A geometriai optika alaptörvényei.

A geometriai optika alaptörvényeit ősidők óta ismerték. Tehát Platón (Kr. e. 430) megállapította a fény egyenes vonalú terjedésének törvényét. Eukleidész értekezései megfogalmazzák a fény egyenes vonalú terjedésének törvényét, valamint a beesési és visszaverődési szögek egyenlőségének törvényét. Arisztotelész és Ptolemaiosz a fénytörést tanulmányozta. De ezek pontos megfogalmazása a geometriai optika törvényei A görög filozófusok nem találták. geometriai optika a hullámoptika korlátozó esete, amikor a fény hullámhossza nullára hajlik. A legegyszerűbb optikai jelenségek, mint például az árnyékok megjelenése, a képalkotás optikai műszerekben, a geometriai optika keretein belül érthetők meg.

A geometriai optika formai felépítése azon alapul négy törvény empirikusan megállapították: a fény egyenes vonalú terjedésének törvénye; a fénysugarak függetlenségének törvénye; a visszaverődés törvénye; a fénytörés törvénye. E törvények elemzésére H. Huygens egy egyszerű és intuitív módszert javasolt, amelyet később ún. Huygens elv .Minden pont, ahová a fénygerjesztés elér ,viszont, másodlagos hullámok központja;az ezeket a másodlagos hullámokat egy bizonyos időpillanatban beburkoló felület a ténylegesen terjedő hullám frontjának az adott pillanatban való helyzetét jelzi.

Módszere alapján magyarázta Huygens a fényterjedés egyenessége és hozta a tükrözés törvényei és fénytörés .A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye :· a fény egyenes vonalban halad optikailag homogén közegben Ennek a törvénynek a bizonyítéka egy éles határvonalú árnyék jelenléte az átlátszatlan tárgyakról, amikor kis fényforrással megvilágítják. A gondos kísérletek azonban kimutatták, hogy ez a törvény megsérti, ha a fény nagyon kis lyukakon halad át, és az egyenességtől való eltérés minél nagyobb a terjedés, minél kisebbek a lyukak.

A tárgy által vetett árnyékot az okozza a fénysugarak egyenes vonalú terjedése optikailag homogén közegben 7.1. ábra Csillagászati ábra a fény egyenes vonalú terjedése és különösen az árnyék és a félárnyék kialakulása szolgálhat egyes bolygók árnyékolására mások által, pl. holdfogyatkozás , amikor a Hold a Föld árnyékába esik (7.1. ábra). A Hold és a Föld kölcsönös mozgása következtében a Föld árnyéka a Hold felszíne fölé kerül, ill. holdfogyatkozás több részfázison megy keresztül (7.2. ábra).

A fénysugarak függetlenségének törvénye :· az egyetlen sugár által keltett hatás nem attól függ, hogy,hogy más gerendák egyidejűleg hatnak-e, vagy megszűnnek. A fényáramot külön fénynyalábokra osztva (például membránok segítségével) kimutatható, hogy a kiválasztott fénysugarak működése független. A tükrözés törvénye (7.3. ábra): a visszavert sugár ugyanabban a síkban van, mint a beeső sugár és a merőleges,két közeg közötti interfészhez húzódik a beesési ponton;· beesési szögα egyenlő a visszaverődés szögévelγ: α = γ

Levezetni a tükrözés törvényét Használjuk a Huygens-elvet. Tegyük fel, hogy egy síkhullám (hullámfront AB Val vel, két adathordozó közötti interfészre esik (7.4. ábra). Amikor a hullámfront AB pontban eléri a fényvisszaverő felületet A, ez a pont sugározni kezd másodlagos hullám .· Hogy a hullám megtegye a távolságot nap szükséges idő Δ t = időszámításunk előtt/ υ . Ezalatt a másodlagos hullám eleje eléri a félteke pontjait, a sugarat HIRDETÉS ami egyenlő: υ Δ t= nap. A visszavert hullámfront helyzetét ebben az időpillanatban a Huygens-elvnek megfelelően a sík adja meg. DC, és ennek a hullámnak a terjedési iránya a II. A háromszögek egyenlőségéből ABCés ADC következik a tükrözés törvénye: beesési szögα egyenlő a visszaverődés szögével γ . A fénytörés törvénye (Snell törvénye) (7.5. ábra): a beeső sugár, a megtört nyaláb és a határfelületre a beesési pontban húzott merőleges ugyanabban a síkban van;· a beesési szög szinuszának és a törési szög szinuszának aránya állandó érték adott közeg esetén.

A fénytörés törvényének levezetése. Tegyük fel, hogy egy síkhullám (hullámfront AB) terjedő vákuumban az I irány mentén sebességgel Val vel, a közeggel való határfelületre esik, amelyben terjedésének sebessége egyenlő u(7.6. ábra) Legyen az az idő, amely alatt a hullám meghaladta az utat nap, egyenlő D-vel t. Azután nap=s D t. Ezalatt a hullám eleje a pont által gerjesztett A sebességgel rendelkező környezetben u, egy félgömb pontjait éri el, amelynek sugara HIRDETÉS = u D t. A megtört hullámfront helyzetét ebben az időpillanatban a Huygens-elvnek megfelelően a sík adja meg. DC, és terjedésének iránya - nyaláb III . ábrából A 7.6 azt mutatja, hogy i.e. .Ez azt jelenti Snell törvénye : A fényterjedés törvényének némileg eltérő megfogalmazását adta P. Fermat francia matematikus és fizikus.

A fizikai kutatások leginkább az optikára vonatkoznak, ahol 1662-ben megalapozta a geometriai optika alapelvét (Fermat-elv). Analógia a Fermat-elv és variációs elvek a mechanika jelentős szerepet játszott a modern dinamika és az optikai műszerek elméletének kialakulásában Fermat-elv , a fény két pont között olyan úton halad, amely megköveteli legkevesebb időt. Megmutatjuk ennek az elvnek az alkalmazását a fénytörés ugyanazon problémájának megoldására. Egy fényforrásból származó nyaláb S vákuumban található a lényegre megy V az interfészen kívül valamilyen közegben található (7.7. ábra).

Minden környezetben a legrövidebb út közvetlen lesz SAés AB. pont A távolsággal jellemzik x a forrásból a határfelületre ejtett merőlegesről. Határozza meg az útvonal befejezéséhez szükséges időt SAB:.A minimum meghatározásához megkeressük τ első deriváltját xés egyenlővé tesszük a nullával: innen ugyanahhoz a kifejezéshez jutunk, amelyet a Huygens-elv alapján kaptunk: a Fermat-elv a mai napig megőrizte jelentőségét, és alapul szolgált a mechanika törvényeinek általános megfogalmazásához (többek között is). a relativitáselmélet és a kvantummechanika).A Fermat-elvből több következmény is van. A fénysugarak megfordíthatósága : ha megfordítja a sugarat III (7.7. ábra), amitől ferdén esik a felületreβ, akkor az első közegben megtört nyaláb szögben fog terjedni α, azaz ellenkező irányba fog menni a gerenda menténén . Egy másik példa a délibáb , amit gyakran megfigyelnek a napsütötte utakon utazók. Egy oázist látnak maguk előtt, de amikor odaérnek, körös-körül homok van. A lényeg az, hogy ebben az esetben a homokon áthaladó fényt látjuk. A levegő nagyon forró a legdrágább felett, és be felső rétegek hidegebb. Forró levegő, tágul, ritkább lesz, és a fény sebessége nagyobb benne, mint a hidegben. Ezért a fény nem egyenes vonalban, hanem egy pálya mentén halad a legrövidebb idő, meleg levegőrétegekbe burkolózva. Ha a fény terjed magas törésmutatójú közeg (optikailag sűrűbb) alacsonyabb törésmutatójú közegbe (optikailag kevésbé sűrű) ( > ) , például az üvegből a levegőbe, akkor a fénytörés törvénye szerint, a megtört sugár eltávolodik a normálistól és a β törésszög nagyobb, mint az α beesési szög (7.8. ábra a).

