Luz- estas son ondas electromagnéticas, cuyas longitudes de onda se encuentran para el ojo humano promedio en el rango de 400 a 760 nm. Dentro de estos límites, la luz se llama visible. La luz con la longitud de onda más larga nos parece roja, y la luz con la longitud de onda más corta nos parece violeta. Es fácil recordar la alternancia de los colores del espectro con la ayuda del dicho " Para todos O hotnik F hace W natural, GRAMO Delaware Con va F azán. Las primeras letras de las palabras del dicho corresponden a las primeras letras de los colores primarios del espectro en orden decreciente de la longitud de onda (y, en consecuencia, de frecuencia creciente): “ Para rojo - O distancia - F amarillo - W verde - GRAMO azul - Con azul - F púrpura." La luz con longitudes de onda más largas que el rojo se llama infrarrojo. Nuestros ojos no lo notan, pero nuestra piel capta tales ondas en forma de radiación térmica. La luz con longitudes de onda más cortas que el violeta se llama ultravioleta.
Ondas electromagnéticas(y en particular, ondas de luz, o simplemente luz) es un campo electromagnético que se propaga en el espacio y el tiempo. Las ondas electromagnéticas son transversales: los vectores de intensidad eléctrica e inducción magnética son perpendiculares entre sí y se encuentran en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Las ondas de luz, como cualquier otra onda electromagnética, se propagan en la materia con una velocidad finita, que se puede calcular mediante la fórmula:
donde: ε y μ – permeabilidad dieléctrica y magnética de la sustancia, ε 0 y μ 0 - constantes eléctricas y magnéticas: ε 0 \u003d 8.85419 10 -12 F / m, μ 0 \u003d 1.25664 10 -6 H / m. La velocidad de la luz en el vacío(donde ε = μ = 1) es constante e igual a con= 3∙10 8 m/s, también se puede calcular mediante la fórmula:
La velocidad de la luz en el vacío es una de las constantes físicas fundamentales. Si la luz se propaga en cualquier medio, entonces la velocidad de su propagación también se expresa mediante la siguiente relación:
donde: norte- el índice de refracción de la sustancia - cantidad física, que muestra cuántas veces la velocidad de la luz en un medio es menor que en el vacío. El índice de refracción, como se ve en las fórmulas anteriores, se puede calcular de la siguiente manera:
- La luz lleva energía. Cuando las ondas de luz se propagan, surge un flujo de energía electromagnética.
- Las ondas de luz son emitidas en forma de cuantos individuales de radiación electromagnética (fotones) por átomos o moléculas.
Además de la luz, existen otros tipos de ondas electromagnéticas. Además, se enumeran en orden de longitud de onda decreciente (y, en consecuencia, de frecuencia creciente):
- ondas de radio;
- Radiación infrarroja;
- luz visible;
- Radiación ultravioleta;
- radiación de rayos X;
- Radiación gamma.
Interferencia
Interferencia- una de las manifestaciones más brillantes de la naturaleza ondulatoria de la luz. Está asociado con la redistribución de la energía de la luz en el espacio cuando el llamado coherente ondas, es decir, ondas que tienen la misma frecuencia y una diferencia de fase constante. La intensidad de la luz en la región de superposición de los haces tiene el carácter de alternancia de bandas claras y oscuras, siendo la intensidad mayor en los máximos y menor que la suma de las intensidades de los haces en los mínimos. Cuando se usa luz blanca, las franjas de interferencia resultan estar coloreadas en varios colores espectro.
Para calcular la interferencia se utiliza el concepto longitud del camino óptico. Deja que la luz viaje la distancia L en un medio con indicación refractiva norte. Luego, la longitud de su camino óptico se calcula mediante la fórmula:
Para la interferencia, al menos dos haces deben superponerse. Para ellos se calcula diferencia de camino óptico(diferencia de longitud óptica) de acuerdo con la siguiente fórmula:
Es este valor el que determina lo que sucede durante la interferencia: un mínimo o un máximo. Recuerda lo siguiente: máximo de interferencia(banda de luz) se observa en aquellos puntos en el espacio donde se cumple la siguiente condición:
En metro= 0, se observa un máximo de orden cero, en metro= ±1 máximo del primer orden, y así sucesivamente. mínimo de interferencia(banda oscura) se observa cuando se cumple la siguiente condición:
La diferencia de fase de las oscilaciones en este caso es:
Con el primer número impar (uno) habrá un mínimo de primer orden, con el segundo (tres) habrá un mínimo de segundo orden, etc. No hay un mínimo de pedido cero.
