История развития оптики как науки
Основные законы и положения оптики как науки были сформулированы до 1900 г. В начале XX века вся физика, и оптика в частности, была подвергнута принципиальному пересмотру. Именно в это время был открыт квант энергии. Теории, которые были известны до этого момента, не перестали быть нужными, но были установлены пределы их применимости.
Оптика как наука имеет глубокие исторические корни. Первые систематические описания оптических явлений принадлежат греческим философам Эмпедоклу (490 -- 430 гг. до н.э.), Евклиду (300 г. до н.э.). Они знали о зажигательных стеклах, преломлении и отражении, прямолинейном распространении света.
Из основателей новой философии следует упомянуть Р. Декарта, который считал, что свет -- это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство, при этом различие цветов он объяснил вращением частиц среды с разными скоростями.
После демонстрации Галилеем роль эксперимента, оптика получила серьезную основу.
Закон отражения знали еще древние греки, закон преломления света был эмпирически установлен в 1621 г. В. Снеллиусом. В 1637 г. П. Ферма сформулировал принцип, из которого следует, что свет распространяется по кратчайшему пути.
Явление интерференции было обнаружено Р. Бойлем и Р. Гуком. Гук установил существование явления дифракции. Гук был первым ученым, который рассматривал свет как совокупность быстрых колебаний. В 1666 г. была выяснена природа цвета, в опыте Ньютона, который разложил призмой белый цвет на отдельные цветовые компоненты. Волновая теория испытывала затруднения в объяснении явления поляризации (открыто Гюйгенсом) и прямолинейного распространения света, поэтому Ньютон пытался развивать корпускулярную теорию света.
Конечность скорости света обнаружена О. Ремером в 1675 г., когда он наблюдал за спутниками Юпитера.
Волновая теория света была расширена Х. Гюйгенсом. Он сформулировал принцип по которому каждую точку эфира, до которого дошло световое возмущение можно рассматривать как центр нового возмущения, которое распространяется в виде сферической волны. Вторичные волны комбинируются так, что их огибающая определяет волновой фронт в любой следующий момент времени. Принцип Гюйгенса позволил объяснить законы преломления и отражения света. Он же обнаружил явление поляризации, однако объяснить ее не смог. Однако отрицание волновой теории Ньютоном привело к ее забвению почти на сто лет.
В начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, которые заставили признать истинность волновой теории. Так, в это время Т. Юнг объяснил явление интерференции, Э.Л. Малюс обнаружил поляризацию света при отражении. Ж. Френель объединил идеи Гюйгенса о построении волнового фронта и принципа Юнга, что позволило ему объяснить прямолинейность распространения света и явление дифракции. Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и получил, что лучи, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Из чего Юнг сделал вывод о том, что световые волны поперечны.
Д. Максвелл объединил все имеющиеся знания в области электромагнетизма и сформулировал систему уравнений, самым важным следствием чего стало описание электромагнитных волн, установление их свойств. Дальнейшие исследования подтвердили правоту и предсказания Максвелла. Когда идеи Максвелла стали привычными ученые оставили попытки объяснить его уравнения механическими представлениями.
В свое время и электромагнитная теория достигла границ, за которыми стала неприменимой. Она в общих чертах объясняет все явления распространения света, но не может описать процессы излучения и поглощения. Законы, которые управляют этими процессами, являются предметом изучения современной оптики, и других разделов физики.
В настоящее время оптику условно делят на три большие части: геометрическую, физическую и физиологическую оптику.
Оптические явления связаны со многими эффектами, исследуемыми в других разделах физики, при этом оптические методы их исследования относят к наиболее тонким и точным. Из-за этого оптика очень долгое время играла ведущую роль во многих фундаментальных физических разработках, была основой для основных физических воззрений. Так, например, теория относительности и квантовая теория зародились и начали свое развитие на почве оптических исследований. Создание лазеров открыло новые возможности не только в оптике, но и многих отраслях науки и техники.
Оптика -- одна из древнейших наук, по настоящее время она продолжает интенсивно развиваться.
Основные законы и явления, изучаемые в основах оптики
С древних времен известны законы геометрической оптики:
-
Закон прямолинейного распространения света.
-
Закон независимости световых лучей.
-
Закон отражения света.
-
Закон преломления света.
Эта наука объясняет законы интерференции, дифракции, поляризации. Оптика пристальное внимание уделяет принципам взаимодействия электромагнитных волн с веществом, рассматривает законы теплового излучения, принципы излучения и поглощения света.
Задание: В опыте с зеркалами Френеля расстояние $d$ между мнимыми изображениями источника света равно $0,5\ мм=5\cdot {10}^{-4}м$, расстояние $l$ от них до экрана равно $5 м$. В желтом свете ширина интервенционных полос равна $\triangle x=$6 мм=$6\cdot {10}^{-3}м$. Определите длину волны ($\lambda $) желтого цвета.
Решение:
Используем для решения задач условие интерференционных максимумов:
\[\triangle =\pm m\lambda \ \left(m=0,1,2,\dots \right)\left(1.1\right).\]при этом разность хода ($\triangle $) может быть выражена как:
\[\triangle =\frac{xd}{l}\left(1.2\right).\]Приравняем правые части выражений (1.1) и (1.2):
\[\pm m\lambda =\frac{xd}{l}\left(1.3\right)\]Положения максимумов интерференционных полос будет определяться выражением:
\[x_{max}=\pm m\lambda \frac{l}{d}\left(1.4\right).\]Ширина интерференционной полосы при этом равна:
\[\triangle x=\frac{l}{d}\lambda \left(1.5\right).\]Выразим из (1.5) длину волны, получим:
\[\lambda =\frac{?x}{l}d.\]Проведем вычисления:
\[\lambda =\frac{6\cdot {10}^{-3}}{5}5\cdot {10}^{-4}=6\cdot {10}^{-6}(м).\]Ответ: $\lambda =6\cdot {10}^{-6}м.$
Задание: Пучок света прожектора представляет собой усеченный конус угол, раствора которого равен 2$?$. Световой поток при этом прожектора равен Ф. Какова сила света (I) прожектора, если считать, что световой поток распределен внутри конуса равномерно?
Решение:
За основу решения задачи примем выражение для силы света изотропного источника:
\[I=\frac{Ф}{\Omega }\left(2.1\right),\]где $\Omega $ телесный угол, в пределах которого распространяется световой поток. Найдем телесный угол, используя, известный нам угол раствора. Для этого рассмотрим рис. 1.
Рисунок 1.
Из этого рисунка очевидно ($dS$) площадь кольца рис.1:
\[dS=2\pi R^2sin \vartheta d \vartheta \left(2.2\right).\]Известно, что телесный угол определен как:
\[d\Omega =\frac{dS}{R^2}\left(2.3\right).\]Следовательно, элементарный телесный угол исходя из (2.2) и (2.3) равен:
\[d\Omega =2\pi sin \vartheta d \vartheta \left(2.4\right).\]В таком случае, телесный угол, соответствующий условию задачи равен:
\[\Omega =2\pi \int\limits^{\vartheta_0}_0{sin \vartheta d \vartheta}=2\pi \left(1-cos \vartheta_0\right)=4\pi sin^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)\left(2.5\right).\]Применим формулы (2.1) и (2.5), получим выражение для силы света:
\[I=\frac{Ф}{4\pi sin^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)}.\]Ответ: $I=\frac{Ф}{4\pi sin^2\left(\frac{\vartheta}{2}\right)}.$
