Оптика - физика - теория, тесты, формулы и задачи - обучение физике, онлайн подготовка к цт и егэ

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где \( d_0 \) – расстояние наилучшего зрения, \( d_0 \) = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где \( F_1 \) – фокусное расстояние объектива; \( F_2 \) – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

\( \varphi \) – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от \( \infty \) до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Закон преломления света

Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.

Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

\( \gamma \) – угол преломления

Законы преломления света

Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:

где \( n_{21} \) – относительный показатель преломления.

Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

где \( n_1 \) – абсолютный показатель преломления первой среды; \( n_2 \) – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:

где \( c \) – скорость света в вакууме, \( v \) – скорость распространения света в данной среде.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.

Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.

Следствия закона преломления света

Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:

Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.

\( x \) – смещение луча от первоначального направления:

где \( d \) – толщина пластины.

Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом \( \varphi_1 \) к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения \( \alpha_1 \), а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды \( \varphi_1 \)

Расчет оптимальной длины оптического пути проточной кюветы в информационно-измерительной спектрометрической системе исследования бензинов

Актуальность и цели. Представлен расчет оптимальной длины оптического пути кюветы для товарных бензинов на основе спектральных коэффициентов поглощения бензинов и его компонентов в ближней инфракрасной области. Объектом исследования являются информационно-измерительная система для идентификации компонентов, определения состава и детонационной стойкости топлива. Предметом исследования являются спектральные характеристики бензинов и их компонентов. Целью работы является определение оптимальной длины оптического пути проточной системы информационно-измерительной системы на основе анализа спектров поглощения бензинов и их компонентов. Материалы и методы . Для решения поставленных задач использовались методы решения некорректных задач при спектральном анализе, методы математического моделирования, статистической обработки данных, метод энергетического расчета с помощью программы ОрtiSystеm , расчет проведен в программной среде Visuаl Ваsiс fоr Аррliсаtiоns (VВА) Мiсrоsоft Ехсеl. Результа…

Зависимость оптической разности хода от упругой и высокоэластической деформации для сетчатых полимеров

Исследована зависимость оптической разности хода от упругой и высокоэластической деформации для сетчатых полимеров на этапах нагружение-прямая ползучесть и разгрузка-обратная ползучесть, а также в области высокоэластичности при охлаждении нагруженного образца. Двойное лучепреломление независимо от условий испытания полимера является линейной функцией его деформации. Линейность связи между разностью хода и деформацией позволяет рассматривать многие физические свойства полимеров как функцию не деформации, а разности хода. Преимущество предложенного экспериментального приема проиллюстрировано примером определения величин внутренней энергии и энтропии на единицу деформации для напряженных полимеров с различной густотой сетки.

Прямолинейное распространение света

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.

Еще термины по предмету «Приборостроение и оптотехника»

Пробивное напряжение коллектор-база фототранзистора

пробивное напряжение между выводами коллектора и базы фототранзистора при открытом эмиттере и в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

Средняя плотность энергии импульса , (average energy density , )

общая энергия пучка, деленная на площадь его поперечного сечения.

Ход
Виртуальная разность
Разные разности
Разделенная разность
Разности оператор
Разность множеств
Симметрическая разность
Оптический
Игра с постоянной разностью
Средняя разность Джини
Биржевые сделки на разность
Критическая разность воспроизводимости
Критическая разность повторяемости
Разность А\B событий А и В
Шкала интервалов (разностей)
Сумма (разность) смещений
Разность двух указателей
Разность (электрических) потенциалов
Разность электрических потенциалов
Приведенная разность населенностей

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние

Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Линзы. Оптическая сила линзы

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской.

Тонкая линза – физическая модель линзы, в которой ее толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.

Классификация линз

1. По форме:

выпуклые – это линзы, у которых средняя часть толще, чем края;
вогнутые – это линзы, у которых края толще, чем средняя часть.

2. По оптическим свойствам:

собирающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей собирается в одной точке;

рассеивающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей рассеивается.

Условные обозначения:

Величины, характеризующие линзу

Главная оптическая ось – это прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Оптический центр линзы – это точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую луч не изменяет своего направления.

Побочная оптическая ось – это любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.

Фокус линзы – это точка, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Обозначение – \( F \).

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы до ее фокуса. Обозначение – \( F \), единица измерения – м.

Фокальная плоскость – это плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Побочный фокус – это точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.

Оптическая сила линзы – это величина, обратная фокусному расстоянию.

Обозначение – \( D \), единица измерения – диоптрия (дптр):

1 дптр – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Важно!
Оптическая сила линзы зависит от показателя преломления линзы и от радиусов кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу:

где \( n_л \) – показатель преломления линзы, \( n_{ср} \) – показатель преломления среды, \( R_1 \) и \( R_2 \) – радиусы сферических поверхностей.

Если поверхности выпуклые, то \( R_1 \) > 0 и \( R_2 \) > 0, если поверхности вогнутые, то \( R_1 \) < 0 и \( R_2 \) < 0.

Если одна из поверхностей линзы плоская, например первая, то \( R_1\to\infty \), а вторая поверхность выпуклая: \( R_2 \) > 0, то

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Еще термины по предмету «Приборостроение и оптотехника»

Нестабильность темнового тока (ФЭПП)

отношение максимального отклонения темнового тока ФЭПП от его среднего значения в течение заданного интервала времени при постоянных температуре и напряжении питания ФЭПП к среднему значению.

Угол отклонения (misalignment angle )

угол отклонения оси пучка от механической оси, определенной изготовителем; лазерный пучок называют частично линейно поляризованным, если степень линейной поляризации превышает 0,1 и менее чем 0,9, а направление поляризации остается неизменным.