A beesési szög növekedésével a törésszög növekszik (7.8. ábra). b, v), amíg egy bizonyos beesési szögnél () a törésszög egyenlő π / 2. A szöget ún. korlátozó szög . α beesési szögeknél > minden beeső fény teljesen visszaverődik (7.8. ábra G). Ahogy a beesési szög közeledik a határértékhez, a megtört sugár intenzitása csökken, a visszavert sugár növekszik Ha, akkor a megtört sugár intenzitása nullára megy, és a visszavert sugár intenzitása megegyezik a visszavert sugár intenzitásával. esemény (7.8. ábra G). · Ily módon,π/2 közötti beesési szögeknél,a sugár nem törik meg,és teljes mértékben tükröződik az első szerdán,a visszavert és a beeső sugarak intenzitása pedig azonos. Ezt a jelenséget az ún teljes reflexió. A határszöget a következő képlet határozza meg: ; .A teljes visszaverődés jelenségét a teljes reflexiós prizmákban használják (7.9. ábra).

Az üveg törésmutatója n » 1,5, tehát az üveg-levegő határfelület határszöge \u003d arcsin (1 / 1,5) \u003d 42 °. Amikor fény esik az üveg-levegő interfészre α > 42° mindig teljes visszaverődés lesz. A 7.9 teljes reflexiós prizmákat mutat, amelyek lehetővé teszik: a) a sugár 90°-kal történő elforgatását; b) a kép elforgatását; c) a sugarak körbeburkolását. Az optikai eszközökben teljes reflexiós prizmákat használnak (például távcsőben, periszkópban), valamint refraktométerekben, amelyek lehetővé teszik a testek törésmutatóinak meghatározását (a törés törvénye szerint, méréssel meghatározzuk két közeg relatív törésmutatóját, valamint az abszolút törésmutatót az egyik közeg törésmutatója, ha a második közeg törésmutatója ismert).

A teljes reflexió jelenségét is használják fényvezetők , amelyek optikailag átlátszó anyagból készült vékony, véletlenszerűen hajlított filamentek (szálak) 1. ábra. 7.10 A szálas alkatrészekben üvegszálat használnak, amelynek fényvezető magját (magját) üveg veszi körül - egy másik, alacsonyabb törésmutatójú üveg héja. Fénybeesés a fényvezető végén határértéknél nagyobb szögeknél , a mag és a burkolat határfelületén megy keresztül teljes tükröződés és csak a fényvezető mag mentén terjed.Fényvezetőket használnak a létrehozására nagy kapacitású távíró- és telefonkábelek . A kábel több száz és több ezer olyan vékony optikai szálból áll, mint egy emberi haj. Egy ilyen, egy közönséges ceruza vastagságú kábelen egyszerre akár nyolcvanezer telefonbeszélgetés is továbbítható.az integrált optika céljaira.

1. definíció

Optika- a fizika egyik ága, amely a fény tulajdonságait, fizikai természetét, valamint anyagokkal való kölcsönhatását vizsgálja.

Ez a rész az alábbiakban három részre oszlik:

geometrikus vagy más néven sugároptika, amely a fénysugarak fogalmán alapul, innen ered a neve is;
hullámoptika, olyan jelenségeket tár fel, amelyekben a fény hullámtulajdonságai megnyilvánulnak;
A kvantumoptika a fénynek olyan anyagokkal való kölcsönhatásait veszi figyelembe, amelyekben a fény korpuszkuláris tulajdonságai éreztetik magukat.

Ebben a fejezetben az optika két alfejezetét vizsgáljuk meg. A fény korpuszkuláris tulajdonságait az ötödik fejezetben tárgyaljuk.

Jóval az igaz megértése előtt fizikai természet fény, az emberiség már ismerte a geometriai optika alaptörvényeit.

A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye

1. definíció

A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye kimondja, hogy a fény egyenes vonalban halad optikailag homogén közegben.

Ezt erősítik meg azok az éles árnyékok, amelyeket az átlátszatlan testek vetnek, ha viszonylag kis méretű fényforrással, vagyis az úgynevezett "pontforrással" világítanak meg.

Egy másik bizonyíték abban a jól ismert kísérletben rejlik, amikor egy távoli forrásból származó fényt egy kis lyukon vezetnek át, ami keskeny fénysugarat eredményez. Ez a tapasztalat elvezet bennünket a fénysugár mint geometriai vonal ábrázolásához, amelyen a fény terjed.

2. definíció

Érdemes megjegyezni azt a tényt, hogy a fénysugár fogalma a fény egyenes vonalú terjedésének törvényével együtt elveszti értelmét, ha a fény olyan lyukakon halad át, amelyek mérete hasonló a hullámhosszhoz.

Ennek alapján a fénysugarak definíciójára támaszkodó geometriai optika a hullámoptika λ → 0 határesete, amelynek hatókörét a fényelhajlásról szóló részben tárgyaljuk.

Két átlátszó közeg határfelületén a fény részben visszaverhető oly módon, hogy a fényenergia egy része a visszaverődés után új irányba szóródik, míg a másik átlépi a határt és a második közegben folytatja terjedését.

A fényvisszaverődés törvénye

3. definíció

A fényvisszaverődés törvénye, azon alapul, hogy a beeső és a visszavert sugarak, valamint a két közeg határfelületére merőleges, a sugár beesési pontján helyreállított, ugyanabban a síkban (a beesési síkban) vannak. Ebben az esetben a visszaverődési és beesési szögek, γ és α egyenértékűek.

A fénytörés törvénye

4. definíció

A fénytörés törvénye, azon alapul, hogy a beeső és a megtört sugárzás, valamint a két közeg határfelületére merőleges, a sugár beesési pontján helyreállított sugár ugyanabban a síkban fekszik. Az α beesési szög sin és a β törésszög sin aránya állandó érték a két adott közegre:

sin α sin β = n.

W. Snellius tudós 1621-ben kísérletileg megállapította a fénytörés törvényét.

5. definíció

Állandó n a második közeg relatív törésmutatója az elsőhöz viszonyítva.

6. definíció

A közegnek a vákuumhoz viszonyított törésmutatóját ún. abszolút törésmutató.

7. definíció

Két közeg relatív törésmutatója ezen közegek abszolút törésmutatóinak aránya, azaz:

A fénytörés és a visszaverődés törvényei a hullámfizikában találják meg értelmüket. Definíciói alapján a fénytörés a hullámok terjedési sebességének átalakulásának eredménye a két közeg közötti átmenet folyamatában.

8. definíció

A törésmutató fizikai jelentése a hullámterjedés sebességének az első közegben υ 1 és a második υ 2 sebességének aránya:

9. definíció

Az abszolút törésmutató megegyezik a vákuumban mért fénysebesség arányával c a υ fénysebességhez a közegben:

3. ábra. egy . Az 1. ábra a fény visszaverődésének és törésének törvényeit szemlélteti.

3. ábra. egy . egy . A tükrözés törvényei υ fénytörés: γ = α ; n 1 sin α \u003d n 2 sin β.

10. definíció

Az a közeg, amelynek abszolút törésmutatója kisebb optikailag kevésbé sűrű.

11. meghatározás

A fény egyik közegből a másikba való átmenetének körülményei között kisebb az optikai sűrűsége (n 2< n 1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.

Ez a jelenség egy bizonyos α p p kritikus szöget meghaladó beesési szögeknél figyelhető meg. Ezt a szöget a teljes belső visszaverődés határszögének nevezzük (lásd 3.1.2. ábra).

A beesési szögre α = α p p sin β = 1; sin α p p \u003d n 2 n 1 érték< 1 .

Feltéve, hogy a második közeg a levegő (n 2 ≈ 1), akkor az egyenlőség átírható a következő alakban: sin α p p = 1 n, ahol n = n 1 > 1 az első közeg abszolút törésmutatója.

Az „üveg-levegő” határfelület körülményei között, ahol n = 1, 5, a kritikus szög α p p = 42 °, míg a „víz-levegő” határfelületen n = 1, 33 és α p p = 48 . 7°.

3. ábra. egy . 2. A fény teljes belső visszaverődése a víz-levegő határfelületen; S egy pontszerű fényforrás.

