Курс лекций по физике. Часть IV. Оптика

Ученые древности, которые жили в 5 веке до нашей эры, высказывали предположение, что все в природе и этом мире условно, а реальностью можно назвать только атомы и пустота. На сегодняшний день сохранились важные исторические документы, подтверждающие понятие строения света как постоянного потока частиц, которые имеют определенные физические свойства. Однако сам термин «оптика» появится намного позднее. Зерна таких философов, как Демокрит и Евклида, посеянные при постижении структуры всех происходящих на земле процессов, дали свои ростки. Только в начале 19 столетия классическая оптика смогла приобрести свои характерные черты, узнаваемые современными учеными, и предстала как полноценная наука.

Рисунок 1. Понятие оптики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Оптика как раздел физики 400 руб.
Реферат Оптика как раздел физики 250 руб.
Контрольная работа Оптика как раздел физики 200 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
Определение 1

Оптика — огромный раздел физики, который изучает и рассматривает явления, напрямую связанные с распространением мощных электромагнитных волн видимого спектра, а также близких к нему диапазонов.

Основная классификация указанного раздела соответствует историческому развитию учения о специфике строения света:

геометрическая – 3 век до нашей эры (Евклид);
физическая – 17 век (Гюйгенс);
квантовая – 20 век (Планк).

Оптика полностью характеризует свойства преломления света и объясняет явления, непосредственно имеющие отношение к этому вопросу. Способы и принципы оптических систем и используются во многих прикладных дисциплинах, включая физику, электротехнику, медицину (в особенности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных областях огромной популярностью пользуются достижения прикладной оптики который наряду с точной механикой создают прочную основу оптико-механической промышленности.

Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Преимущества очковых средств коррекции

Сегодня большинство людей с аномалиями рефракции предпочитает носить обычные очки. Современные технологии позволяют производить очковую оптику очень легкую, компактную и красивую. Ранее людям приходилось подолгу привыкать к очкам, использовать модели с толстыми линзами, которые визуально увеличивают размер глаз и смотрятся неэстетично.

Методы производства очков постоянно совершенствуются. Можно приобрести пластиковые, металлические и роговые оправы, линзы из стекла и поликарбоната или с различными защитными слоями. Более того, количество противопоказаний к очковой оптике снижается. Можно смело говорить о следующих ее преимуществах:

Самый простой метод коррекции. Не требуется никаких специальных навыков, чтобы носить очки и ухаживать за ними.
Простота ухода за стеклами. Для этого нужно приобрести только специальную салфетку и футляр для хранения оптических изделий.
Удобство ношения при макияже.
Не вызывают аллергического конъюнктивита и инфекционных заболеваний глаз, так как нет непосредственного контакта стекол с глазами.
Возможность изменения внешнего вида за счет стильной и модной оправы.
Доступность и большой выбор различных моделей. Подобрать себе хорошую оптику может практически каждый человек. Очки выпускаются в широком ценовом диапазоне — от самых дешевых до очень дорогих.
Длительный срок службы. Если за очковой оптикой ухаживать и беречь ее, она прослужит долгие годы. Подбирать новую пару приходится только в случаях, когда изменяется показатель зрения.

Есть у очков и «минусы», которые также следует перечислить для полноты картины.

Недостатки очковой оптики

Список их достаточно обширный. Но стоит учитывать тот факт, что многие «минусы» являются относительными и временными. Многое зависит и от восприятия особенностей очковой оптики каждым конкретным человеком. Перечислим самые очевидные недостатки:

Не всех устраивает изменение внешности, создаваемое очками. Некоторые люди стесняются их носить.
Вынужденные ограничения при занятии спортом и активном образе жизни. Очки спадают с лица, запотевают, могут стать причиной травмы.
Трудности при ношении солнцезащитных очков. Приходится приобретать более дорогие модели с диоптриями и эффектом поляризации.
Необходимость всегда держать при себе очки.
Сужение полей зрения, что особенно отмечается водителями.
Долгая адаптация к очковым линзам с сильными диоптриями для коррекции высоких степеней аномалий рефракции.
Неэстетичный вид оптики для корригирования астигматизма и пресбиопии.
Проблемы при ношении очков во время дождя или снега. Попавшие на стекла капли снижают видимость.

