomnim količnikom.
Rdeči žarek pade pod kotom, to je na mejo medija, se razcepi - delno se lomi in delno odbija. Del žarka se lomi pod kotom.
Zeleni žarek pade in se popolnoma odbije src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.
Popolna notranja refleksija v naravi in tehniki
Odboj rentgenskih žarkov
Lom rentgenskih žarkov pri vpadu paše je prvi formuliral M. A. Kumakhov, ki je razvil rentgensko ogledalo, teoretično pa jo je leta 1923 utemeljil Arthur Compton.
Drugi valovni pojavi
Prikaz loma in s tem učinka popolnega notranjega odboja je možen na primer za zvočne valove na površini in v razsutem stanju tekočine pri prehodu med conami z različno viskoznostjo ali gostoto.
Pri žarkih počasnih nevtronov opazimo pojave, podobne učinku popolnega notranjega odboja elektromagnetnega sevanja.
Če navpično polariziran val pade na vmesnik pod Brewsterjevim kotom, bo opazen učinek popolne refrakcije - odbitega vala ne bo.
Opombe
Fundacija Wikimedia. 2010.
- Poln dih
- Popolna sprememba
Oglejte si, kaj je "popolni notranji odboj" v drugih slovarjih:
POPOLNI NOTRANJI ODSEV- e-pošta za razmislek. magn. sevanje (zlasti svetloba), ko pade na vmesnik med dvema prozornima medijema iz medija z visokim lomnim količnikom. P. v. O. se izvede, ko vpadni kot i preseže določen mejni (kritični) kot ... Fizična enciklopedija
Popolni notranji odboj- Popolni notranji odboj. Pri prehodu svetlobe iz medija z n1 > n2 pride do popolnega notranjega odboja, če je vpadni kot a2 > apr; pod vpadnim kotom a1 Ilustrirani enciklopedični slovar
Popolni notranji odboj- odboj optičnega sevanja (glej Optično sevanje) (svetloba) ali elektromagnetnega sevanja drugega obsega (na primer radijski valovi), ko pade na vmesnik med dvema prozornima medijema iz medija z visokim lomnim količnikom ... .. . Velika sovjetska enciklopedija
POPOLNI NOTRANJI ODSEV- elektromagnetno valovanje, nastane pri prehodu iz medija z visokim lomnim količnikom n1 v medij z nižjim lomnim količnikom n2 pri vpadnem kotu a, ki presega mejni kot apr, določen z razmerjem sinapr=n2/n1. Dokončano…… Sodobna enciklopedija
POPOLNI NOTRANJI ODSEV- POPOLNI NOTRANJI ODSEV, ODSEV brez loma svetlobe na meji. Ko svetloba prehaja iz gostejšega medija (kot je steklo) v manj gost medij (voda ali zrak), obstaja območje lomnih kotov, v katerem svetloba ne prehaja skozi mejo ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar
popolni notranji odboj- Odboj svetlobe od optično manj gostega medija s popolnim vračanjem v medij, iz katerega pada. [Zbirka priporočenih izrazov. Številka 79. Fizična optika. Akademija znanosti ZSSR. Odbor za znanstveno in tehnično terminologijo. 1970] Teme… … Priročnik tehničnega prevajalca
POPOLNI NOTRANJI ODSEV- elektromagnetno valovanje nastane, ko pada poševno na mejo med 2 medijema, ko sevanje prehaja iz medija z visokim lomnim količnikom n1 v medij z nižjim lomnim količnikom n2 in vpadni kot i presega mejni kot ... ... Veliki enciklopedični slovar
popolni notranji odboj- elektromagnetno valovanje, se pojavi s poševnim vpadom na vmesnik med 2 medijema, ko sevanje prehaja iz medija z visokim lomnim količnikom n1 v medij z nižjim lomnim količnikom n2 in vpadni kot i presega mejni kot ipr .. . enciklopedični slovar
Mejni kot popolnega odboja je vpadni kot svetlobe na vmesnik med dvema medijema, ki ustreza lomnemu kotu 90 stopinj.
Optika je veja optike, ki preučuje fizikalne pojave, ki se pojavljajo in se dogajajo v optičnih vlaknih.
4. Širjenje valovanja v optično nehomogenem mediju. Razlaga ukrivljenosti žarkov. Mirage. Astronomska refrakcija. Nehomogen medij za radijske valove.
Miraž je optični pojav v atmosferi: odboj svetlobe od meje med močno različnima gostotama plasti zraka. Za opazovalca je tak odsev sestavljen iz dejstva, da je skupaj z oddaljenim predmetom (ali delom neba) vidna njegova namišljena podoba, premaknjena glede na predmet. Miraže delimo na spodnje, vidne pod objektom, zgornje, nad objektom in stranske.
inferiorna fatamorgana
Opažamo ga z zelo velikim navpičnim temperaturnim gradientom (pada z višino) nad pregreto ravno površino, pogosto puščavo ali asfaltno cesto. Imaginarna podoba neba ustvarja iluzijo vode na površini. Torej, cesta, ki gre v daljavo na vroč poletni dan, se zdi mokra.
superior fatamorgana
Opazujemo ga nad mrzlo zemeljsko površino z inverzno porazdelitvijo temperature (narašča z višino).
Fata Morgana
Kompleksni pojavi fatamorgane z ostrim izkrivljanjem videza predmetov se imenujejo Fata Morgana.
volumetrična fatamorgana
V gorah je zelo redko, pod določenimi pogoji, da lahko vidite "izkrivljenega sebe" na precej blizu. Ta pojav je razložen s prisotnostjo "stoječe" vodne pare v zraku.
Astronomska refrakcija - pojav loma svetlobnih žarkov nebesnih teles pri prehodu skozi atmosfero / Ker gostota planetarnih atmosfer vedno upada z višino, pride do loma svetlobe tako, da s svojo konveksnostjo ukrivljen žarek v vseh primerih se sooča z zenitom. Pri tem refrakcija slike nebesnih teles vedno »dvigne« nad njihovo pravo lego.