A teljes belső visszaverődés jelenségét széles körben alkalmazzák számos optikai eszközben. Az egyik ilyen eszköz egy szálas fényvezető - vékony, véletlenszerűen hajlított, optikailag átlátszó anyagból készült szálak, amelyek belsejében a végét érő fény nagy távolságokra terjedhet. Ezt a találmányt csak az tette lehetővé helyes alkalmazás az oldalfelületekről való teljes belső visszaverődés jelensége (3.1.3. ábra).

12. definíció

száloptika az optikai fényvezetők fejlesztésén és használatán alapuló tudományos és műszaki irány.

Rajz 3 . 1 . 3 . A fény terjedése optikai szálban. Ha a szál erősen meg van hajlítva, a teljes belső visszaverődés törvénye megsérül, és a fény részben kilép a szálból az oldalfelületen keresztül.

Rajz 3 . 1 . 4 . A fény visszaverődésének és törésének modellje.

Ha hibát észlel a szövegben, jelölje ki, és nyomja meg a Ctrl+Enter billentyűkombinációt

A geometriai optika alaptörvényei. teljes tükröződés

fénysugár egy irányított vonal, amelyen a fényenergia terjed. Ebben az esetben a fénysugár lefutása nem függ a fénysugár keresztirányú méreteitől. Azt mondják, egyetlen irányban terjed: a fénysugár mentén.

A geometriai optika néhány egyszerű empirikus törvényen alapul:

1)A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye: Átlátszó homogén közegben a fény egyenes vonalban halad.

Innen ered a fénysugár fogalma, amelynek geometriai jelentése van, mint egy vonal, amely mentén a fény terjed. A véges szélességű fénynyaláboknak valódi fizikai jelentése van. A fénysugár a fénysugár tengelyének tekinthető. Mivel a fény, mint minden sugárzás, energiát hordoz, elmondhatjuk, hogy a fénysugár jelzi a fénysugár általi energiaátvitel irányát.

A fény terjedésének megfigyelései sok esetben azt jelzik, hogy a fény egyenes vonalban terjed. Ez a téma árnyéka ͵ megvilágítva utcai lámpa, és a Hold árnyékának mozgása a Földön napfogyatkozások során, és a műszerek lézeres beigazítása és sok más tény. Minden esetben feltételezzük, hogy a fény egyenesen halad.

A geometriai optikában a fény átlátszó közegben való terjedésének törvényeit a fénynek mint fénysugarak halmazának felfogásán alapul. egyenes vagy ívelt vonalak, amelyek a fényforrásnál kezdődnek és a végtelenségig tartanak. Ha a közeg homogén, akkor a sugarak egyenes vonalban terjednek. Ez a minta ismert a fény egyenes vonalú terjedésének törvénye. A fényterjedés egyenessége abban nyilvánul meg, hogy egy átlátszatlan testből árnyék keletkezik, ha azt pontszerű fényforrás világítja meg. Ha ugyanazt a tárgyat két pontszerű fényforrás világítja meg S 1 és S 2 (1. ábra) vagy egy kiterjesztett forrás, akkor a képernyőn olyan területek jelennek meg, amelyek részben meg vannak világítva, és ezeket félárnyéknak nevezzük. A természetben az árnyék és a félárnyék kialakulására példa az Napfogyatkozás. E törvény hatálya korlátozott. Kis lyukméreteknél a fény áthalad a ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ-on (kb. 10 -5 m), amint fentebb megjegyeztük, az egyenes úttól való fényeltérés jelensége figyelhető meg, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ ún. diffrakció Sveta.

1.1.1. ábra Árnyék és félárnyék kialakulása.

Inhomogén közegben a sugarak görbe vonalú pályákon terjednek. A heterogén környezet egyik példája a sivatagban felmelegített homok. A közelében van a levegő magas hőmérsékletű, ami a magassággal csökken. Ennek megfelelően a sivatag felszínéhez közelebb eső levegő sűrűsége csökken. Emiatt a valódi tárgyból érkező sugarak különböző hőmérsékletű és meggörbült levegőrétegekben törnek meg. Ennek eredményeként hamis elképzelés alakul ki az objektum helyéről. Délibáb következik be, vagyis úgy tűnhet, hogy a felszín közelében lévő kép magasan az égen található. Valójában ez a jelenség hasonló a fény fénytöréséhez a vízben. Például a vízbe süllyesztett rúd vége közelebb kerül a felszínéhez, mint amilyen valójában.

2)A sugarak független terjedésének törvénye : a fénysugarak egymástól függetlenül terjednek.

Így például, ha egy átlátszatlan képernyőt egy fénysugár útjába helyeznek, annak egy része le van árnyékolva (kizárva) a sugár összetételéből. A függetlenség tulajdonsága szerint azonban figyelembe kell venni, hogy az árnyékolatlanul maradó sugarak hatása ettől nem változik. Vagyis feltételezzük, hogy a sugarak nem hatnak egymásra, és úgy terjednek, mintha nem is létezne más sugár, kivéve a vizsgált sugárt.

A fénysugarak függetlenségének törvénye azt jelenti, hogy az egyetlen sugár által keltett hatás nem függ attól, hogy a többi nyaláb egyidejűleg hat-e. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, a fénysugarak kombinálhatók és feloszthatók. Az összehajtott gerendák világosabbak lesznek. Ismert példa a sugárösszeadás történetéből napfény͵ amikor a várost a tenger felől érkező ellenséges hajók támadásától védve a Nap fénysugarait sok tükör irányította egy ponton a hajóra, így a forró nyáron tűz ütött ki egy fahajón. Sokan gyermekkorunkban megpróbáltunk betűket égetni egy fa felületre fénygyűjtő nagyítóval.

3) A fény visszaverődésének törvénye

Visszaverődés- a hullámok vagy részecskék felülettel való kölcsönhatásának fizikai folyamata, a hullámfront irányának megváltozása két eltérő tulajdonságú közeg határán, amelyben a hullámfront visszatér abba a közegbe, ahonnan származott. A közegek közötti határfelületen a hullámok visszaverődésével egyidejűleg általában a hullámok törése is megtörténik (a teljes belső visszaverődés eseteit kivéve).

Az akusztikában a visszaverődés a visszhang oka, és ezt használják a szonárokban. A geológiában fontos szerepet játszik a szeizmikus hullámok vizsgálatában. A víztestekben a felszíni hullámokon tükröződés figyelhető meg. A reflexió sok típusnál megfigyelhető elektromágneses hullámok, nem csak a látható fényre. A VHF és a magasabb frekvenciájú rádióhullámok visszaverődése megvan fontosságát rádióadásokhoz és radarokhoz. Még a kemény röntgen- és gamma-sugarakat is kis szögben visszaverik a felületre speciálisan készített tükrök. Az orvostudományban az ultrahangnak a szövetek és szervek közötti határfelületeken való visszaverődését használják az ultrahangdiagnosztikában.

A fényvisszaverődés törvénye:

a beeső és a visszavert sugarak egy síkban vannak a visszaverő felület normáljával a beesési pontban, "az α beesési szög egyenlő a γ visszaverődési szöggel".

1.1.2. ábra A törés törvénye

A fény visszaverődése lehet tükör (vagyis tükör használatakor megfigyelhető) vagy diffúz (ebben az esetben a visszaverődés nem a tárgyból érkező sugarak útját, hanem csak a fényáram energiakomponensét őrzi meg) attól függően, hogy a felület jellege.

A fényvisszaverődést tükörképnek nevezzük, ha a beeső párhuzamos fénysugár a visszaverődés után is megtartja párhuzamosságát. Ha a felületi egyenetlenségek méretei nagyobbak, mint a beeső fény hullámhossza, akkor az minden lehetséges irányba szóródik, az ilyen fényvisszaverődést szórtnak vagy diffúziónak nevezzük.