Недостатков достаточно много. К ним можно отнести и противопоказания.

Когда нельзя носить очки?

Очковая оптика противопоказана в следующих случаях:

наличие психических отклонений;
анизометропия при разнице рефракции глаз более чем в 2 диоптрии;
непереносимость очковых линз;
профессия, которая не позволяет использовать очки (летчики, пожарные, военные).

Также очки лучше не носить водителям. При вождении автомобиля максимально широкий обзор — это залог безопасности. К сожалению, очковая оптика не всегда обеспечивает ее в должной мере, так как ограничивает поле зрения.

Как уже было отмечено ранее, многие из недостатков очков являются относительными. Сегодня существуют модели очковой оптики, которая может угодить практически каждому. Конечно, за нее придется заплатить больше, чем за обычные очки. Зато она гарантирует комфорт ношения и безопасность для глаз.

Так, людям с пресбиопией раньше приходилось подбирать бифокальные линзы, которые разделены на две оптические зоны. Теперь выпускаются модели с прогрессивными стеклами. Они выглядят как обычные очки, но позволяют видеть на разных дистанциях.

Водителям лучше носить асферические линзы. Для решения проблемы с ультрафиолетом используются фотохромные очки. Они изменяют показатель светопропускаемости в зависимости от освещения. На солнце они темнеют и становятся солнцезащитными, а в помещении превращаются в прозрачные стекла. Таким образом, при желании человек может подобрать хорошие очки, которые будут подходить по всем параметрам. Только медицинские противопоказания могут стать преградой для этого. В таких случаях лучше носить контактные линзы. Рассмотрим и их особенности.

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 \( \varphi_1 \).

«Плюсы» линз контактных

Контактные линзы набирают популярность. Преимуществ у них много, а недостатков с каждым годом все меньше. Связано это с развитием технологий. Современная контактная оптика подходит почти всем. Самые первые модели изготавливались из органического стекла. Они были неудобными и небезопасными, так как плохо пропускали кислород. Многим так и не удавалось привыкнуть к таким линзам. Все изменилось с внедрением в производство контактной оптики гидрогелевых материалов. Теперь ее может позволить себе практически каждый человек.

К основным преимуществам контактных линз можно отнести:

Возможность заниматься спортом. Офтальмологические изделия, вопреки расхожему мнению, не выпадают из глаз даже при интенсивных физических нагрузках. Это может произойти только в тех случаях, когда они подобраны неправильно.
Обеспечивают качественную коррекцию всех дефектов рефракции, в том числе пресбиопии и астигматизма.
Не ограничивают обзор. Асферические линзы гарантируют четкое зрение без бликов и широкое поле зрения.
Корректируют анизометропию даже при разной рефракции глаз более чем в 2 дптр.

На качество изображения не влияют снег и дождь.
Можно носить одновременно с солнцезащитными очками.
С помощью цветных линз появляется возможность изменить внешность.

Основные характеристики линз

В огромном разнообразии очковых линз, представленных на современном рынке, порой сложно разобраться даже опытным очкарикам, что уж говорить о тех, кто выбирает очки впервые. Широкий ассортимент — это несомненно большое благо для покупателя, но вновь и вновь мы сталкиваемся с вопросом, как сделать правильный выбор, не переплачивая за лишнее.

При выборе очков и линз главный совет таков: всегда лучше всего обратиться за помощью к специалистам в магазинах и салонах оптики, это не только сэкономит ваше время и деньги, но и обезопасит ваше здоровье. Для тех, кто желает сделать выбор самостоятельно, прицениться или просто лучше понимать, о чём спросить консультанта, мы опишем в этой статье ключевые характеристики очковых линз.

Материал: минеральные и органические линзы.

Что такое минеральные и органические линзы понятно не сразу. На самом деле здесь всё очень просто: в быту минеральные линзы называют стеклянными, а органические — пластиковыми. Давайте разберёмся, в чём их отличие.

Стеклянные (минеральные) линзы используются при изготовлении очков на протяжении всей их истории. Сегодня этот вид линз во многом устарел и уступает полимерным, однако у него есть и свои плюсы.

