Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.
Что изучает оптика
Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как "наука о зрительных восприятиях". Оптика - раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз - это сложная оптическая система.
История становления науки
Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.
Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.
В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах - крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.
Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.
В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.
Разделы
Предмет исследований оптики - это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.
Это:
- геометрическая оптика;
- волновая;
- квантовая.
Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.
Геометрическая оптика
В данном разделе существуют следующие законы оптики:
Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.
Закон отражения:
Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
Закон преломления:
Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.
Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.
Линза - это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять световые лучи. Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:
1/d + 1/f = D, где
d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние до изображения от линзы; D - оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).
Волновая оптика и ее понятия
Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.
Основные понятия данного раздела оптики - это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.
Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.
Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.
Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как "разломанный". Дифракция в оптике - это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца - светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.
Последнее ключевое понятие волновой оптики - это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.
Квантовая оптика
Свет - это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.
Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός - "свет"). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc2 также применяется для изучения свойств света.
Главная задача этого раздела - изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.
Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:
- тепловое излучение;
- фотоэффект;
- фотохимические процессы;
- вынужденное излучение и др.
В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение - квантовая криптография - секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному - 1.
Значение оптики и оптических приборов
В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?
Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.
Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.
Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.
Оптика и зрение
Глаз - это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название - оптика.
Можно подвести итог. Итак, оптика - это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.