Spekuláris fényvisszaverődés:

1) a visszavert sugár a beeső sugaron és a visszaverő felület normálisán átmenő síkban fekszik, visszaállítva a beesési ponton;

2) a visszaverődés szöge egyenlő a beesési szöggel. A visszavert fény intenzitása (amelyet a visszaverési együttható jellemez) a beeső sugarak beesési szögétől és polarizációjától, valamint a 2. és 1. közeg n2 és n1 törésmutatóinak arányától függ. Mennyiségileg ezt a függést (reflexiós közeg - dielektrikum esetében) a Fresnel-képletek fejezik ki. Ezekből különösen az következik, hogy amikor a fény a normál mentén esik a felületre, a visszaverődési együttható nem függ a beeső sugár polarizációjától, és egyenlő

Példa. A levegőből vagy üvegből a határfelületre történő normál beesés esetén (levegő törésmutatója = 1,0; üveg = 1,5) ez 4%.

4)A fénytörés törvénye

Két közeg határán a fény megváltoztatja terjedésének irányát. A fényenergia egy része visszakerül az első közegbe, azaz. fény tükröződik.

Ha a második közeg átlátszó, akkor a fény egy része bizonyos feltételek mellett átjuthat a közeg határán, és általában megváltoztatja terjedésének irányát is. Ez a jelenség fénytörésnek nevezzük.

A fénytörés törvénye: A beeső sugár, a megtört nyaláb és a két közeg közötti határfelületre merőleges, a sugár beesési pontján helyreállított sugár ugyanabban a síkban fekszik; a beesési szög szinuszának és a β törésszög szinuszának aránya két adott közeg esetén állandó érték

Törésmutató- a fénytörés törvényében szereplő állandót relatív törésmutatónak vagy egy közeg elsőhöz viszonyított törésmutatójának nevezzük.

A közegnek a vákuumhoz viszonyított törésmutatóját ún abszolút mutató ennek a közegnek a fénytörése. Ez egyenlő az α beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának arányával a fénysugár vákuumból adott közegbe való átmenete során. Az n relatív törésmutatót az első közeg n2 és n1 abszolút indexeihez viszonyítjuk a következő összefüggéssel:

Ezért a fénytörés törvénye a következőképpen írható fel:

A törésmutató fizikai jelentése a hullámterjedés sebességének az első közegben υ1 és a második közegben való terjedési sebességének aránya υ2:

Az abszolút törésmutató egyenlő a vákuumban lévő c fénysebesség és a közegben lévő υ fénysebesség arányával:

Az alacsonyabb abszolút törésmutatójú közeget általában optikailag kevésbé sűrű közegnek nevezik.

Egy közeg abszolút törésmutatója a fény adott közegben terjedési sebességével függ össze és attól függ fizikai állapot közeg, amelyben a fény terjed, azaz. az anyag hőmérsékletére, sűrűségére, rugalmas feszültségek jelenlétére. A törésmutató magának a fénynek a jellemzőitől is függ. A piros fénynél kisebb, mint a zöldnél, a zöldnél pedig kisebb, mint a lilánál.

5) A fénysugár megfordíthatóságának törvénye . Eszerint egy bizonyos pályán az egyik irányba terjedő fénysugár pontosan megismétli irányát, ha ellenkező irányba terjed.

Mivel a geometriai optika nem veszi figyelembe a fény hullámtermészetét, működik benne az a posztulátum, miszerint ha két (vagy több) sugárrendszer egy ponton konvergál, akkor az általuk létrehozott megvilágítások összeadódnak.

Teljes belső reflexió

Elektromágneses vagy hanghullámok esetében figyelhető meg két közeg határfelületén, amikor a hullám kisebb terjedési sebességű közegből esik le (fénysugarak esetén ez nagyobb törésmutatónak felel meg).

A beesési szög növekedésével a törésszög is nő, miközben a visszavert sugár intenzitása nő, a megtört sugár intenzitása csökken (összegük megegyezik a beeső sugár intenzitásával). Egy bizonyos kritikus értéknél a megtört sugár intenzitása nullává válik, és a fény teljes visszaverődése következik be. A kritikus beesési szög értéke úgy határozható meg, hogy a β törésszöget 90°-ra állítjuk a törés törvényében:

Ha n az üvegnek a levegőhöz viszonyított törésmutatója (n>1), akkor a levegő üveghez viszonyított törésmutatója 1/n lesz. Ebben az esetben az üveg az első közeg, a levegő a második. A fénytörés törvénye a következőképpen van leírva:

Ebben az esetben a törésszög nagyobb, mint a beesési szög, ami azt jelenti, hogy optikailag kevésbé sűrű közegbe kerülve a nyaláb a két közeg határára merőlegestől oldalra tér el. A lehető legnagyobb törésszög β = 90° megfelel az a0 beesési szögnek.

A > a0 beesési szögnél a megtört nyaláb eltűnik, és minden fény visszaverődik a határfelületről, pl. teljes fényvisszaverődés következik be. Ekkor, ha egy fénysugarat optikailag sűrűbb közegből egy optikailag kevésbé sűrű közegbe irányítunk, akkor a beesési szög növekedésével a megtört nyaláb megközelíti a két közeg határfelületét, majd a határfelület mentén halad, és a beesési szög további növelésével a megtört nyaláb eltűnik, t .e. a beeső sugár teljesen visszaverődik a két közeg közötti interfészen.

1.1.3. ábra Teljes visszaverődés

A határszög (alfa nulla) a beesési szög, amely 90 fokos törési szögnek felel meg.

A visszavert és megtört nyaláb intenzitásának összege megegyezik a beeső sugár intenzitásával. A beesési szög növekedésével a visszavert sugár intenzitása növekszik, míg a megtört sugár intenzitása csökken, és a beesési szög határértéke nullával egyenlő.

1.1.4. ábra Fényvezető

A teljes belső visszaverődés jelensége számos optikai eszközben alkalmazható. A legérdekesebb és gyakorlatilag legfontosabb alkalmazási terület a szálas fényvezetők létrehozása, amelyek vékony (több mikrométertől milliméterig terjedő) tetszőlegesen hajlított filamentek optikailag átlátszó anyagból (üveg, kvarc). A szál végére eső fény az oldalfelületekről való teljes belső visszaverődés következtében nagy távolságokra terjedhet végig rajta. Az optikai fényvezetők fejlesztésével és alkalmazásával kapcsolatos tudományos és műszaki irányt száloptikának nevezzük.

A szálakat kötegekben gyűjtik össze. Ebben az esetben a kép valamely eleme az egyes szálakon keresztül továbbítódik.

A rostos kócokat az orvostudományban kutatásra használják belső szervek. Két fényvezető bedobható a test bármely nehezen elérhető helyére. Az egyik fényvezető segítségével megvilágítják a kívánt tárgyat, a másikon keresztül annak képe jut a kamerába vagy a szemébe. Például a fényvezetők gyomorba süllyesztésével az orvosok kiváló képet kapnak a számukra érdekes területről, annak ellenére, hogy a fényvezetőket a legfurcsább módon kell csavarni és hajlítani.

A száloptikát nagy mennyiségű információ továbbítására használják számítógépes hálózatokban, világításra megközelíthetetlen helyekre, reklámban, háztartási világítóberendezésekben.

Katonai ügyekben a periszkópokat széles körben használják tengeralattjárókon. Periszkóp (a görög peri - „körül” és scopo - „nézek” szóból) - menedékhelyről történő megfigyelésre szolgáló eszköz. a legegyszerűbb forma periszkóp - egy cső, amelynek mindkét végén tükrök vannak rögzítve, a cső tengelyéhez képest 45 ° -kal megdöntve a fénysugarak irányának megváltoztatása érdekében. A bonyolultabb változatokban a tükrök helyett prizmákat használnak a sugarak eltérítésére, a megfigyelő által kapott képet pedig lencserendszer segítségével nagyítják fel. A fénysugár teljesen visszaverődik és belép a megfigyelő szemébe.

A sugarak prizma általi eltérítése

Az ábra egy üvegprizma metszetét mutatja az oldaléleire merőleges síkkal. A prizmában lévő nyaláb eltér az alaphoz, megtörve az OA és 0B lapokon. Az ezen lapok közötti A szöget a prizma törésszögének nevezzük. Injekció φ a nyaláb elhajlása függ az A prizma törésszögétől, a prizma anyagának n törésmutatójától és az a1 beesési szögtől. Kiszámítható a fénytörés törvényével.