Refrakcija povzroči na Zemlji številne optično-atmosferske učinke: povečanje dolžina dneva zaradi dejstva, da se sončni disk zaradi loma dvigne nad obzorje nekaj minut prej kot trenutek, ko bi Sonce moralo vziti na podlagi geometrijskih premislekov; sploščenje vidnih diskov Lune in Sonca v bližini obzorja zaradi dejstva, da se spodnji rob diskov z lomom dvigne višje od zgornjega; mežikanje zvezd itd. Zaradi razlike v lomu svetlobnih žarkov različnih valovnih dolžin (modri in vijolični žarki bolj odstopajo kot rdeči) pride do navidezne obarvanosti nebesnih teles v bližini obzorja.
5. Koncept linearno polariziranega valovanja. Polarizacija naravne svetlobe. nepolarizirano sevanje. dikroični polarizatorji. Polarizator in analizator svetlobe. Malusov zakon.
Polarizacija valov- pojav kršitve simetrije porazdelitve motenj v prečni val (na primer jakost električnega in magnetnega polja v elektromagnetnem valovanju) glede na smer njegovega širjenja. IN vzdolžni V valovanju polarizacija ne more nastati, saj motnje v tej vrsti valov vedno sovpadajo s smerjo širjenja.
linearno - nihanja motnje se pojavljajo v neki eni ravnini. V tem primeru se govori o ravninsko polarizirana val";
krožno - konec vektorja amplitude opisuje krog v ravnini nihanja. Odvisno od smeri vrtenja vektorja, prav oz levo.
Polarizacija svetlobe je proces racionalizacije nihanj vektorja električne poljske jakosti svetlobnega vala, ko svetloba prehaja skozi določene snovi (med lomom) ali ko se svetlobni tok odbije.
Dihroični polarizator vsebuje film, ki vsebuje vsaj eno dihroično organsko snov, katere molekule ali fragmenti molekul imajo planarno strukturo. Vsaj del filma ima kristalno strukturo. Dihroična snov ima vsaj en maksimum spektralne absorpcijske krivulje v spektralnih območjih 400–700 nm in/ali 200–400 nm in 0,7–13 μm. Pri izdelavi polarizatorja se na substrat nanese film, ki vsebuje dihroično organsko snov, nanj se nanese orientacijski učinek in posuši. V tem primeru so pogoji za nanašanje filma ter vrsta in velikost orientacijskega učinka izbrani tako, da ima parameter reda filma, ki ustreza vsaj enemu maksimumu na spektralni absorpcijski krivulji v spektralnem območju 0,7 - 13 μm. vrednost vsaj 0,8. Kristalna struktura vsaj dela filma je tridimenzionalna kristalna mreža, ki jo tvorijo dihroične organske molekule. UČINEK: razširitev spektralnega območja delovanja polarizatorja s hkratnim izboljšanjem njegovih polarizacijskih karakteristik.
Malusov zakon je fizikalni zakon, ki izraža odvisnost jakosti linearno polarizirane svetlobe po prehodu skozi polarizator od kota med polarizacijskima ravninama vpadne svetlobe in polarizatorja.
Kje jaz 0 - intenzivnost svetlobe, ki vpada na polarizator, jaz je jakost svetlobe, ki izhaja iz polarizatorja, k a- koeficient prosojnosti polarizatorja.
6. Fenomen Brewster. Fresnelove formule za odbojni koeficient za valove, katerih električni vektor leži v vpadni ravnini, in za valove, katerih električni vektor je pravokoten na vpadno ravnino. Odvisnost koeficientov refleksije od vpadnega kota. Stopnja polarizacije odbitih valov.
Brewsterjev zakon je optični zakon, ki izraža razmerje lomnega količnika s takšnim kotom, pri katerem bo svetloba, odbita od meje, popolnoma polarizirana v ravnini, ki je pravokotna na vpadno ravnino, lomljeni žarek pa je delno polariziran v vpadni ravnini, polarizacija lomljenega žarka pa doseže največjo vrednost. Z lahkoto ugotovimo, da so v tem primeru odbiti in lomljeni žarki medsebojno pravokotni. Ustrezen kot se imenuje Brewsterjev kot. Brewsterjev zakon: kje n 21 - lomni količnik drugega medija glede na prvega, θ Br je vpadni kot (Brewsterjev kot). Z amplitudama vpadnega (U navzdol) in odbitega (U ref) valovanja v liniji KBV je povezan z razmerjem:
K bv \u003d (U pad - U neg) / (U pad + U neg)
S koeficientom odboja napetosti (K U) je KBV izražen na naslednji način:
K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Pri čisto aktivni naravi obremenitve je KBV enak:
K bv = R / ρ pri R< ρ или
K bv = ρ / R pri R ≥ ρ
kjer je R aktivni upor bremena, ρ je valovni upor črte
7. Pojem svetlobne interference. Seštevek dveh nekoherentnih in koherentnih valov, katerih polarizacijske črte sovpadajo. Odvisnost intenzitete nastalega valovanja pri seštevanju dveh koherentnih valov od razlike v njunih fazah. Pojem geometrijske in optične razlike v poti valov. Splošni pogoji za opazovanje maksimumov in minimumov motenj.
Svetlobna interferenca je nelinearni seštevek intenzitet dveh ali več svetlobnih valov. Ta pojav spremljajo izmenjevanja maksimumov in minimumov intenzivnosti v prostoru. Njegovo porazdelitev imenujemo interferenčni vzorec. Ko svetloba interferira, se energija v prostoru prerazporedi.
Valovanje in vire, ki jih vzbujajo, imenujemo koherentni, če fazna razlika valov ni odvisna od časa. Valovanje in vire, ki jih vzbujajo, imenujemo nekoherentni, če se fazna razlika valov spreminja s časom. Formula za razliko:
, Kje , ,
8. Laboratorijske metode za opazovanje svetlobne interference: Youngov poskus, Fresnelova biprizma, Fresnelova zrcala. Izračun položajev maksimuma in minimuma interference.