Плюсами минеральных линз можно назвать:

Высокую пропускаемость кислорода.
Хорошие оптические характеристики.
Устойчивость к царапинам.

Среди недостатков:

Большой вес.
Хрупкость при ударах.

Не рекомендуются минеральные линзы детям и спортсменам, поскольку при активных движениях их достаточно легко разбить и пораниться.

Рекомендуются – для людей с большой близорукостью, так как у стекла более высокий индекс преломления и при одинаковых диоптриях минеральные линзы будут тоньше пластиковых.

Пластиковые (органические) линзы сегодня являются более высокотехнологичной альтернативой стеклянным. Благодаря применению различных покрытий и примесей в производстве органических линз, производители могут значительно расширять функциональность полимерных линз, улучшая защиту от ультрафиолета, прочность, качество видимой картинки и гигиенические параметры.

Плюсы органических линз – это:

Прочность
Безопасность
Лёгкий вес
Совместимость с любыми оправами

Дизайн: сферические и асферические линзы

Под дизайном линз понимается геометрическая форма их поверхности.

Сферические линзы – это линзы с двояковыпуклой (при близорукости) или двояковогнутой (при дальнозоркости) поверхностью. Это самая распространённая разновидность линз, которая подходит практически во всех случаях. Недолюбливают сферические линзы за визуальный эффект уменьшения или увеличения глаз.

Асферические линзы не имеют изгиба с одной или обеих сторон и за счёт этого выглядят более эстетично. Кроме того, они тоньше и легче сферических, что особенно важно при высокой степени близорукости или дальнозоркости, когда требуются более толстые линзы. Проигрывать сферическим они могут из-за более высокой цены, а также из-за сильно бликующей поверхности, хотя последняя проблема производителями решается нанесением антибликового покрытия.

Важно! Асферические линзы не рекомендуются людям пожилого возраста, из-за сложности адаптации к периферийным искажениям

Однофокальные и мультифокальные линзы

В семейство мультифокальных линз входят линзы, предназначенные для коррекции дальнозоркости и близорукости одновременно. Они необходимы людям с возрастной дальнозоркостью, когда необходима коррекция зрения на разных расстояниях.

Однофокальные (монофокальные) линзы — это стандартные линзы с одинаковой оптической силой на всей поверхности.

Бифокальные линзы обладают двумя фокусами с разными диоптриями, что позволяет объединить функции двух очков в одних: очки для чтения + очки для видения предметов на расстоянии.

В прогрессивных линзах разные участки линз обладают разным коэффициентом преломления. В отличие от бифокальных, при переходе из одного положения в другое у прогрессивных линз отсутствует резкое размытие. В верхней их части располагается зона для дальнего зрения, в нижней – для ближнего.

Прогрессивные линзы выглядят несколько эстетичнее бифокальных, так как внешне не отличаются от обычных. Но их минус заключается в продолжительной адаптации при ношении.

Не подойдут прогрессивные линзы для людей с существенной разницей в диоптриях для левого и правого глаза, а также при катаракте или косоглазии.

В классических прогрессивных очках зоны коррекции располагаются на внешней стороне. Более продвинутым типом прогрессивных линз являются линзы с внутренней прогрессией, у которых эти зоны расположены на внутренней поверхности. Такой дизайн позволяет ощутимо увеличить поля зрения.

Офисные линзы – это популярная разновидность прогрессивных линз, у которых отсутствует поле для коррекции близорукости. Они используются для коррекции дальнозоркости, при этом обеспечивая обычное наблюдение предметов на близких и средних расстояниях. Обратите внимание, что офисные линзы не подойдут для управления автомобилем. Зато при работе за компьютером, продолжительном чтении или изучении документов они помогают снижать нагрузки и сохранять естественное положение головы.

Индекс преломления

Этот показатель, обозначает светопреломляющую способность линз. У очковых линз он варьируется от 1,5 до 1,74, и чем выше цифра, тем тоньше и прочнее модель.

Индекс преломления в различных каталогах может называться по-разному: коэффициент преломления, индекс утончения и т.п.