φ \u003d A (p-1)

Ezért minél nagyobb a sugarak prizma általi eltérülési szöge, minél nagyobb a prizma törésszöge

1.1.5. ábra Sugarak eltérítése prizmával

A prizmákat számos optikai műszer, például teleszkópok, távcsövek, periszkópok, spektrométerek felépítésében használják. I. Newton először bontotta szét a fényt egy prizma segítségével összetevőire, és látta, hogy a prizma kilépésénél sokszínű spektrum keletkezik, és a színek ugyanabban a sorrendben helyezkednek el, mint a szivárványban. Kiderült, hogy a természetes "fehér" fényből áll egy nagy szám sokszínű kötegek.

Ellenőrző kérdések és feladatok

1. Fogalmazza meg és magyarázza el a geometriai optika alaptörvényeit!

2. Mi a fizikai jelentése egy közeg abszolút törésmutatójának? Mi a relatív törésmutató?

3. Fogalmazza meg a fény tükör- és diffúz visszaverődésének feltételeit!

4. Milyen feltételek mellett figyelhető meg a teljes visszaverődés?

5. Mekkora a sugár beesési szöge, ha a beeső és a visszavert sugár szöget zár be?

6. Igazolja a fénysugarak irányának megfordíthatóságát a fényvisszaverődés esetére!

7. Lehetséges-e olyan tükrök és prizmák (lencsék) rendszerét kitalálni, amelyen keresztül az egyik megfigyelő látja a második megfigyelőt, és a második megfigyelő nem látja az elsőt?

8. Az üveg víz törésmutatója 1,182: a glicerin víz törésmutatója 1,105. Határozza meg az üveg törésmutatóját a glicerinhez viszonyítva.

9. Határozza meg a teljes belső visszaverődés határszögét egy gyémántra a víz határán!

10. Miért világítanak a légbuborékok a vízben? ( Válasz: a fény visszaverődése miatt a "víz-levegő" határfelületen)

Alkalmazási korlátok:

A geometriai optika törvényei csak akkor teljesülnek pontosan, ha a fényterjedés útjában lévő akadályok mérete jóval nagyobb, mint a fény hullámhossza.

Az alapelv:

A geometriai optika alapelve a fénysugár fogalma. Ez a meghatározás azt jelenti, hogy a sugárzó energia áramlásának iránya (a fénysugár útja) nem függ a fénysugár keresztirányú méreteitől.

Abból adódóan, hogy a fény hullámjelenség, interferencia lép fel, aminek következtében egy korlátozott fénysugár nem terjed egyik irányban sem, hanem véges szögeloszlású, azaz diffrakció megy végbe. Azokban az esetekben azonban, amikor a fénysugarak karakterisztikus keresztirányú méretei kellően nagyok a hullámhosszhoz képest, elhanyagolható a fénysugár divergenciája, és feltételezhető, hogy az egyetlen irányban terjed: a fénysugár mentén.

A geometriai optika törvényei:

"A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye"Átlátszó homogén közegben a fény egyenes vonalban halad. A fény egyenes vonalú terjedésének törvényével kapcsolatban megjelent a fénysugár fogalma, amely geometriai jelentéssel bír, mint egy vonal, amelyen a fény terjed.

"A sugarak független terjedésének törvénye"- a geometriai optika második főtétele, amely kimondja, hogy a fénysugarak egymástól függetlenül terjednek.

"A fényvisszaverődés törvénye"- tükröző (tükör) felülettel való találkozás következtében a fénysugár irányának változását állítja be: a beeső és a visszavert sugár a beesési pontban a visszaverő felület normáljával egy síkban van, és ez a normál a sugarak közötti szöget két egyenlő részre osztja.

"A fénytörés törvénye (Snell törvénye vagy Snell)"- amikor a fény eléri a két átlátszó közeg határfelületét, annak egy része visszaverődik, a többi pedig áthalad a határon. A fénytörés a fény terjedési irányának változása, amikor az áthalad két közeg határfelületén.

"A fénysugár megfordíthatóságának törvénye"- szerinte egy bizonyos pályán egy irányba terjedő fénysugár az ellenkező irányba terjedve pontosan megismétli a pályáját.

hívott

5.2. A FÉNYTÖRÖLÉS TÖRVÉNYE. ABSZOLÚT ÉS RELATÍV TÖRÉSMUTATÓK. TELJES ÉS BELSŐ REFLEKCIÓ A törés vége - amikor a fény az egyik átlátszó közegből egy másik átlátszó közegbe megy át a határfelületen, a fénysugarak eltérnek az irányuktól, és a beesési szinusz és a törésszög szinusz aránya állandó. érték ezeknek a médiáknak és

a beesési ponton nevezzük, és ez a normál két egyenlő részre osztja a sugarak közötti szöget Beesési szög = visszaverődési szög, tükör, tökéletesen sima felület)

A geometriai optika az optika egyik ága, amely a fény terjedését vizsgálja átlátszó közegben, és szabályokat dolgoz ki a fénysugarak optikai rendszerekben való áthaladása során képalkotásra (a fény hullámtulajdonságainak figyelembevétele nélkül) A fényt nyalábnak tekintjük. Az akadályok nagyságához, az optikai rendszer részleteihez és a jellemző távolságokhoz képest kicsi hullámhosszú sugárzás esetén a fény testmozgásnak - a hullámmozgás határesetének - tekinthető.

A geometriai optika fő egyszerűsítése a fénysugár fogalma. Feltételezzük, hogy a fényáram iránya nem függ a fénysugár keresztirányú méreteitől.

A geometriai optika alaptörvénye : „A fény, amikor egyik pontból a másikba terjed, olyan utat választ, amely megfelel a két pont közötti szélsőséges (minimális vagy szélsőséges) terjedési időnek a lehetséges legközelebbi utak végtelen halmaza közül.” (A geometriai optika alapelvét az ún. francia fizikus Farm)

A geometriai optika törvényei:

1) a fény egyenes vonalú terjedésének törvénye (Optikailag homogén közegben (vákuumban) a fénysugarak egyenes vonalúan terjednek).

2) a fénysugarak függetlenségének törvénye.

3) a törés törvénye (A beeső nyaláb, a megtört nyaláb és a határfelületre merőleges egy síkban van. Amikor a fény átjut az egyik átlátszó közegből a másikba a közegek határfelületén, a fénysugarak eltérnek az irányuktól. Ezenkívül a beesési szög és a törésszög sin aránya 2 közeg esetén állandó, és ezt relatív törésmutatónak nevezik.

A fénysugarak megfordíthatósága:

Abszolút törésmutató - törésmutató, amelyet akkor kapunk, amikor a vákuumból származó fény egy közegre esik.

Relatív törésmutató - a második és az első közeg abszolút törésmutatóinak aránya.

Fordítva, amikor a második környezetből az elsőbe lépünk:

A magasabb indexű közeget optikailag sűrűbbnek nevezzük.

4) a visszaverődés törvénye (a visszaverődés törvénye (Két közeg határán visszavert sugár következik be, amely a beesési síkban fekszik, azaz a beeső sugarat és két közeg határának normálisát tartalmazó síkban, visszaállítva a beesési pontban, és a beesési szög egyenlő a visszaverődés szögével).

A geometriai optika alkalmazhatóságának korlátai:
A geometriai optika törvényei csak akkor teljesülnek kellően pontosan, ha a fény terjedési útjában lévő akadály mérete jóval nagyobb, mint a fény hullámhossza.

A fénytörés törvénye

A fénytörés olyan jelenség, amelyben a fénysugár az egyik közegből a másikba áthaladva irányt változtat e közegek határán.

A fénytörés a következő törvény szerint történik:
A beeső és megtört sugarak, valamint a két közeg határfelületére húzott merőleges a nyaláb beesési pontjában ugyanabban a síkban helyezkednek el. A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya két közeg esetén állandó érték:
,
ahol α a beesési szög,
β - törésszög,
n a beesési szögtől független állandó érték.