Jungov poskus - Pri poskusu se žarek svetlobe usmeri na neprozorno platno-platno z dvema vzporednima režama, za katerima je nameščeno projekcijsko platno. Ta poskus dokazuje interferenco svetlobe, kar je dokaz valovne teorije. Posebnost rež je, da je njihova širina približno enaka valovni dolžini oddane svetlobe. Učinek širine reže na motnje je obravnavan spodaj.
Ob predpostavki, da je svetloba sestavljena iz delcev ( korpuskularna teorija svetlobe), potem bi na projekcijskem platnu videli le dva vzporedna pasova svetlobe, ki prehajata skozi reže na platnu. Med njima bi projekcijsko platno ostalo tako rekoč neosvetljeno.
Fresnelova biprizma – v fiziki – dvojna prizma z zelo majhnimi koti na ogliščih.
Fresnelova biprizma je optična naprava, ki omogoča, da en vir svetlobe tvori dva koherentna valovanja, ki omogočata opazovanje stabilnega interferenčnega vzorca na zaslonu.
Frenkelova biprizma služi kot sredstvo za eksperimentalni dokaz valovne narave svetlobe.
Fresnelova zrcala so optična naprava, ki jo je leta 1816 predlagal O. J. Fresnel za opazovanje pojava interferenčno koherentnih svetlobnih žarkov. Naprava je sestavljena iz dveh ravnih zrcal I in II, ki tvorita diedrski kot, ki se od 180° razlikuje le za nekaj ločnih minut (glej sliko 1 v točki Interferenca svetlobe). Ko so zrcala osvetljena iz vira S, lahko za žarke, ki se odbijajo od zrcal, štejemo, da prihajajo iz koherentnih virov S1 in S2, ki sta namišljeni sliki S. V prostoru, kjer se žarki prekrivajo, pride do interference. Če je vir S linearen (reža) in vzporeden z robom FZ, se pri osvetlitvi z monokromatsko svetlobo na zaslonu M opazi interferenčni vzorec v obliki enako oddaljenih temnih in svetlih trakov, vzporednih z režo, ki se lahko namesti kamor koli. v območju prekrivanja žarkov. Z razdaljo med pasovoma lahko določimo valovno dolžino svetlobe. Poskusi, izvedeni s PV, so bili eden od odločilnih dokazov valovne narave svetlobe.
9. Interferenca svetlobe v tankih plasteh. Pogoji za nastanek svetlih in temnih pasov v odbiti in prepuščeni svetlobi.
10. Trakovi enakega naklona in trakovi enake debeline. Newtonovi interferenčni obroči. Polmeri temnih in svetlih obročev.
11. Interferenca svetlobe v tankih plasteh pri normalnem vpadu svetlobe. Razsvetljenje optičnih naprav.
12. Michelsonov in Jaminov optični interferometer. Določanje lomnega količnika snovi z dvožarkovnimi interferometri.
13. Koncept večpotovne interference svetlobe. Fabry-Perotov interferometer. Seštevanje končnega števila valov enakih amplitud, katerih faze tvorijo aritmetično progresijo. Odvisnost intenzitete nastalega valovanja od fazne razlike motečih valov. Pogoj za nastanek glavnih maksimumov in minimumov interference. Narava večžarkovnega interferenčnega vzorca.
14. Koncept valovne difrakcije. Valovni parameter in meje uporabnosti zakonov geometrijske optike. Huygens-Fresnelov princip.
15. Metoda Fresnelovih con in dokaz premočrtnega širjenja svetlobe.
16. Fresnelov uklon na okrogli luknji. Fresnelovi conski polmeri za sferične in ravne valovne fronte.
17. Uklon svetlobe na neprozornem disku. Izračun površine Fresnelovih con.
18. Problem povečanja amplitude vala pri prehodu skozi okroglo luknjo. Plošče amplitudne in fazne cone. Fokusne in conske plošče. Fokusirna leča kot mejni primer stopničaste fazne cone. Območne leče.
Najprej malo fantazirajmo. Predstavljajte si vroč poletni dan pred našim štetjem, primitivni človek lovi ribe s sulico. Opazi njen položaj, nameri in udari iz nekega razloga sploh ne tam, kjer je bila riba vidna. zamudil? Ne, ribič ima plen v rokah! Dejstvo je, da je naš prednik intuitivno razumel temo, ki jo bomo zdaj preučevali. V vsakdanjem življenju vidimo, da je žlica, potopljena v kozarec vode, videti ukrivljena, ko pogledamo skozi steklen kozarec, so predmeti videti ukrivljeni. Vsa ta vprašanja bomo obravnavali v lekciji, katere tema je: »Lom svetlobe. Zakon o lomu svetlobe. Popolni notranji odboj.
V prejšnjih lekcijah smo govorili o usodi žarka v dveh primerih: kaj se zgodi, če se svetlobni žarek širi v prosojno homogenem mediju? Pravilen odgovor je, da se bo širil v ravni črti. In kaj se bo zgodilo, ko bo žarek svetlobe padel na vmesnik med dvema medijema? V prejšnji lekciji smo govorili o odbitem žarku, danes pa bomo obravnavali tisti del svetlobnega žarka, ki ga medij absorbira.
Kakšna bo usoda žarka, ki je prodrl iz prvega optično prozornega medija v drugi optično prozorni medij?
riž. 1. Lom svetlobe
Če žarek pade na mejo med dvema prozornima medijema, se del svetlobne energije vrne v prvi medij in ustvari odbit žarek, drugi del pa preide navznoter v drugi medij in praviloma spremeni svojo smer.
