Основные законы геометрической оптики.

Федеральное агентство морского и речного транспорта

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра физики и химии

Пономарева В.А.

Кузьмичева В.А.

К У Р С Л Е К Ц И Й

по общей физике, ч. III

Оптика, атомная и ядерная физика

Альтаир МГАВТ

Москва 2007.

УДК 530.1

Пономарева Вера Андреевна.

Кузьмичева Виктория Александровна

Курс лекций по общей физике, ч. III (Оптика, атомная и ядерная физика)

М.: Альтаир МГАВТ 2007. – 80 с.

Курс лекций по общей физике, ч. III (Оптика, атомная и ядерная физика) представляет собой тексты лекций по оптике, атомной и ядерной физике, составленных в соответствии с действующим Государственным общеобразовательным стандартом Министерства образования Российской Федерации.

Основные задачи курса вытекают из требований, предъявляемых к уровню знаний в области физики будущих специалистов водного транспорта, необходимых для успешного изучения технических дисциплин. Курс адаптирован для студентов МГАВТ технических специальностей.

Для студентов МГАВТ инженерно- технических факультетов и специальностей.

Рецензент:

Утверждено на заседании кафедры Физики и химии МГАВТ.

Протокол № 5 от 06.02. 2007 г.

© МГАВТ, 2007

© Авторы: Пономарева В. А. Кузьмичева В. А., 2007

Предисловие

Физика принадлежит к числу фундаментальных наук, составляющих основу теоретической подготовки инженеров. Без ее знания невозможна успешная деятельность инженера в любой области современной техники. Стремительное развитие новых поколений техники в современных условиях требует новых качеств от преподавателей и студентов для ее освоения. Это особенно касается нанотехнологий, энергетических машин, материалов и способов их обработки, новых методов проектирования, освоить которые без знаний основ физики невозможно. Высокие требования к инженерным разработкам подкрепляются жесткой конкуренцией идей и проектов, которые также невозможно грамотно сформулировать без знания физики. Важность изучения физики несомненна.

Функционирование морского и речного транспорта переходит на новый уровень (например, лазерная проводка судов и т.п.) и это требует от студентов МГАВТ глубоких знаний по физике. Предлагаемый курс адаптирован к начальному уровню подготовки студентов МГАВТ и доводит этот уровень подготовки до требований образовательного стандарта.

Программа курса (в 3-х частях) учитывает задачи, которые существуют в инженерном образовании в связи с перестройкой учебного процесса в вузах. Авторы пытаются связать классическую физику с современным состоянием этой науки ( вводят главы о полупроводниковых приборах, лазерных устройствах и т.п.). Это привело к пересмотру последовательности изложения курса.

Каждая часть курса состоит из 16 лекций (согласно часам, отведенным МГАВТ на изучение физики). В курсе отмечаются трудности и ошибки, которые подчас имеют место до сих пор. Отмечены границы применимости физических теорий и законов. При отборе материала использовался многолетний преподавательский опыт авторов по чтению курса общей физики в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ), Уфимском высшем военном авиационном училище летчиков (УВВАУЛ).

Авторы выражают глубокую благодарность за представленные конспекты некоторых лекций, полезные советы и замечания доц. Катальниковой Ирине Николаевне. Авторы благодарны заведующему кафедрой общей физики УВВАУЛ доц. Татаринову Льву Николаевичу за помощь при подготовке лекций в первом исходном варианте.

Авторы благодарны заведующему кафедрой общей физики и химии МГАВТ Савельеву Виталию Гавриловичу за полезную и стимулирующую поддержку при подготовке курса.

Авторы также искренне благодарны рецензентам, замечания которых способствовали значительному улучшению качества конспектов лекций.

Авторы.