A beesési szög megváltozásakor a törésszög is megváltozik. Minél nagyobb a beesési szög, annál nagyobb a törésszög.
Ha a fény optikailag kevésbé sűrű közegből sűrűbb közegbe kerül, akkor a törésszög mindig kisebb, mint a beesési szög: β< α.
A két közeg határfelületére merőlegesen irányított fénysugár törés nélkül halad át egyik közegből a másikba.

az anyag abszolút törésmutatója - olyan érték, amely megegyezik a fény (elektromágneses hullámok) fázissebességének arányával vákuumban és adott közegben n \u003d c / v
A töréstörvényben szereplő n értéket egy közegpár relatív törésmutatójának nevezzük.

Az n érték a B közeg relatív törésmutatója az A közeghez viszonyítva, és n" = 1/n az A közeg relatív törésmutatója a B közeghez képest.

Ez az érték (ceteris paribus) nagyobb, mint egység, amikor a nyaláb sűrűbb közegből kevésbé sűrű közegbe megy át, és kisebb, mint egység, amikor a nyaláb kevésbé sűrű közegből sűrűbb közegbe (például gázból vagy vákuummal folyékony vagy szilárd anyaggá). Vannak kivételek ez alól a szabály alól, ezért szokás egy közeget optikailag többé-kevésbé sűrűnek nevezni, mint a másikat.

A levegőtlen térből valamely B közeg felületére eső sugár erősebben törik, mint amikor egy másik A közegből ráesik; A levegőtlen térből a közegre beeső sugár törésmutatóját abszolút törésmutatónak nevezzük.

(Abszolút – a vákuumhoz viszonyítva.
Relatív - bármely más anyaghoz képest (például ugyanaz a levegő).
Két anyag relatív indexe az abszolút indexük aránya.)

Teljes belső reflexió

A közegben terjedő fény a közeg és a közeg határfelületére esik kevésbé sűrű(azaz az abszolút törésmutató kisebb.) A visszavert energia arányának növekedése is előfordul a beesési szög növekedésével, DE:

Egy bizonyos beesési szögből kiindulva minden fényenergia visszaverődik a felületről. Azt a beesési szöget, amelytől kezdve minden fényenergia visszaverődik a határfelületről, a teljes belső visszaverődés határszögének nevezzük.

Amikor a fény a határszögben esik a határfelületre, a törésszög 90 fok:

törésszög sin = 1/n

Beesési szögeknél, nagy törésszögeknél a megtört nyaláb nem létezik.

Példa: teljes belső visszaverődés figyelhető meg a vízben lévő légbuborékok határán. Ragyognak, mert a rájuk eső napfény teljesen visszaverődik anélkül, hogy áthaladna a buborékokon.

A tükrözések típusai:

Tükörtükrözés

A fény tükröződő visszaverődését a beeső és a visszavert sugarak helyzete közötti bizonyos kapcsolat különbözteti meg: 1) a visszavert sugár a beeső sugaron és a visszaverő felület normálisán áthaladó síkban fekszik, a beesési ponton helyreállítva; 2) a visszaverődés szöge egyenlő a beesési szöggel. A visszavert fény intenzitása (amelyet a visszaverődési együttható jellemez) a beeső sugarak beesési szögétől és polarizációjától, valamint a 2. és 1. közeg n 2 és n 1 törésmutatóinak arányától függ. Mennyiségileg ezt a függést (reflexiós közeg - dielektrikum esetében) a Fresnel-képletek fejezik ki. Ezekből különösen az következik, hogy amikor a fény a normál mentén esik a felületre, a visszaverődési együttható nem függ a beeső sugár polarizációjától, és egyenlő

A levegőből vagy üvegből a határfelületre történő normál beesés egy fontos speciális esetben (levegő törésmutatója = 1,0; üveg = 1,5) ez 4%.

Teljes belső reflexió

A beesési szög növekedésével a törésszög is nő, miközben a visszavert sugár intenzitása nő, a megtört sugár intenzitása csökken (összegük megegyezik a beeső sugár intenzitásával). Egy bizonyos kritikus értéknél a megtört sugár intenzitása nullává válik, és a fény teljes visszaverődése következik be. A kritikus beesési szög értéke úgy határozható meg, hogy a törési szöget 90°-ra állítjuk a törés törvényében:

Diffúz fényvisszaverődés

Fény szórása minden irányba. Két fő D. a fényszórás formái: fényszórás a felületi mikroérdességre (felületi szórás) és a finoman diszpergált részecskék jelenlétével társuló test térfogatában történő szórás (térfogatszórás). A diffúz visszavert fény tulajdonságai optikailag függenek a fényviszonyoktól. a szóróanyag tulajdonságai és a visszaverő felület mikroreliefje (lásd Fényvisszaverődés). Az ideálisan szórt felület minden irányban azonos fényerővel rendelkezik, függetlenül a fényviszonyoktól. A valós objektumok fényszórási jellemzőinek becsléséhez bevezetjük az együtthatót. D. O., amely az adott felületről visszavert fényáram és az ideális diffúzor által visszavert fényáram aránya. Spektrális összetétel, együttható Előtt. és a fényességindikátor D. o. a valós tárgyak fénye a szóródás mindkét formájától függ - a felülettől és a térfogattól.

Fény

1) Ha egy tárgy átlátszó testtel találkozik, akkor áthalad őt, de kevésbé tükröződik és elnyelődik.

2) Ha az objektum átlátszatlan - fényvisszaverődés és fényelnyelés.

1. Reflexiós együttható- dimenzió nélküli fizikai mennyiség jellemzi a test azon képességét, hogy visszaveri a rá eső sugárzást. Mint betűjelölés Görög vagy latin nyelvet használnak.

Mennyiségileg a visszaverődési együttható egyenlő a test által visszavert sugárzási fluxus és a testre eső fluxus arányával:

2.Átbocsátás - dimenzió nélküli fizikai mennyiség, amely megegyezik a közegen áthaladó sugárzás és a felületére eső sugárzási fluxus arányával:

3. Abszorpciós együttható- dimenzió nélküli fizikai mennyiség, amely a test azon képességét jellemzi, hogy elnyeli a ráeső sugárzást. A görög [

Számszerűen az abszorpciós együttható megegyezik a test által elnyelt sugárzás és a testet érő sugárzási fluxus arányával:

4.Szórási tényező- dimenzió nélküli fizikai mennyiség, amely a test azon képességét jellemzi, hogy szórja a rá eső sugárzást. A görögöt betűjelölésként használják.

Mennyiségileg a szórási együttható megegyezik a test által szórt sugárzási fluxus és a testre eső fluxus arányával:

Következtetés: Az abszorpciós együttható, valamint a visszaverődési, áteresztési és szórási együtthatók összege eggyel egyenlő. Ez az állítás az energia megmaradás törvényéből következik.

Optikai sűrűség az átlátszó tárgyak (például kristályok, üvegek, fényképészeti filmek) által okozott fénycsillapítás vagy átlátszatlan tárgyak (például fényképek, fémek stb.) fényvisszaverődésének mértéke.

Kiszámítása a tárgyra eső sugárzási fluxus és a rajta áthaladó (erről visszaverődő) sugárzási fluxus arányának decimális logaritmusa, vagyis az áteresztőképesség (visszaverődés) reciprokának logaritmusa:

(D = - lg T = lg (1/ T)

6. JEGY

Fehér fény és színhőmérséklet

6.1. FEHÉR FÉNY. TÖRÉSINDEX FÜGGÉSE A SUGÁRZÁSSEBESSÉGTŐL (FÉNYSZÓRÁS) Az átlátszó közegben a törésmutató függése az áteresztett fény hullámhosszától a fény diszperziója. A diszperzió mértéke a hullámhosszak törésmutatói közötti különbség. A fény áthalad egy newtoni prizmán ....... piros - a terjedési sebesség a közegben maximális, és a fénytörés mértéke minimális, a fény lila a terjedési sebesség a közegben minimális, a törés mértéke maximális.