Difracción. Rejilla de difracción
Difracción Se denomina luz al fenómeno de la desviación de la luz de la dirección rectilínea de propagación cuando pasa cerca de obstáculos cuyas dimensiones son comparables a la longitud de onda de la luz (luz que se dobla alrededor de los obstáculos). Como muestra la experiencia, bajo ciertas condiciones, la luz puede ingresar al área de la sombra geométrica (es decir, estar donde no debe estar). Si hay un obstáculo circular en la trayectoria de un haz de luz paralelo (un disco redondo, una bola o agujero circular en una pantalla opaca), luego en una pantalla ubicada a una distancia suficientemente grande del obstáculo, aparece patrón de difracción- un sistema de alternancia de anillos claros y oscuros. Si el obstáculo es lineal (rendija, hilo, borde de la pantalla), aparece en la pantalla un sistema de franjas de difracción paralelas.
Rejillas de difracción son estructuras periódicas grabadas por una máquina divisoria especial en la superficie de una placa de vidrio o metal. En buenas rejillas los trazos paralelos entre sí tienen una longitud de unos 10 cm, y por cada milímetro hay hasta 2000 trazos. En este caso, la longitud total de la rejilla alcanza los 10-15 cm La fabricación de tales rejillas requiere el uso de la mayoría alta tecnología. En la práctica, también se utilizan rejillas más gruesas con 50 a 100 líneas por milímetro aplicadas a la superficie de la película transparente.
Cuando la luz incide normalmente en una rejilla de difracción, se observan máximos en algunas direcciones (además de la dirección en la que incidió inicialmente la luz). Para ser observado máximo de interferencia, se debe cumplir la siguiente condición:
donde: d es el período de rejilla (o constante) (la distancia entre surcos adyacentes), metro es un número entero, que se llama el orden del máximo de difracción. En aquellos puntos de la pantalla en los que se cumple esta condición, se ubican los denominados máximos principales del patrón de difracción.
Leyes de la óptica geométrica
óptica geométrica es una rama de la física que no tiene en cuenta las propiedades ondulatorias de la luz. Las leyes básicas de la óptica geométrica se conocían mucho antes del establecimiento de la naturaleza física de la luz.
Medio ópticamente homogéneo es un medio en todo el volumen del cual el índice de refracción permanece sin cambios.
La ley de propagación rectilínea de la luz: La luz viaja en línea recta en un medio ópticamente homogéneo. Esta ley conduce a la idea de un haz de luz como línea geométrica por donde se propaga la luz. Cabe señalar que se viola la ley de propagación rectilínea de la luz y el concepto de haz de luz pierde su significado si la luz pasa a través de pequeños agujeros, cuyas dimensiones son comparables a la longitud de onda (en este caso, se observa difracción) .
En la interfaz entre dos medios transparentes, la luz puede reflejarse parcialmente, de modo que parte de la energía luminosa se propagará después de la reflexión en una nueva dirección, y pasará parcialmente a través de la interfaz y se propagará en el segundo medio.
Ley de la reflexión de la luz: los rayos incidente y reflejado, así como la perpendicular a la interfaz entre dos medios, restaurados en el punto de incidencia del haz, se encuentran en el mismo plano (el plano de incidencia). Ángulo de reflexión γ igual al ángulo otoño α . Tenga en cuenta que todos los ángulos en óptica se miden desde la perpendicular a la interfaz entre dos medios.