Содержание

Предисловие 3

Лекция 1 Элементы геометрической оптики. 4

1. Основные законы геометрической оптики. 4

2. Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью собирающей линзы. 4

Лекция 2 Волновая оптика. 4

3. Интерференция света. 4

4. Получение когерентных источников. Оптическая разность хода. 4

5. Расчет интерференции в опыте Юнга. 4

Лекция 3. Интерференция света. 4

1. Интерференция в тонких пленках. 4

2. Кольца Ньютона. 4

3. Применение интерференции. 4

Лекция 4. Дифракция света. 4

1. Принцип Гюйгенса – Френеля. 4

2. Дифракция Френеля на круглом отверстии. 4

3. Дифракция Френеля на небольшом диске. 4

Лекция 5 Дифракция Фраунгофера. 4

1. Дифракция от одной прямоугольной щели. 4

2. Дифракционная решетка. 4

3. Голография. 4

Лекция 6 Поляризация света. 4

1. Естественный и поляризованный свет. 4

2. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера. 4

3. Явление двойного лучепреломления и его особенности. Дихроизм. 4

4. Природа двойного лучепреломления. 4

5. Применение поляризованного света. 4

Лекция 7 Распространение света в веществе. 4

1. Дисперсия света. 4

2. Поглощение света. 4

3. Рассеяние света. 4

Лекция 8 Тепловое излучение. 4

1. Характеристики теплового излучения. 4

2. Поглощательная и отражательная способности тел. 4

3. 3аконы теплового излучения. 4

4. Оптическая пирометрия. 4

Лекция 9 Фотоэффект. 4

1. Законы внешнего фотоэффекта. 4

2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. 4

3. Фотон и его свойства. 4

4. Эффект Комптона. 4

5. Люминесценция, фотолюминесценция и ее основные закономерности. 4

6. Физические принципы устройства приборов ночного видения. 4

Лекция 10 Теория атома водорода по Бору. 4

1. Линейчатый спектр атома водорода. 4

2. Модели атома Томсона и Резерфорда. 4

3. Постулаты Бора. 4

4. Спектр атома водорода по Бору. 4

Лекция 11 Элементы квантовой механики. 4

1. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля. 4

2. Природа волн де Бройля. 4

3. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. 4

4. Уравнение Шредингера. Волновая функция. 4

5. Физический смысл волновой функции. 4

Лекция 12 Атом водорода в квантовой механике. 4

1. Уравнение Шредингера для атома водорода. 4

2. Квантовые числа. 4

3. Спин электрона. 4

Лекция 13 Оптические квантовые генераторы.. 4

1. Физические основы работы ОКГ. Спонтанное и индуцированное излучение. 4

2. Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней. 4

3. Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней. 4

4. Рубиновый лазер. 4

5. Газовый лазер. 4

Лекция 14 Атомное ядро и основы ядерной энергетики. 4

1. Состав и характеристики ядра. 4

2. Энергия связи и дефект масс. 4

3. Ядерные силы.. 4

4. Радиоактивность. 4

Лекция 15. 4

1. Реакция деления тяжелых ядер. 4

2. Цепная реакция деления. 4

3. Схема устройства ядерной бомбы.. 4

4. Управляемая цепная реакция. Ядерные реакторы. 4

5. Термоядерная реакция синтеза легких ядер. 4

6. Принципиальная схема устройства термоядерной бомбы.. 4

7. Проблемы управления термоядерной реакцией. 4

Лекция 16 Элементарные частицы.. 4

1. Космические лучи. 4

2. Элементарные частицы.. 4

3. Основные свойства. 4

4. Характеристики элементарных частиц. 4

5. Мюоны и их свойства. 4

6. Мезоны и их свойства. 4

7. Частицы и античастицы.. 4

8. Классификация элементарных частиц. Кварки. 4

Лекция 1
Элементы геометрической оптики.

Основные законы геометрической оптики.

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптики:

Закон прямолинейного распространения света.

Длины световых волн воспринимаемых глазом очень малы (порядка м). Поэтому рассмотрение видимого света приближенно можно рассматривать отвлекаясь от его волновой природы и полагая, что свет распространяется вдоль некоторых линий, называемых лучами. В этом приближении законы оптики можно сформулировать на языке геометрии. Поэтому раздел оптики, в котором пренебрегают конечностью длин волн ( ) называется геометрической оптикой. Другое название этого раздела лучевая оптика. Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстояния от него). Этот закон нарушается при прохождении света через малые отверстия или освещении малых преград.

Закон независимости световых лучей.

Эффект производимый отдельным лучом, не зависит от того действуют ли одновременно остальные лучи или они устранены. Лучи при пересечении не изменяют друг друга. Пересечение лучей не мешает каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при небольших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей нарушается.

Если свет падает на границу двух оптически прозрачных сред, то падающий луч разделяется на два: отраженный и преломленный, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Закон отражения света: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим и перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения. При этом угол падения равен углу отражения (рис.1)

Рис. 1.

Закон преломления света: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим и перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения. При этом отношение синуса угла падения к углу преломления есть величина постоянная для данных сред: , где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Если луч шел из второй среды в первую, то вследствие обратимости световых лучей относительный показатель преломления первой среды относительно второй записывается в виде: . Следовательно, .

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: .

Абсолютным показателем преломления называется величина равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости волны в среде : . Фазовая скорость волны в среде определяется величинами магнитной и электрической проницаемости среды и связана со скоростью света по формуле: . Следовательно, абсолютный показатель преломления среды равен: .

Учитывая определение абсолютного показателя преломления, закон преломления можно записать в следующем виде:

.

Значения абсолютных показателей преломления приводятся в физических таблицах.

Если свет распространяется в среду с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления , то угол преломления больше угла падения: . С увеличением угла падения увеличивается и преломленный угол до тех пор, пока при некотором угле падения угол преломления не окажется равным . Угол называется предельным углом. Преломленный луч при этом скользит вдоль раздела сред. При углах падения весь падающий свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением. Подставив в закон преломления , получим . Отсюда

.

При полном внутреннем отражении потерь интенсивности света не происходит.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения. Показатель преломления стекла равен , поэтому предельный угол отражения на границе стекло-воздух равен . Свойство полного отражения используется в различных оптических приборах для поворота лучей и пр. (рис. 2).

Поворот луча на	Поворот изображения	Оборачивание лучей
Рис. 2.