Число Аббе

Число Аббе (или коэффициент дисперсии) характеризует степень хроматической аберрации для линзы – это эффект радуги по краям линзы, связанный с разложение светового потока при проходе через линзу. Чем ниже число Аббе, тем больше световое искажение. Самым высоким числом Аббе обладают линзы из минерального стекла (59) и полимера CR-39 (58) – они максимально комфортны для глаз.

Остаточный рефлекс

На поверхности большинства линз остается слабый цветной блик, который и называют остаточным рефлексом. Остаточный рефлекс вовсе не является недостатком, а напротив придаёт линзе индивидуальность. Чаще всего цвет рефлекса будет зелёным, голубым или сиреневым — это зависит от технологий, применяемых при производстве линзы и дополнительных защитных покрытий.

«Минусы» контактной оптики

Не лишены средства контактной коррекции и недостатков:

необходимость ухаживать за ними, приобретать растворы и контейнеры;
требуют определенных навыков для правильной эксплуатации;
могут привести к травмированию глаз, но только при неаккуратном обращении;
вызывают аллергию и инфекционные офтальмологические болезни, что случается из-за плохого ухода за линзами;
обходятся дороже, чем очки.

Если за линзами хорошо ухаживать, ежедневно обрабатывать их специальными средствами, хранить только в чистом контейнере, то никаких осложнений возникнуть не должно. Также и другие недостатки нельзя назвать абсолютными. Правильно подобранные изделия не приведут к развитию каких-либо заболеваний. Что касается ухода за контактной оптикой, то он не такой уж и сложный. Отнимает эта процедура у человека не более 2 минут в день. Если же носить однодневные модели, то ухаживать за ними не придется.

Дисперсия света

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672)

Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.

Дисперсией света объясняется такое природное явление, как радуга.

Противопоказания к контактным линзам

Ограничений к их использованию больше, чем к очкам. Контактная оптика не назначается при:

индивидуальной непереносимости;
патологиях хрусталика;
глаукоме;
низкой чувствительности роговицы;
тяжелой форме синдрома «сухого глаза»;
птозе различного происхождения;
косоглазии.

К временными противопоказаниям относятся все инфекционные и воспалительные глазные заболевания, а также системные вирусные болезни и простуда. Могут быть и другие ограничения. Некоторые патологии требуют консультации терапевта. К ним относятся:

ВИЧ;
аллергический ринит;
бронхиальная астма;
туберкулез;
хронические заболевания легких;
онкология.

Стоит отметить, что еще несколько лет назад линзы не могли носить больные сахарным диабетом. Но постепенно ограничений становится все меньше, что достигается путем развития технологий и создания новых высокотехнологичных линз.

Итак, мы рассмотрели преимущества и недостатки обоих способов коррекции. Что же все-таки лучше — очки или линзы? Обратимся снова к факторам, которые влияют на выбор метода корригирования аномалий рефракции.

Что выбрать — очки или линзы?

При выборе средств коррекции нужно учитывать следующие факторы:

Возраст. До 7-8 лет ребенку лучше носить очки. После того, как он пойдет в школу, можно перевести его на контактные линзы. Школьник может самостоятельно обращаться с ними, то есть надевать, снимать и обрабатывать.
Образ жизни. Спортсменам и любителям активного отдыха лучше выбирать линзы. В них намного удобнее и безопаснее. Этот же совет можно дать представителям некоторых профессий — водителям, пожарным, военным и т.д.
Состояние здоровья. Медицинские показания — главный фактор, определяющий способ коррекции. При наличии противопоказаний к линзам назначаются очки — и наоборот. Если же ограничений нет, то человек вправе решить сам, что для него лучше — линзы или очки.
Финансовые возможности. Если Вы хотите сэкономить, то лучше приобретайте очки. Их может хватить на несколько лет и даже на всю жизнь. Однако не все рекомендуют экономить на зрении. Выбирайте метод коррекции, который будет для Вас удобным и безопасным.