Sprememba smeri širjenja svetlobe v primeru njenega prehoda skozi vmesnik med dvema medijema se imenuje lom svetlobe(slika 1).
riž. 2. Vpadni, lomni in odbojni koti
Na sliki 2 vidimo vpadni žarek, vpadni kot bo označen z α. Žarek, ki bo določal smer lomljenemu žarku svetlobe, se bo imenoval lomljeni žarek. Kot med navpičnico na mejo medija, vzpostavljeno iz vpadne točke, in lomljenim žarkom se imenuje lomni kot, na sliki je to kot γ. Za popolnost slike podajamo še sliko odbitega žarka in temu primerno odbojni kot β. Kakšno je razmerje med vpadnim in lomnim kotom, ali je mogoče, če poznamo vpadni kot in iz katerega medija je žarek prešel v katero, predvideti, kakšen bo lomni kot? Izkazalo se je, da lahko!
Dobimo zakon, ki kvantitativno opisuje razmerje med vpadnim in lomnim kotom. Uporabimo Huygensov princip, ki uravnava širjenje valovanja v mediju. Zakon je sestavljen iz dveh delov.
Vpadni žarek, lomljeni žarek in navpičnica, vzpostavljena na vpadno točko, ležijo v isti ravnini.
Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost za dve dani mediji in je enako razmerju svetlobnih hitrosti v teh medijih.
Ta zakon se imenuje Snellov zakon po nizozemskem znanstveniku, ki ga je prvi oblikoval. Razlog za lom je razlika v hitrosti svetlobe v različnih medijih. Veljavnost lomnega zakona lahko preverite tako, da eksperimentalno usmerite svetlobni žarek pod različnimi koti na vmesnik med dvema medijema in izmerite vpadni in lomni kot. Če spremenimo te kote, izmerimo sinuse in poiščemo razmerja sinusov teh kotov, se bomo prepričali, da lomni zakon res velja.
Dokaz zakona o lomu z uporabo Huygensovega principa je še ena potrditev valovne narave svetlobe.
Relativni lomni količnik n 21 kaže, kolikokrat se hitrost svetlobe V 1 v prvem mediju razlikuje od hitrosti svetlobe V 2 v drugem mediju.
Relativni lomni količnik je jasen dokaz dejstva, da je vzrok za spremembo smeri svetlobe pri prehodu iz enega medija v drugega različna hitrost svetlobe v obeh medijih. Izraz "optična gostota medija" se pogosto uporablja za označevanje optičnih lastnosti medija (slika 3).
riž. 3. Optična gostota medija (α > γ)
Če žarek prehaja iz medija z večjo svetlobno hitrostjo v medij z nižjo svetlobno hitrostjo, bo, kot je razvidno iz slike 3 in zakona o lomu svetlobe, pritisnjen proti navpičnici, tj. , je lomni kot manjši od vpadnega kota. V tem primeru naj bi žarek prešel iz manj gostega optičnega medija v optično bolj gost medij. Primer: iz zraka v vodo; od vode do stekla.
Možna je tudi obratna situacija: hitrost svetlobe v prvem mediju je manjša od hitrosti svetlobe v drugem mediju (slika 4).
riž. 4. Optična gostota medija (α< γ)
Takrat bo lomni kot večji od vpadnega kota in za takšen prehod bomo rekli, da je narejen iz optično gostejšega v optično manj gost medij (iz stekla v vodo).
Optična gostota dveh medijev se lahko zelo razlikuje, zato postane možna situacija, prikazana na fotografiji (slika 5):
riž. 5. Razlika med optično gostoto medijev
Bodite pozorni na to, kako je glava zamaknjena glede na telo, ki je v tekočini, v mediju z večjo optično gostoto.
Vendar pa relativni lomni količnik ni vedno primerna lastnost za delo, ker je odvisen od hitrosti svetlobe v prvem in drugem mediju, je pa lahko takšnih kombinacij in kombinacij dveh medijev (voda - zrak, steklo) ogromno. - diamant, glicerin - alkohol, steklo - voda itd.). Tabele bi bile zelo okorne, neprijetno bi bilo delati, potem pa je bilo uvedeno eno absolutno okolje, v primerjavi s katerim se primerja hitrost svetlobe v drugih okoljih. Vakuum je bil izbran kot absolutni in hitrosti svetlobe primerjamo s hitrostjo svetlobe v vakuumu.
Absolutni lomni količnik medija n- to je vrednost, ki označuje optično gostoto medija in je enaka razmerju hitrosti svetlobe Z v vakuumu do hitrosti svetlobe v določenem mediju.
Absolutni lomni količnik je bolj primeren za delo, saj vedno poznamo hitrost svetlobe v vakuumu, enaka je 3·10 8 m/s in je univerzalna fizikalna konstanta.
Absolutni lomni količnik je odvisen od zunanjih parametrov: temperature, gostote in tudi od valovne dolžine svetlobe, zato so v tabelah običajno navedeni povprečni lomni količnik za določeno območje valovnih dolžin. Če primerjamo lomne količnike zraka, vode in stekla (slika 6), vidimo, da je lomni količnik zraka blizu enote, zato ga bomo pri reševanju nalog vzeli za enoto.
riž. 6. Tabela absolutnih lomnih količnikov za različne medije
Enostavno je ugotoviti razmerje med absolutnim in relativnim lomnim količnikom medija.
Relativni lomni količnik, to je za žarek, ki prehaja iz medija ena v medij dva, je enak razmerju med absolutnim lomnim količnikom v drugem mediju in absolutnim lomnim količnikom v prvem mediju.
Na primer: = ≈ 1,16
Če sta absolutna lomna količnika obeh medijev skoraj enaka, to pomeni, da bo relativni lomni količnik pri prehodu iz enega medija v drugega enak ena, to pomeni, da svetlobni žarek dejansko ne bo lomljen. Na primer, ko prehaja iz janeževega olja v dragi kamen, beril praktično ne bo odstopal od svetlobe, to pomeni, da se bo obnašal kot pri prehodu skozi janeževo olje, saj je njihov lomni količnik 1,56 oziroma 1,57, tako da je dragi kamen lahko kako se skriti v tekočino, preprosto ne bo vidna.