Ley de refracción de la luz (ley de Snell): los rayos incidente y refractado, así como la perpendicular a la interfaz entre dos medios, restaurada en el punto de incidencia del rayo, se encuentran en el mismo plano. La relación del seno del ángulo de incidencia. α al seno del ángulo de refracción β es un valor constante para dos medios dados y está determinado por la expresión:
La ley de la refracción fue establecida experimentalmente por el científico holandés W. Snellius en 1621. Valor constante norte 21 llamada índice de refracción relativo segundo entorno en relación con el primero. El índice de refracción de un medio con respecto al vacío se llama índice de refracción absoluto.
miércoles con gran valor un índice absoluto se llama ópticamente más denso, y con uno más pequeño, menos denso. Al pasar de un medio menos denso a uno más denso, el haz “presiona” contra la perpendicular, y al pasar de un medio más denso a otro menos denso, se “aleja” de la perpendicular. El único caso en que el haz no se refracta es si el ángulo de incidencia es 0 (es decir, los rayos son perpendiculares a la interfaz).
Cuando la luz pasa de un medio ópticamente más denso a uno ópticamente menos denso norte 2 < norte 1 (por ejemplo, de vidrio a aire) se puede observar fenómeno de reflexión interna total, es decir, la desaparición del haz refractado. Este fenómeno se observa en ángulos de incidencia que superan un cierto ángulo crítico α pr, que se llama ángulo límite de reflexión interna total. Para el ángulo de incidencia α = α pr, pecado β = 1 porque β = 90°, esto significa que el refractado el rayo va a lo largo de la propia interfaz, mientras que, según la ley de Snell, se cumple la siguiente condición:
Tan pronto como el ángulo de incidencia se vuelve mayor que el límite, el rayo refractado ya no solo recorre el límite, sino que no aparece en absoluto, ya que su seno ahora debe ser mayor que la unidad, pero esto no puede ser.
lentes
Lente Un cuerpo transparente delimitado por dos superficies esféricas se llama. Si el grosor de la lente en sí es pequeño en comparación con los radios de curvatura de las superficies esféricas, entonces la lente se llama delgado.
Las lentes son reunión y dispersión. Si el índice de refracción de la lente es mayor que medioambiente, entonces la lente convergente en el medio es más gruesa que en los bordes, la lente divergente, por el contrario, es más delgada en la parte media. Si el índice de refracción de la lente es menor que el del medio ambiente, entonces ocurre lo contrario.
Una línea recta que pasa por los centros de curvatura de las superficies esféricas se llama eje óptico principal de la lente. En el caso de lentes delgadas, podemos suponer aproximadamente que el eje óptico principal se cruza con la lente en un punto, que comúnmente se llama centro óptico de la lente. Un haz de luz atraviesa el centro óptico de la lente sin desviarse de su dirección original. Todas las líneas que pasan por el centro óptico se llaman ejes ópticos laterales.
Si un haz de rayos paralelo al eje óptico principal se dirige a la lente, luego de pasar a través de la lente, los rayos (o su continuación) se reunirán en un punto F, Lo que es llamado foco principal de la lente. Una lente delgada tiene dos focos principales, ubicados simétricamente con respecto a la lente en el eje óptico principal. Las lentes convergentes tienen focos reales, las lentes divergentes tienen focos imaginarios. Distancia entre el centro óptico de la lente O y enfoque principal F llamado longitud focal. Se denota por el mismo F.
fórmula de la lente
La propiedad principal de las lentes es la capacidad de dar imágenes de objetos. Imagen- este es el punto en el espacio donde los rayos (o sus continuaciones) se cruzan, emitidos por la fuente después de la refracción en la lente. Las imágenes son directo y al revés, válido(las vigas se cruzan) y imaginario(las continuaciones de los rayos se cruzan), engrandecido y reducido.
La posición de la imagen y su naturaleza se pueden determinar usando construcciones geometricas. Para hacer esto, use las propiedades de algunos rayos estándar, cuyo curso se conoce. Estos son rayos que pasan por el centro óptico o uno de los focos de la lente, así como rayos paralelos al eje óptico principal o uno de los secundarios.