Könnyű diszperzió- A törésmutató oszcillációs frekvenciától (vagy fényhullámhossztól) való függését a fény diszperziójának nevezzük. A legtöbb esetben a hullámhossz növekedésével a törésmutató csökken. Az ilyen diszperziót normálisnak nevezzük.

Fehér fény - látható tartományban lévő elektromágneses sugárzás, amely normál emberi szemben a szín szempontjából semleges fényérzetet okoz (vagy amikor a spektrum összes színe összeér). A fény diszperziója az átlátszó közeg törésmutatójának a hullámhossztól való függése. A kristályon áthaladó fehér fénysugár megtörik. A fénytörés a 2 közeg eltérő sűrűsége miatt következik be, aminek következtében a fény megváltozik.

A fénydiszperzió (fénybomlás) egy olyan jelenség, amely egy anyag abszolút törésmutatójának a fény frekvenciától (vagy hullámhosszától) való függéséből adódik (frekvencia-diszperzió), vagy ugyanez, a fény fázissebességének függősége a fényben. egy anyag a hullámhosszon (vagy frekvencián). Newton fedezte fel kísérletileg 1672 körül, bár elméletileg sokkal később jól megmagyarázták. a fény törésének terjedési sebességétől való függése miatt a kristályon áthaladó fehér fénysugár (mivel összetett) megtörik, mivel az egyik közegből a másikba különböző sűrűséggel és sebességgel halad át. a fényváltozásokról. A fehér fény spektrummá bontása. A háromszögű prizmán áthaladó fehér fénysugár nemcsak eltérül, hanem színes komponensű sugarakra is bomlik. Ezt a jelenséget Isaac Newton állapította meg. Newton egy kis lyukon keresztül egy üvegprizmára irányította a napsugarat. A prizmára érve a sugár megtört és spektrumot adott a szemközti falon.

6.2. SZÍNES HÁROMSZÖG. ALAP- ÉS TOVÁBBI SZÍNEK. HÁROM KOMPONENSES LÁTÁS. (A színek óramutató járásával megegyező irányú elrendezése 12 órától: k, g, h, g, s, p) Elsődleges színek: Kék, zöld, piros - forma fehér szín További színek: sárga, bíbor, cián. K+G=B;z+p=B;s+g=B. K+Z=W, Z+S=G, S+K=p A háromszemű szem háromféle sugárzó energia vevővel (kúpokkal) rendelkezik, amelyek érzékelik a vöröset (hosszú hullámhossz), a sárgát (közepes hullámhosszú) és a kéket. (rövid hullámhosszúságú) látható spektrum részei. A piros jobban érzékeli a lilát 6.3. TELJESEN FEKETE TEST. SZABVÁNYA ÉS SUGÁRZÁSI SPEKTRUMA. SZÍNES HŐMÉRSÉKLET. A SZÍNHŐMÉRSÉKLET EGYSÉGE. V. Az ideális sugárforrás modellje adott t-nél nem nyel el és nem továbbít semmit. Nagy mennyiségű monokromatikus sugárzást bocsát ki, mint bármely más forrás. B. Egy teljesen fekete test sugárzási spektrumát csak a hőmérséklete határozza meg. Ebben az esetben a szervezet teljesen elnyeli az összes ráeső sugárzást. Ha az abszorpciós együttható minden hullámhosszra egyenlő egységgel (max), akkor egy ilyen testet teljesen fekete testnek nevezünk. Egy teljesen fekete test több energiát sugároz a spektrum bármely tartományában, mint bármely más, azonos hőmérsékletű test. A spektrum meglehetősen nagy területén - az infravöröstől a ultraibolya sugárzás Az abszolút fekete test tulajdonságait egy koromréteggel (forró volfrámfém) borított felület birtokolja. Kelvában mérik és mired.

6.4 A SZÍNHŐMÉRSÉKLET FONTOSSÁGA A FÉNYKÉPZÉSBEN. SZÜRKE TEST SUGÁRZÁS. VALÓDI SUGÁRZÁSI FORRÁSOK, AMELYEK A FEKETE TEST SUGÁRZÁSÁVAL EGYENLŐ SPEKTRÁLIS ENERGIAELOSZLÁSÚ. SUGÁRZÁSI FORRÁSOK, AMELYEKRE A T SZÍN FOGALMA NEM ALKALMAZHATÓ. A bb kiválasztásához. A szürke test, a sugárzás megegyezik a szürke testtel, közel a fekete testhez. Olyan test, amelynek abszorpciós együtthatója kisebb, mint 1, és nem függ a sugárzás hullámhosszától és absz. t. Szürke sugárzás - hősugárzás, ugyanaz a spektrum. összetétele egy teljesen fekete test sugárzásával, de attól alacsonyabb energiában különbözik. Fényerősség.

(Szürke testek: gyertyaláng, izzólámpák, forró fém). A koncepció nem alkalmazható: lézer, LED, gőz, fluoreszcens, gázkisüléses cső. Fotódetektorok

7.1 FOTÓELEKTROMOS HATÁS. A FOTÓEFEKT TÖRVÉNYEI. KÜLSŐ ÉS BELSŐ HATÁS. FOTÓELEKTROMOS HATÁS - az elektronok kiütése vezető anyagok felületéről fénnyel.

A fotoelektromos hatás sorrendje 1.a fotoemisszió függése. A fotosugárzási áram erőssége egyenesen arányos a beeső sugárzási fluxussal (megvilágítás) 2. A sugárzási áram sebessége. A beeső sugárzási fluxussal (megvilágítással) egyenesen arányos A hatás hatására felszabaduló elektronok sebessége, a kibocsátott elektronok sebessége nem függ a megvilágítástól, hanem a sugárzás frekvenciája határozza meg. (A kék nyomatok gyorsabban regisztrálódnak) Minél nagyobb a frekvencia, minél rövidebb a hullámhossz, annál hamarabb fog repülni az elektron 3. A piros szegély a fotoelektromos hatást kiváltó maximális hullámhossznak felel meg. E=h*v – összenergia. Egy v frekvenciájú elektronból érkező vétel egyenlő ennek a frekvenciának a szorzatával. Planck-6,6 * 10 a 36. \u003d h

külső fotoelektromos hatás(fotoelektronikus emisszió) egy anyag elektromágneses sugárzás hatására bekövetkező elektronkibocsátásának nevezzük. Belső fotoelektromos hatás az elektronok energiaállapotok közötti újraeloszlásának nevezzük szilárd és folyékony félvezetőkben és dielektrikumokban, ami sugárzás hatására megy végbe. Félvezetők szilícium, szén, szelén (nem fém) mátrixban SiO2 (homok, polikristályos szilícium) Az áram nem folyik, a potenciálgát nem kerül leküzdésre, ha a vezető melegszik, akkor a vezetőképesség / további töltések előfordulása. P típus - több lyuk N típusú - több elektron De ha nem + -, hanem - + van, akkor ha melegítjük, az áram legyőzi a gátat. + protonok - elektronok Ezüsthalogenid (sárga)

Az utca kezd sötétedni, megbarnul, klórszagú

Néhány optikai törvényt már a fény természetének megállapítása előtt ismertek. A geometriai optika alapját négy törvény alkotja: 1) a fény egyenes vonalú terjedésének törvénye; 2) a fénysugarak függetlenségének törvénye; 3) a fény visszaverődésének törvénye; 4) a fénytörés törvénye.

A fény egyenes vonalú terjedésének törvénye: A fény egyenes vonalban halad optikailag homogén közegben. Ez a törvény hozzávetőleges, mivel amikor a fény nagyon kicsi lyukakon halad át, az egyenességtől való eltérések figyelhetők meg, minél nagyobb, annál kisebb a lyuk.

A fénysugarak függetlenségének törvénye: az egyetlen sugár által keltett hatás nem attól függ, hogy a többi nyaláb egyidejűleg aktív-e, vagy megszűnnek-e. A sugarak metszéspontjai nem akadályozzák meg, hogy mindegyik egymástól függetlenül terjedjen. A fénysugarat külön fénynyalábokra bontva kimutatható, hogy a kiválasztott fénysugarak működése független. Ez a törvény csak nem túl nagy fényintenzitásra érvényes. A lézerekkel elért intenzitásoknál a fénysugarak függetlenségét már nem tartják tiszteletben.