Če nalijete vodo v prozoren kozarec in pogledate skozi steno kozarca v svetlobo, bomo videli srebrn sijaj površine zaradi pojava popolnega notranjega odboja, o katerem bomo zdaj razpravljali. Ko svetlobni žarek prehaja iz gostejšega optičnega medija v manj gost optični medij, lahko opazimo zanimiv učinek. Za gotovost bomo predpostavili, da gre svetloba iz vode v zrak. Predpostavimo, da je v globini rezervoarja točkovni vir svetlobe S, ki oddaja žarke v vse smeri. Na primer, potapljač sveti s svetilko.
Žarek SO 1 pade na površino vode pod najmanjšim kotom, ta žarek se delno lomi - žarek O 1 A 1 in delno odbije nazaj v vodo - žarek O 1 B 1. Tako se del energije vpadnega žarka prenese na lomljeni žarek, preostali del energije pa na odbiti žarek.
riž. 7. Popolni notranji odboj
Žarek SO 2, katerega vpadni kot je večji, je prav tako razdeljen na dva žarka: lomljenega in odbitega, vendar se energija prvotnega žarka med njima porazdeli na drugačen način: lomljeni žarek O 2 A 2 bo temnejši od žarka. žarek O 1 A 1, to pomeni, da bo prejel manjši delež energije, odbiti žarek O 2 V 2 pa bo svetlejši od žarka O 1 V 1, to pomeni, da bo prejel večji delež energija. Z večanjem vpadnega kota se zasledi enaka zakonitost - vse večji delež energije vpadnega žarka prehaja na odbiti žarek in vse manjši delež na lomljeni žarek. Lomljeni žarek postane temnejši in na neki točki popolnoma izgine, to izginotje se zgodi, ko je dosežen vpadni kot, ki ustreza lomnemu kotu 90 0 . V tej situaciji bi moral lomljeni žarek OA iti vzporedno z vodno gladino, vendar ni nič - vsa energija vpadnega žarka SO je v celoti šla na odbiti žarek OB. Seveda bo z nadaljnjim povečanjem vpadnega kota lomljeni žarek odsoten. Opisani pojav je popolni notranji odboj, to pomeni, da gostejši optični medij pod obravnavanimi koti ne oddaja žarkov od sebe, vsi se odbijajo znotraj njega. Kot, pod katerim se pojavi ta pojav, se imenuje mejni kot popolnega notranjega odboja.
Vrednost mejnega kota je enostavno najti iz lomnega zakona:
= => = arcsin, za vodo ≈ 49 0
Najbolj zanimiva in priljubljena uporaba pojava popolnega notranjega odboja so tako imenovani valovodi ali optična vlakna. Prav takšen način signalizacije uporabljajo sodobna telekomunikacijska podjetja na internetu.
Dobili smo zakon o lomu svetlobe, uvedli nov pojem - relativni in absolutni lomni količnik, spoznali pa smo tudi pojav popolnega notranjega odboja in njegove uporabe, kot je optična vlakna. Znanje lahko utrdite s preučevanjem ustreznih testov in simulatorjev v razdelku lekcije.
S Huygensovim načelom dokažimo zakon o lomu svetlobe. Pomembno je razumeti, da je vzrok loma razlika v hitrosti svetlobe v dveh različnih medijih. Označimo hitrost svetlobe v prvem mediju V 1 in v drugem mediju - V 2 (slika 8).
riž. 8. Dokaz zakona o lomu svetlobe
Naj ravninski svetlobni val pade na ravno mejo med dvema medijema, na primer iz zraka v vodo. Valovna ploskev AC je pravokotna na žarke in , ploskev med mediji MN najprej doseže žarek , žarek pa isto površino doseže po časovnem intervalu ∆t, ki bo enak poti SW deljeni s svetlobno hitrostjo. v prvem mediju.
Torej v trenutku, ko se sekundarni val v točki B šele začne vzbujati, ima val iz točke A že obliko poloble s polmerom AD, ki je enak hitrosti svetlobe v drugem mediju za ∆t: AD = ∆t, to je Huygensov princip v vizualnem delovanju. Valovno površino lomljenega vala lahko dobimo tako, da narišemo ploskev tangento na vse sekundarne valove v drugem mediju, katerih središča ležijo na vmesniku med mediji, v tem primeru je to ravnina BD, to je ovojnica sekundarni valovi. Vpadni kot α žarka je enak kotu CAB v trikotniku ABC, stranice enega od teh kotov so pravokotne na stranice drugega. Zato bo SW enak hitrosti svetlobe v prvem mediju za ∆t
CB = ∆t = AB sin α
Po drugi strani pa bo lomni kot enak kotu ABD v trikotniku ABD, torej:
AD = ∆t = AB sin γ
Če izraze razdelimo po izrazih, dobimo:
n je konstantna vrednost, ki ni odvisna od vpadnega kota.
Dobili smo lomni zakon svetlobe, sinus vpadnega kota na sinus lomnega kota je konstantna vrednost za dani mediji in enak razmerju hitrosti svetlobe v obeh danih medijih.
Kubična posoda z neprozornimi stenami je nameščena tako, da opazovalčevo oko ne vidi njenega dna, ampak v celoti vidi steno posode CD. Koliko vode je treba vliti v posodo, da lahko opazovalec vidi predmet F, ki se nahaja na razdalji b = 10 cm od vogala D? Rob posode α = 40 cm (sl. 9).