Para simplificar, puede recordar que la imagen de un punto será un punto. La imagen de un punto que se encuentra en el eje óptico principal se encuentra en el eje óptico principal. La imagen de un segmento es un segmento. Si el segmento es perpendicular al eje óptico principal, entonces su imagen es perpendicular al eje óptico principal. Pero si el segmento está inclinado hacia el eje óptico principal en un cierto ángulo, entonces su imagen ya estará inclinada en algún otro ángulo.
Las imágenes también se pueden calcular usando fórmulas de lentes delgadas. Si la distancia más corta del objeto a la lente se denota por d, y la distancia más corta de la lente a la imagen a través de F, entonces la fórmula de la lente delgada se puede escribir como:
el valor D recíproco de la distancia focal. llamado potencia óptica de la lente. La unidad de potencia óptica es 1 dioptría (D). La dioptría es la potencia óptica de una lente con una distancia focal de 1 m.
Es costumbre atribuir ciertos signos a las distancias focales de las lentes: para una lente convergente F> 0, para dispersión F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.
Cantidades d y F también obedecen una cierta regla de signos: F> 0 – para imágenes reales; F < 0 – для мнимых изображений. Перед d el signo "-" se coloca solo en el caso en que un haz de rayos convergente cae sobre la lente. Luego se extienden mentalmente a la intersección detrás de la lente, se coloca allí una fuente de luz imaginaria y se determina la distancia para ella. d.
Dependiendo de la posición del objeto en relación con la lente, las dimensiones lineales de la imagen cambian. zoom lineal lentes Γ llamada la relación de las dimensiones lineales de la imagen y el objeto. Hay una fórmula para el aumento lineal de una lente:
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Los científicos de la antigüedad, que vivieron en el siglo V a. C., sugirieron que todo en la naturaleza y este mundo es condicional, y solo los átomos y el vacío pueden llamarse realidad. Hasta la fecha, importante documentos historicos, confirmando el concepto de la estructura de la luz como un flujo constante de partículas que tienen ciertas propiedades físicas. Sin embargo, el término "óptica" aparecerá mucho más tarde. Las semillas de filósofos como Demócrito y Euclides, sembradas mientras comprendían la estructura de todos los procesos que ocurren en la tierra, han dado sus brotes. Recién a principios del siglo XIX la óptica clásica pudo adquirir su rasgos de personaje, reconocible por los científicos modernos, y apareció como una ciencia completa.
Definición 1
La óptica es una gran rama de la física que estudia y considera fenómenos directamente relacionados con la propagación de poderosas ondas electromagnéticas. espectro visible, así como rangos cercanos a él.
La clasificación principal de la sección especificada corresponde a desarrollo historico enseñanzas sobre los detalles de la estructura de la luz:
- geométrico - siglo III aC (Euclides);
- físico - siglo XVII (Huygens);
- cuántica - siglo XX (Planck).
La óptica caracteriza completamente las propiedades de la refracción de la luz y explica los fenómenos directamente relacionados con este tema. Métodos y principios de los sistemas ópticos y se utilizan en muchas disciplinas aplicadas, incluida la física, la ingeniería eléctrica, la medicina (especialmente la oftalmología). En estas, así como en áreas interdisciplinarias, son muy populares los logros de la óptica aplicada, que junto con la mecánica de precisión crean Fundacion solida industria óptico-mecánica.
La naturaleza de la luz
La óptica es considerada una de las primeras y principales ramas de la física, donde se expusieron las limitaciones de las antiguas ideas sobre la naturaleza.
Como resultado, los científicos pudieron establecer la dualidad fenomenos naturales y ligero:
- la hipótesis corpuscular de la luz, originaria de Newton, estudia este proceso como un flujo de partículas elementales - fotones, donde absolutamente cualquier radiación se realiza discretamente, y la mínima porción de la potencia de esta energía tiene una frecuencia y magnitud correspondiente a la intensidad de la luz emitida;
- la teoría ondulatoria de la luz, con origen en Huygens, implica el concepto de luz como un conjunto de ondas electromagnéticas monocromáticas paralelas observadas en fenómenos ópticos y representadas como resultado de las acciones de estas ondas.