Независимо от того, что Вы планируете подбирать, контактные линзы или очки, необходимо отправиться к офтальмологу и пройти обследование. Оптика должна подходить по всем параметрам. При этом они отличаются у очковых и контактных линз. Нельзя приобретать средства контактной коррекции по рецепту на очки. Если Вы планируете перейти на линзы, посетите врача.

В ходе обследования может выясниться, что Вам не подходят оба представленных метода коррекции. В таких случаях может быть назначена лазерная операция. При непереносимости оптических изделий она проводится и в детском возрасте. В ряде случаев, напротив, очки и линзы становятся единственно возможными способами улучшить зрение. Такое бывает при наличии противопоказаний к лазерному и хирургическому лечению.

Интерференция света

Интерференция света – это явление перераспределения энергии в пространстве, происходящее в результате сложения когерентных волн, вследствие чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы.

Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Когерентные волны можно получить от одного источника в результате отражения, преломления или дифракции.

Два независимых источника света не могут быть когерентными, поэтому в опытах с интерференцией света световые пучки от одного источника разделяют на два пучка, заставляют их проходить разные расстояния, а потом соединяют.

Когерентными могут быть:

волны, одна из которых падает на экран непосредственно от источника света, а другая создается его отражением в зеркале (зеркало Ллойда);

волны, образованные отражением одной и той же волны от двух сдвинутых относительно друг друга поверхностей (тонкие пленки);

волны, падающие от точечного источника на непрозрачную преграду с двумя узкими щелями, которые разделяют исходный пучок света на два когерентных пучка (опыт Юнга).

Интерференционная картина представляет собой чередование светлых (цветных) и темных полос.

Источником когерентных волн является лазер.

Геометрическая разность хода волн – это разность путей волн от двух когерентных источников \( S_1 \) и \( S_2 \) до точки пространства \( M \), в которой наблюдается интерференция.

Обозначение – \( \Delta r \), единица измерения в СИ – м.

Условие максимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит целое число длин волн или четное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается усиление света – максимум:

где \( k \) = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного максимума.

Условие минимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит нечетное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается ослабление света – минимум:

где \( k \) = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного минимума.

Если свет распространяется в прозрачной среде с показателем преломления \( n \), то применяют понятие оптической разности хода.

Оптическая разность хода – это величина, равная произведению показателя преломления и геометрической разности хода волн.

Обозначение – \( \Delta \), единица измерения в СИ – м.

Интерференция в тонких пленках

Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. На тонкую прозрачную пленку толщиной \( h \) падает световая волна, ограниченная лучами 1 и 2. В точке О свет частично отразится от верхней поверхности пленки (волна 1′), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С, преломившись в точке В, выйдет в воздух параллельно волне 1′. Волны 1′ и 1″ когерентны. (То же самое справедливо и для луча 2.)

Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и давать интерференционную картину. ( То же самое справедливо и для луча 2.)

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

где \( \Delta=2k\frac{\lambda}{2} \) – оптическая разность хода световых волн при отражении от верхней и нижней поверхности, \( k \) = 1; 2; 3… – целое число длин полуволн, укладывающихся в этой разности хода, \( \beta \) – угол преломления.

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Примером интерференции являются кольца Ньютона, которые наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны. Воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения линзы к краям. Отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки световые волны интерферируют между собой. При этом получается следующая картина: в точке соприкосновения наблюдается черное пятно, окруженное рядом концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.

Радиус светлого кольца Ньютона в отраженном свете:

где \( R \) – радиус кривизны линзы, \( k \) – номер кольца, считая от центра интерференционной картины.

Радиус темного кольца Ньютона в отраженном свете:

Радиус светлого кольца Ньютона в проходящем свете:

Радиус темного кольца Ньютона в проходящем свете:

Важно! При решении задач следует учитывать, в каком свете наблюдается интерференция: в отраженном или проходящем.

Использование интерференции света

Интерферометры – это приборы, которые контролируют качество обработки поверхностей зеркал, точность изготовления деталей оптических инструментов и измерительных приборов.
Просветление оптики – на поверхность линз наносят тонкую пленку с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла. Подбирая толщину пленки и величину показателя преломления, добиваются «гашения отраженных волн», вследствие чего возрастает интенсивность света, пропускаемого линзой.