Kaj je zelo pomembno pri reševanju tega problema? Ugibajte, da ker oko ne vidi dna posode, ampak vidi skrajno točko stranske stene, posoda pa je kocka, potem bo vpadni kot žarka na površino vode, ko jo nalijemo biti enako 45 0.
riž. 9. Naloga izpita
Žarek pade v točko F, kar pomeni, da predmet jasno vidimo, črna pikčasta črta pa prikazuje potek žarka, če ne bi bilo vode, torej v točko D. Iz trikotnika NFC je tangens kota β, tangens lomnega kota, je razmerje med nasprotnim krakom in sosednjim ali, glede na sliko, h minus b, deljeno s h.
tg β = = , h je višina tekočine, ki smo jo natočili;
Najintenzivnejši pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v sistemih z optičnimi vlakni.
riž. 10. Optična vlakna
Če svetlobni žarek usmerimo na konec trdne steklene cevi, bo po večkratnem popolnem notranjem odboju žarek izšel iz nasprotne strani cevi. Izkazalo se je, da je steklena cev prevodnik svetlobnega valovanja ali valovod. To se bo zgodilo ne glede na to, ali je cev ravna ali ukrivljena (slika 10). Prvi svetlobni vodi, to je drugo ime valovodov, so bili uporabljeni za osvetlitev težko dostopnih mest (med medicinskimi raziskavami, ko se svetloba dovaja na en konec svetlobnega voda, drugi konec pa osvetljuje pravo mesto) . Glavna uporaba je medicina, defektoskopija motorjev, vendar se takšni valovodi najpogosteje uporabljajo v sistemih za prenos informacij. Nosilna frekvenca svetlobnega vala je milijonkrat večja od frekvence radijskega signala, kar pomeni, da je količina informacij, ki jih lahko oddamo s pomočjo svetlobnega vala, milijonkrat večja od količine informacij, ki jih prenašajo radijski valovi. To je odlična priložnost za prenos ogromne količine informacij na preprost in poceni način. Praviloma se informacije prenašajo po optičnem kablu z uporabo laserskega sevanja. Optična vlakna so nepogrešljiva za hiter in kakovosten prenos računalniškega signala, ki vsebuje veliko količino prenesenih informacij. In v središču vsega tega je tako preprost in pogost pojav, kot je lom svetlobe.
Bibliografija
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna raven) - M.: Mnemozina, 2012.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Izobraževanje, 1990.
- edu.glavsprav.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Raal100.narod.ru ().
- Optika.ucoz.ru ().
Domača naloga
- Določite lom svetlobe.
- Navedite razlog za lom svetlobe.
- Poimenujte najbolj priljubljene aplikacije popolnega notranjega odboja.
PREDAVANJE 23 GEOMETRIJSKA OPTIKA
PREDAVANJE 23 GEOMETRIJSKA OPTIKA
1. Zakoni odboja in loma svetlobe.
2. Popolni notranji odboj. optična vlakna.
3. Leče. Optična moč leče.
4. Aberacije leč.
5. Osnovni pojmi in formule.
6. Naloge.
Pri reševanju številnih problemov, povezanih s širjenjem svetlobe, lahko uporabimo zakone geometrijske optike, ki temeljijo na konceptu svetlobnega žarka kot črte, po kateri se širi energija svetlobnega vala. V homogenem mediju so svetlobni žarki premočrtni. Geometrična optika je mejni primer valovne optike, saj valovna dolžina teži k nič (λ →0).
23.1. Zakoni odboja in loma svetlobe. Popolni notranji odboj, svetlobni vodi
Zakoni refleksije
odboj svetlobe- pojav, ki se pojavi na meji med dvema medijema, zaradi česar svetlobni žarek spremeni smer svojega širjenja in ostane v prvem mediju. Narava odboja je odvisna od razmerja med dimenzijami (h) nepravilnosti zrcalne površine in valovno dolžino (λ) vpadno sevanje.
difuzni odboj
Kadar so nepravilnosti locirane naključno in so njihove velikosti reda valovne dolžine ali jo presegajo, obstaja difuzni odboj- sipanje svetlobe v različne smeri. Zaradi razpršenega odboja postanejo nesvetleča telesa vidna, ko se svetloba odbije od njihovih površin.
Zrcalni odsev
Če so dimenzije nepravilnosti majhne v primerjavi z valovno dolžino (h<< λ), то возникает направленное, или ogledalo, odboj svetlobe (slika 23.1). V tem primeru so izpolnjeni naslednji zakoni.
Vpadni žarek, odbiti žarek in normala na mejo med dvema medijema, narisana skozi vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini.
Odbojni kot je enak vpadnemu kotu:β = a.
riž. 23.1. Potek žarkov pri zrcalnem odboju
Zakoni loma
Ko svetlobni žarek pade na mejo med dvema prozornima medijema, se razdeli na dva žarka: odbitega in lomljena(slika 23.2). Lomljeni žarek se širi v drugem mediju in spreminja svojo smer. Optična značilnost medija je absolutno
riž. 23.2. Pot žarkov pri lomu
lomni količnik, ki je enaka razmerju med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v tem mediju:
Smer lomljenega žarka je odvisna od razmerja lomnih količnikov obeh medijev. Izpolnjeni so naslednji zakoni loma.
Vpadni žarek, lomljeni žarek in normala na mejo med dvema medijema, narisana skozi vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini.
Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost, ki je enaka razmerju absolutnih lomnih količnikov drugega in prvega medija:
23.2. popolni notranji odboj. optična vlakna
Razmislite o prehodu svetlobe iz medija z visokim lomnim količnikom n 1 (optično gostejši) v medij z nižjim lomnim količnikom n 2 (optično manj gost). Slika 23.3 prikazuje žarke, ki vpadajo na mejo steklo-zrak. Za steklo je lomni količnik n 1 = 1,52; za zrak n 2 = 1,00.
riž. 23.3. Pojav popolnega notranjega odboja (n 1 > n 2)
Povečanje vpadnega kota povzroči povečanje lomnega kota, dokler lomni kot ne postane 90°. Z nadaljnjim povečanjem vpadnega kota se vpadni žarek ne lomi, ampak v celoti ki se odraža od vmesnika. Ta pojav se imenuje popolni notranji odboj. Opazujemo ga pri vpadu svetlobe iz gostejšega medija na mejo z manj gostim medijem in je sestavljen iz naslednjega.
Če vpadni kot presega mejni kot za te medije, potem na vmesniku ni loma in se vpadna svetloba popolnoma odbije.