Con tales propiedades de la luz, la ausencia de una transición de la fuerza y la energía de la radiación a otros tipos de energía se considera un proceso completamente normal, ya que las ondas electromagnéticas no interactúan entre sí en el entorno espacial de los fenómenos de interferencia, porque los efectos de la luz continuar propagándose sin cambiar sus detalles.
Las hipótesis ondulatorias y corpusculares de la radiación eléctrica y magnética encontraron su aplicación en los trabajos científicos de Maxwell en forma de ecuaciones.
Esta nueva idea de la luz como onda en constante movimiento permite explicar los procesos asociados a la difracción y la interferencia, entre los que se encuentra también la estructura del campo luminoso.
Características de la luz
La longitud de la onda de luz $\lambda$ depende directamente de la velocidad total de propagación de este fenómeno en el medio espacial $v$ y está relacionada con la frecuencia $\nu$ de la siguiente manera:
$\lambda = \frac(v)(\nu)=\frac (c)(n\nu)$
donde $n$ es el parámetro de refracción del medio. En general, este indicador es la función principal de la longitud de onda electromagnética: $n=n(\lambda)$.
La dependencia del índice de refracción de la longitud de onda se manifiesta en forma del fenómeno de dispersión sistemática de la luz. El concepto universal y aún poco estudiado en física es la velocidad de la luz $c$. Ella significado especial en el vacío absoluto no es solo la tasa máxima de difusión de poderosas frecuencias electromagnéticas, sino también la intensidad limitante de la difusión de información u otro impacto físico en los objetos materiales. Con un aumento en el movimiento de una corriente de luz en diferentes áreas, la velocidad inicial de la luz $v$ a menudo disminuye: $v = \frac (c)(n)$.
Las principales características de la luz son:
- composición espectral y compleja, determinada por la escala de longitudes de onda de la luz;
- polarización, que está determinada por el cambio general en el entorno espacial del vector eléctrico por la propagación de ondas;
- la dirección de difusión del haz de luz, que debe coincidir con el frente de onda en ausencia del proceso de birrefringencia.
Óptica cuántica y fisiológica
Ocurrencia Descripción detallada El campo electromagnético con la ayuda de los cuantos apareció a principios del siglo XX y fue expresado por Max Planck. Los científicos sugirieron que la emisión constante de luz se lleva a cabo a través de ciertas partículas: los cuantos. Después de 30 años, se comprobó que la luz no solo se emite parcialmente y en paralelo, sino que también se absorbe.
Esto brindó una oportunidad para que Albert Einstein determinara la estructura discreta de la luz. Hoy en día, los científicos llaman fotones de cuantos de luz, y el flujo en sí mismo se considera como un grupo integral de elementos. Por lo tanto, en la óptica cuántica, la luz se considera tanto como una corriente de partículas y como ondas al mismo tiempo, ya que procesos como la interferencia y la difracción no pueden explicarse por una sola corriente de fotones.
A mediados del siglo XX, las actividades de investigación de Brown-Twiss permitieron determinar con mayor precisión el territorio para el uso de la óptica cuántica. El trabajo del científico demostró que un cierto número de fuentes de luz que emiten fotones a dos fotodetectores y dan una señal de sonido constante sobre el registro de elementos pueden hacer que los dispositivos funcionen simultáneamente.
Implementación uso práctico la luz no clásica ha llevado a los investigadores a resultados increíbles. En este sentido, la óptica cuántica es una dirección moderna única con enormes oportunidades para la investigación y la aplicación.
Observación 1
La óptica moderna ha incluido durante mucho tiempo muchas áreas del mundo científico y desarrollos que tienen demanda y popularidad.
Estas áreas de la ciencia óptica están directamente relacionadas con las propiedades electromagnéticas o cuánticas de la luz, incluidas otras áreas.
Definición 2
La óptica fisiológica es una nueva ciencia interdisciplinar que estudia percepción visual información ligera y unificadora sobre bioquímica, biofísica y psicología.