A tükrözés törvénye: a két közeg közötti határfelületről visszavert nyaláb ugyanabban a síkban van, mint a beeső sugár, és a beesési pontban a határfelületre húzott merőleges; a visszaverődés szöge megegyezik a beesési szöggel.

A fénytörés törvénye: a beeső sugár, a megtört nyaláb és a határfelületre a beesési pontban húzott merőleges ugyanabban a síkban van; a beesési szög szinuszának és a törési szög szinuszának aránya állandó érték adott közeg esetén

bűn én 1/sin én 2 \u003d n 12 \u003d n 2 / n 1, nyilvánvalóan bűn én 1/sin én 2 \u003d V 1 / V 2, (1)

ahol n 12 - relatív törésmutató második környezet az elsőhöz képest. Két közeg relatív törésmutatója megegyezik abszolút törésmutatóik n 12 = n 2 / n 1 arányával.

A közeg abszolút törésmutatóját ún. az n érték, amely egyenlő a vákuumban lévő elektromágneses hullámok C sebességének és a közegben lévő V fázissebességének arányával:

A nagy optikai törésmutatójú közeget nevezzük. optikailag sűrűbb.

Az (1) kifejezés szimmetriája azt jelenti fénysugarak visszafordíthatósága, melynek lényege, hogy ha egy fénysugár a második közegből az elsőbe szögben irányul én 2, akkor az első közegben lévő megtört nyaláb szögben jön ki én egy . Amikor a fény egy optikailag kevésbé sűrű közegből egy sűrűbbre kerül, kiderül, hogy ez a bűn én 1 > bűn én 2 , azaz a törésszög kisebb, mint a fény beesési szöge, és fordítva. Ez utóbbi esetben a beesési szög növekedésével a törésszög nagyobb mértékben növekszik, így egy bizonyos határ beesési szögnél én pr törésszög egyenlővé válik π/2-vel. A fénytörés törvénye alapján kiszámíthatja a beesési szög határértékét:

bűn én pr / sin (π / 2) = n 2 / n 1, honnan én pr \u003d arcsin n 2 / n 1. (2)

Ebben a korlátozó esetben a megtört nyaláb végigcsúszik a közegek közötti interfészen. Beesési szögekben én > én Mivel a fény nem hatol be egy optikailag kevésbé sűrű közeg mélyére, a jelenség megtörténik teljes belső reflexió. Injekció én pr hívják korlátozó szög teljes belső reflexió.

Jelenség teljes belső reflexió teljes reflexiós prizmákban használják, amelyeket optikai műszerekben használnak: távcső, periszkóp, refraktométer (optikai törésmutatók meghatározását lehetővé tevő eszközök), fényvezetőkben, amelyek vékony, hajlító szálak (szálak) optikailag átlátszó anyagból. A fényvezető végére a határértéknél nagyobb szögben beeső fény teljes belső visszaverődésen megy keresztül a mag és a burkolat határfelületén, és csak a fényvezető mag mentén terjed. Fényvezetők segítségével tetszés szerint hajlíthatja a fénysugár útját. A képátvitelhez többmagos optikai szálakat használnak. Beszéljétek meg a fényvezetők használatát.

Az optikailag inhomogén közegen áthaladó sugarak törésének és hajlításának törvényének magyarázatára bevezetik a fogalmat. optikai út hossza

L = nS vagy L = ∫ndS,

homogén és inhomogén közegekre, ill.

1660-ban P. Fermat francia matematikus és fizikus megalapította véglet elve(Fermat-elv) az inhomogén átlátszó közegben terjedő sugár optikai úthosszára: a nyaláb optikai úthossza egy közegben két adott pont között minimális, vagy más szóval A fény a legrövidebb optikai hosszúságú úton halad.

Fotometriai mennyiségek és mértékegységeik. A fotometria a fizika egyik ága, amely a fény intenzitásának és fényforrásainak mérésével foglalkozik. 1. Energiamennyiségek:

sugárzási fluxusФ e - az energia arányával számszerűen megegyező érték W sugárzás a t időpontra, amely alatt a sugárzás bekövetkezett:

F e = W/ t, watt (W).

Energia fényesség(sugársűrűség) R e - a felület által kibocsátott Ф e sugárzási fluxus és annak a szakasznak az S területének arányával megegyező érték, amelyen ez a fluxus áthalad:

R e \u003d F e / S, (Szé / m 2)

azok. a felületi sugárzás fluxussűrűsége.

A fény energiaereje (sugárzó teljesítmény) Az I e-t a pontszerű fényforrás fogalmával határozzuk meg - egy olyan forrás, amelynek méretei a megfigyelési pont távolságához képest elhanyagolhatók. A fény energiaintenzitása I e egy olyan érték, amely megegyezik a forrás Ф e sugárzási fluxusának az ω térszöghez viszonyított arányával, amelyen belül ez a sugárzás terjed:

I e \u003d F e / ω, (W / sr) - watt per szteradián.

A fény intenzitása gyakran a sugárzás irányától függ. Ha nem a sugárzás irányától függ, akkor ilyen egy forrás hívott izotróp. Izotróp forrás esetén a fényerősség a

I e \u003d F e / 4π.

Kiterjesztett forrás esetén a felületének dS elemének fényerősségéről beszélhetünk.

Energia fényesség (sugárzás) V e egy érték, amely egyenlő a sugárzó felület eleme ΔI e fényenergia-intenzitásának és az elemnek a megfigyelési irányra merőleges síkra való vetületének ΔS területével:

V e = ∆I e / ∆S. (W/sr.m 2)

Energia megvilágítás(besugárzás) E e a felület megvilágításának mértékét jellemzi, és egyenlő a megvilágított felület egy egységére eső sugárzási fluxus nagyságával. (W/m2.

2. Fényértékek. Az optikai méréseknél különféle sugárzási vevőkészülékeket alkalmaznak, amelyek különböző hullámhosszúságú fényre való érzékenységének spektrális jellemzői eltérőek. Az emberi szem relatív spektrális érzékenysége V(λ) az 1. ábrán látható. V(λ)

400 555 700 λ, nm

Ezért a fénymérés – szubjektív lévén – eltér az objektívtől, az energiaméréstől, és ezekre olyan fényegységeket vezetnek be, amelyeket csak a látható fényre használnak. A fény alapegysége SI-ben a fény intenzitása. kandela(cd), amely megegyezik egy 540 10 12 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó forrás adott irányú fényerősségével, amelynek fényerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr.

A fénymértékegységek meghatározása hasonló az energiaegységekhez. A fénymennyiség mérésére speciális eszközöket - fotométereket - használnak.

Fény áramlás. A fényáram mértékegysége lumen(lm). Ez egyenlő egy 1 cd teljesítményű izotróp fényforrás által kibocsátott fényárammal egy szteradián térszögen belül (egyenletes sugárzási térrel a térszögön belül):

1 lm \u003d 1 cd 1 sr.

Kísérletileg megállapították, hogy a λ = 555 nm hullámhosszú sugárzás által létrehozott 1 lm-es fényáram 0,00146 W-os energiaáramnak felel meg. Az 1 lm-es fényáram, amelyet eltérő λ-értékű sugárzás hoz létre, egy energiaáramnak felel meg

Ф e \u003d 0,00146 / V (λ), W.

1 lm = 0,00146 W.

megvilágítás E- a felületre eső Ф fényáram és a felület S területének arányával tekercselt érték:

E\u003d F / S, lux (lx).

1 lux a felület megvilágítása, amelyből 1 m 2 -re 1 lm fényáram esik (1 lux \u003d 1 lm / m 2).

Fényerősség Egy világító felület R C (fényessége) egy bizonyos irányban φ az az érték, amely megegyezik az I fényerősség ebben az irányban és a világítófelület erre az irányra merőleges síkra való vetületének S területével.

R C \u003d I / (Scosφ). (cd / m 2).

Hasonló cikkek