Mejni vpadni kot je določen z razmerjem
Vsota jakosti odbitega in lomljenega žarka je enaka jakosti vpadnega žarka. Z večanjem vpadnega kota se intenzivnost odbitega žarka poveča, medtem ko se intenziteta lomljenega žarka zmanjša in za mejni vpadni kot postane enak nič.
optična vlakna
Pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v upogljivih svetlobnih vodilih.
Če je svetloba usmerjena na konec tankega steklenega vlakna, obdanega z oblogo z nižjim lomnim količnikom kota, se bo svetloba širila skozi vlakno in doživela popoln odboj na vmesniku steklene obloge. Takšno vlakno imenujemo svetlobni vodnik. Zavoji svetlobnega vodnika ne ovirajo prehoda svetlobe
V sodobnih svetlobnih vodih je izguba svetlobe zaradi njene absorpcije zelo majhna (približno 10% na km), kar omogoča njihovo uporabo v optičnih komunikacijskih sistemih. V medicini se snopi tankih svetlobnih vodikov uporabljajo za izdelavo endoskopov, ki se uporabljajo za vizualni pregled votlih notranjih organov (slika 23.5). Število vlaken v endoskopu doseže milijon.
S pomočjo ločenega svetlobnega kanala, položenega v skupni snop, se lasersko sevanje prenaša z namenom terapevtskega učinka na notranje organe.
riž. 23.4.Širjenje svetlobnih žarkov skozi vlakno
riž. 23.5. endoskop
Obstajajo tudi naravni svetlobni vodniki. Na primer, pri zelnatih rastlinah ima steblo vlogo svetlobnega vodnika, ki prinaša svetlobo v podzemni del rastline. Celice stebla tvorijo vzporedne stebre, kar spominja na zasnovo industrijskih svetlobnih vodnikov. če
za osvetlitev takega stolpca, če ga pregledamo skozi mikroskop, je jasno, da njegove stene ostanejo temne, notranjost vsake celice pa je močno osvetljena. Globina, do katere se svetloba prenaša na ta način, ne presega 4-5 cm, vendar je tudi tako kratek svetlobni vodnik dovolj, da osvetli podzemni del zelnate rastline.
23.3. Leče. Optična moč leče
Objektiv - prozorno telo, običajno omejeno z dvema sferičnima površinama, od katerih je vsaka lahko konveksna ali konkavna. Premica, ki poteka skozi središča teh krogel, se imenuje glavna optična os leče(beseda domov običajno izpuščeno).
Imenuje se leča, katere največja debelina je veliko manjša od polmerov obeh sferičnih ploskev tanek.
Ko gre skozi lečo, svetlobni žarek spremeni smer - se odkloni. Če je odstopanje vstran optična os, potem se imenuje leča zbiranje drugače se imenuje leča razpršenost.
Vsak žarek, ki vpade na zbiralno lečo vzporedno z optično osjo, gre po lomu skozi točko na optični osi (F), imenovano glavni poudarek(Sl. 23.6, a). Pri divergentni leči prehaja skozi fokus nadaljevanje lomljen žarek (slika 23.6, b).
Vsaka leča ima na obeh straneh dve žarišči. Imenuje se razdalja od žarišča do središča leče glavna goriščna razdalja(f).
riž. 23.6. Gorišče zbiralne (a) in divergentne (b) leče
V formulah za izračun se f vzame z znakom "+". zbiranje leče in z znakom "-" za razpršenost leče.
Recipročna vrednost goriščne razdalje se imenuje optična moč leče: D = 1/f. Enota za optično moč - dioptrija(dptr). 1 dioptrija je optična moč leče z goriščno razdaljo 1 m.
optična moč tanka leča in Goriščna razdalja odvisen od polmerov krogel in lomnega količnika snovi leče glede na okolje:
kjer R1, R2 - polmeri ukrivljenosti površin leč; n je lomni količnik snovi leče glede na okolje; znak "+" je vzet za konveksen površina, in znak "-" - za konkavno. Ena od površin je lahko ravna. V tem primeru vzemimo R = ∞ , 1/R = 0.
Leče se uporabljajo za fotografiranje. Razmislite o predmetu, ki se nahaja pravokotno na optično os zbiralne leče, in sestavite sliko njegove zgornje točke A. Slika celotnega predmeta bo prav tako pravokotna na os leče. Glede na položaj predmeta glede na lečo sta možna dva primera loma žarkov, prikazana na sl. 23.7.
1. Če razdalja od predmeta do leče presega goriščno razdaljo f, potem žarki, ki jih oddaja točka A, po prehodu skozi lečo sekajo v točki A, ki se imenuje dejanska slika. Dejanska slika je pridobljena obrnjen na glavo.
2. Če je razdalja od predmeta do leče manjša od goriščne razdalje f, potem žarki, ki jih oddaja točka A, po prehodu skozi lečo dirka-
riž. 23.7. Realne (a) in namišljene (b) slike, ki jih daje zbiralna leča
hoditi naokrog in v točki A" se njuni podaljški sekata. Ta točka se imenuje namišljena slika. Dobljena je namišljena slika neposredno.
Divergentna leča daje navidezno sliko predmeta v vseh njegovih položajih (slika 23.8).
riž. 23.8. Virtualna slika, ki jo daje divergentna leča
Za izračun se uporablja slika formula leč, ki vzpostavlja povezavo med določbami točke in njo Slike
kjer je f goriščna razdalja (za divergentno lečo negativno) a 1 - razdalja od predmeta do leče; a 2 je razdalja od slike do leče (znak "+" je vzet za realno sliko, znak "-" pa za virtualno sliko).
riž. 23.9. Možnosti formule leč
Imenuje se razmerje med velikostjo slike in velikostjo predmeta linearno povečanje:
Linearno povečanje se izračuna po formuli k = a 2 / a 1. leča (celo tanek) bo dal "pravilno" podobo, uboganje formula za leče, samo, če so izpolnjeni naslednji pogoji:
Lomni količnik leče ni odvisen od valovne dolžine svetlobe oz. enobarvni.