Teniendo en cuenta todas las leyes de la óptica, esta sección de ciencia se basa en estas ciencias y tiene una dirección práctica especial. Se investigan elementos del aparato visual, así como Atención especial eventos únicos como ilusión óptica y alucinaciones. Los resultados del trabajo en esta área se utilizan en fisiología, medicina, tecnología óptica y la industria cinematográfica.
Hasta la fecha, la palabra óptica se usa con más frecuencia como nombre de la tienda. Naturalmente, en puntos tan especializados es posible comprar una variedad de dispositivos ópticos técnicos: lentes, anteojos, mecanismos que protegen la vista. En esta etapa, las tiendas tienen equipo moderno, que le permite determinar con precisión la agudeza visual en el acto, así como establecer los problemas existentes y las formas de eliminarlos.
Todo el mundo sabe o al menos ha oído que la luz tiene la propiedad de refractarse y reflejarse. Pero solo las fórmulas de la óptica geométrica y ondulatoria pueden explicar cómo, o más bien sobre qué base, sucede esto. Y toda esta enseñanza se basa en el concepto de "rayo", que fue introducido por Euclides tres siglos antes de nuestra era. Entonces, ¿qué es un rayo, en términos científicos?
Un haz es una línea recta a lo largo de la cual viajan las ondas de luz. Cómo, por qué: estas preguntas se responden con las fórmulas de la óptica geométrica, que forma parte de la óptica ondulatoria. Este último, como se podría suponer, considera los rayos como ondas.
Fórmulas de la óptica geométrica.
La ley de propagación rectilínea: un rayo en el mismo tipo de medio tiende a propagarse rectilíneamente. Es decir, la luz viaja por el camino más corto que existe entre dos puntos. Incluso se podría decir que el haz de luz busca ahorrarse tiempo. Esta ley explica los fenómenos de sombra y penumbra.
Por ejemplo, si la propia fuente de luz talla pequeña o está ubicado a una distancia tan grande que sus dimensiones pueden ignorarse, entonces el haz de luz forma sombras claras. Pero si la fuente de luz talla grande o es muy quemarropa, entonces el haz de luz forma sombras borrosas y penumbra.
Ley de Propagación Independiente
Los rayos de luz tienden a propagarse independientemente unos de otros. Es decir, no se afectarán entre sí de ninguna manera si se cruzan o se atraviesan en algún medio homogéneo. Los rayos parecen ignorar la existencia de otros rayos.
Ley de reflexión
Imagina que una persona apunta un puntero láser a un espejo. Por supuesto, el haz se reflejará en el espejo y se propagará en otro medio. El ángulo entre la perpendicular al espejo y el primer rayo se llama ángulo entre la perpendicular al espejo y el segundo rayo: el ángulo de reflexión. Estos ángulos son iguales.
Las fórmulas de la óptica geométrica revelan muchas situaciones en las que nadie piensa. Por ejemplo, explica por qué podemos vernos en un espejo "directo" exactamente como somos, y por qué su superficie curva crea una imagen diferente.
a es el ángulo de incidencia, b es el ángulo de reflexión.
Ley de la refracción
El rayo de incidencia, el rayo de refracción y la perpendicular al espejo se encuentran en el mismo plano. Si se divide el seno del ángulo de incidencia por el seno, entonces se obtiene el valor n, que es constante para ambos medios.
n muestra en qué ángulo pasa el haz del primer medio al segundo, y cómo se relacionan las composiciones de estos medios.
i - ángulo de caída. r - ángulo de refracción. n 21 - índice de refracción.
sin yo / sin r \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21
Ley de la reversibilidad de la luz.
¿Qué dice la ley de reversibilidad de la luz? Si el haz se propaga a lo largo de una trayectoria bien definida en una dirección, repetirá la misma ruta en la dirección opuesta.
Resultados
Las fórmulas de la óptica geométrica en una forma algo simplificada explican cómo funciona un haz de luz. No hay nada difícil en esto. Sí, las fórmulas y leyes de la óptica geométrica descuidan algunas de las propiedades del universo, pero no se puede subestimar su importancia para la ciencia.