Pri uporabi slikovnih leč resnično subjekti te omejitve praviloma niso izpolnjene: obstaja disperzija; nekatere točke predmeta ležijo stran od optične osi; vpadni svetlobni žarki niso paraksialni, leča ni tanka. Vse to vodi do popačenje slike. Za zmanjšanje popačenja so leče optičnih instrumentov sestavljene iz več leč, ki se nahajajo blizu druga drugi. Optična moč takšne leče je enaka vsoti optičnih moči leč:
23.4. Aberacije leč
aberacije je splošno ime za slikovne napake, ki nastanejo pri uporabi leč. aberacije (iz latinskega "aberratio"- odklon), ki se pojavijo le v nemonokromatski svetlobi, imenujemo kromatsko. Vse druge vrste aberacij so enobarvni saj njihova manifestacija ni povezana s kompleksno spektralno sestavo prave svetlobe.
1. Sferična aberacija- enobarvni aberacija zaradi dejstva, da skrajni (periferni) deli leče močneje odklanjajo žarke, ki prihajajo iz točkovnega vira, kot njen osrednji del. Kot rezultat tega periferna in osrednja regija leče tvorita različne slike (S 2 oziroma S "2) točkovnega vira S 1 (sl. 23.10). Zato je slika na katerem koli položaju zaslona na njem dobimo v obliki svetle pike.
Tovrstno aberacijo odpravimo z uporabo konkavnih in konveksnih sistemov leč.
riž. 23.10. Sferična aberacija
2. Astigmatizem- enobarvni aberacija, ki sestoji iz dejstva, da ima slika točke obliko eliptične lise, ki se na določenih položajih slikovne ravnine degenerira v segment.
Astigmatizem poševni žarki se pokaže, ko žarki, ki izhajajo iz točke, tvorijo pomembne kote z optično osjo. Na sliki 23.11 se točkasti vir nahaja na sekundarni optični osi. V tem primeru se pojavita dve sliki v obliki segmentov ravnih črt, ki se nahajajo pravokotno drug na drugega v ravninah I in II. Sliko vira lahko dobimo le v obliki zamegljene lise med ravninama I in II.
Astigmatizem zaradi asimetrije optični sistem. Ta vrsta astigmatizma se pojavi, ko je simetrija optičnega sistema glede na svetlobni žarek porušena zaradi same zasnove sistema. S to aberacijo leče ustvarijo sliko, v kateri imajo konture in črte, usmerjene v različne smeri, različno ostrino. To opazimo pri cilindričnih lečah (slika 23.11, b).
Cilindrična leča tvori linearno sliko točkastega predmeta.
riž. 23.11. Astigmatizem: poševni žarki (a); zaradi cilindričnosti leče (b)
V očesu se astigmatizem oblikuje, ko pride do asimetrije v ukrivljenosti sistema leče in roženice. Za korekcijo astigmatizma se uporabljajo očala, ki imajo različno ukrivljenost v različnih smereh.
3. Izkrivljanje(popačenje). Ko žarki, ki jih pošilja predmet, tvorijo velik kot z optično osjo, se najde druga vrsta enobarvni aberacije - popačenje. V tem primeru je kršena geometrijska podobnost med predmetom in sliko. Razlog je v tem, da je v resnici linearna povečava, ki jo daje leča, odvisna od vpadnega kota žarkov. Kot rezultat, slika kvadratne mreže zavzame bodisi blazina-, oz v obliki soda pogled (slika 23.12).
Za boj proti popačenju je izbran sistem leč z nasprotnim popačenjem.
riž. 23.12. Popačenje: a - blazina za igle, b - sod
4. Kromatska aberacija se kaže v dejstvu, da žarek bele svetlobe, ki izhaja iz točke, daje svojo podobo v obliki mavričnega kroga, vijolični žarki sekajo bližje leči kot rdeči (slika 23.13).
Vzrok za kromatsko aberacijo je odvisnost lomnega količnika snovi od valovne dolžine vpadne svetlobe (disperzija). Za odpravo te aberacije v optiki se uporabljajo leče iz stekel z različnimi disperzijami (akromati, apokromati).
riž. 23.13. Kromatska aberacija
23.5. Osnovni pojmi in formule
Nadaljevanje tabele
Konec tabele
23.6. Naloge
1. Zakaj se zračni mehurčki svetijo v vodi?
odgovor: zaradi odboja svetlobe na meji voda-zrak.
2. Zakaj se žlica v tankostenskem kozarcu vode zdi povečana?
odgovor: Voda v kozarcu deluje kot valjasta zbiralna leča. Vidimo namišljeno povečano sliko.
3. Optična moč leče je 3 dioptrije. Kakšna je goriščna razdalja leče? Odgovor izrazite v cm.
rešitev
D \u003d 1 / f, f \u003d 1 / D \u003d 1/3 \u003d 0,33 m. odgovor: f = 33 cm.
4. Goriščni razdalji obeh leč sta enaki: f = +40 cm, f 2 = -40 cm Poiščite njuni optični moči.
6. Kako lahko določite goriščno razdaljo zbiralne leče v jasnem vremenu?
rešitev
Razdalja od Sonca do Zemlje je tako velika, da so vsi žarki, ki padajo na lečo, med seboj vzporedni. Če na zaslonu dobite sliko sonca, bo razdalja od leče do zaslona enaka goriščni razdalji.
7. Za lečo z goriščno razdaljo 20 cm poiščite razdalje do predmeta, pri katerih bo linearna velikost dejanske slike: a) dvakrat večja od velikosti predmeta; b) enaka velikosti predmeta; c) polovico velikosti predmeta.
8. Optična moč leče za osebo z normalnim vidom je 25 dioptrij. Lomni količnik 1,4. Izračunajte polmere ukrivljenosti leče, če je znano, da je en polmer ukrivljenosti dvakrat večji od drugega.